李 西，陳顯顧，詹 煬

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

引言

目前，防水試驗(yàn)在數(shù)字電子產(chǎn)品可靠性測(cè)試中扮演重要角色。在防水試驗(yàn)中，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單目測(cè)已無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)產(chǎn)品防水結(jié)構(gòu)失效的分析要求。傳統(tǒng)的目測(cè)僅能簡(jiǎn)單判斷產(chǎn)品進(jìn)水與否，試驗(yàn)后檢查往往僅能顯示積水的最終位置，無(wú)法準(zhǔn)確定位試驗(yàn)中水滴所經(jīng)過(guò)的電子元器件，以致無(wú)法確定危害程度，這對(duì)失效產(chǎn)品的日后整改帶來(lái)巨大困難，因此準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)水路徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得日益重要。利用濕度顯示卡遇水變色的特點(diǎn)，測(cè)試人員能夠準(zhǔn)確定位進(jìn)水路徑與分析防水結(jié)構(gòu)失效的原因。

1 IP防水試驗(yàn)概述

在當(dāng)前驗(yàn)證產(chǎn)品防水性能的試驗(yàn)中，GB 4208/ IEC 60529是當(dāng)前最廣為應(yīng)用的防水試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。GB 4208/IEC 60529標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定第二位特征數(shù)字表示外殼防止由于進(jìn)水而對(duì)設(shè)備造成有害影響的防護(hù)等級(jí)。對(duì)不同的防護(hù)等級(jí)(表1)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法與判定條件。

表1 IP防水等級(jí)含義[1]

2 產(chǎn)品主要使用的防水結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

產(chǎn)品主要使用的防水結(jié)構(gòu)方法有打防水乳膠、塑膠注塑和O型密封圈等方法進(jìn)行密封。O型密封圈是最普遍采用的一種防水方式。O型圈為截面為圓環(huán)形的密封圈，被應(yīng)用于各種腔體零件的密封。通常情況，O型密封圈由人造橡膠所制成，在特殊情況中，O型密封圈也可由PTFE或熱塑性材料代替[2]。O型密封圈的主要用途是制造密封環(huán)境，對(duì)氣體或液體進(jìn)行腔室的隔絕。

O型圈密封設(shè)計(jì)通常是由O型圈與凹槽所組成。O型圈為人造橡膠制的圓截面圈體。凹槽通常是對(duì)金屬或其他硬質(zhì)材料切削所制成，用以容納橡膠O型圈，以此形成密封環(huán)境[2]（見(jiàn)圖1）。

3 濕度顯示卡布置的設(shè)計(jì)方法

3.1 濕度顯示卡介紹與應(yīng)用

濕度顯示卡為能夠顯示當(dāng)前環(huán)境濕度狀況的卡片，用戶(hù)可通過(guò)濕度顯示卡顏色的變化來(lái)判斷當(dāng)前濕度狀況。當(dāng)環(huán)境狀況濕度達(dá)到濕度卡標(biāo)示顯示濕度值時(shí)，濕度卡顏色可由干燥色轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼭裆穸蕊@示卡見(jiàn)圖2）。

圖1 典型的O型圈密封結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 濕度顯示卡

根據(jù)濕度顯示卡變色特點(diǎn)，靈活運(yùn)用濕度顯示卡可顯著改善防水試驗(yàn)的效果。濕度顯示卡運(yùn)用于防水試驗(yàn)的特點(diǎn)有：

1)可觀測(cè)性：對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，通常結(jié)構(gòu)深處的進(jìn)水難以直接通過(guò)目測(cè)發(fā)現(xiàn)。通過(guò)濕度顯示卡的設(shè)置，能夠通過(guò)直接設(shè)置顯示卡于不易觀察處，通過(guò)顯示卡顏色的變化替代傳統(tǒng)的目測(cè)。

2)朔源性：傳統(tǒng)的目測(cè)僅能發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后樣品積水位置，通常試驗(yàn)后大部分進(jìn)水位都積聚于樣品底部，難以判定樣品進(jìn)水位置與流經(jīng)的電子元器件，對(duì)試驗(yàn)的朔源與結(jié)果的判定造成困難。通過(guò)濕度顯示卡位置的合理設(shè)定，能夠直觀地對(duì)進(jìn)水路徑進(jìn)行尋跡與初始失效位置的朔源定位。

3)易用性：濕度顯示卡的使用具有良好的易用性。使用過(guò)程簡(jiǎn)便、快捷，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)試驗(yàn)樣品的制備。

3.2 濕度顯示卡布置原則

濕度顯示卡的位置設(shè)置需首先對(duì)樣品的防水特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。顯示卡的布置位置需要著重考慮對(duì)樣品進(jìn)水敏感的位置，較為常見(jiàn)的位置是外殼進(jìn)水后會(huì)影響設(shè)備正常操作或破壞安全性的元器件、可能導(dǎo)致沿爬電距離引起漏電起痕的絕緣部件、可能導(dǎo)致短路的線路、各種帶電部件等。

布置濕度顯示卡的關(guān)鍵位置：

1)關(guān)鍵導(dǎo)電元器件：關(guān)鍵導(dǎo)電元器件對(duì)設(shè)備正常工作與安全性起直接影響，通常此類(lèi)元器件包括電子芯片、內(nèi)部供電電池，負(fù)責(zé)設(shè)備主要功能的相關(guān)器件等（圖3，設(shè)置濕度顯示卡用于觀察設(shè)備內(nèi)部電池進(jìn)水情況）。

圖3

2)供電電路接口：供電電路接口進(jìn)水易導(dǎo)致設(shè)備短路，由于水的張力影響，水滴易積聚于接線口孔隙深處而不被發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)其周邊部位設(shè)置濕度顯示卡即可容易觀察是否存在水滴經(jīng)過(guò)或流入縫隙（見(jiàn)圖4，設(shè)置濕度顯示卡于電路輸入端子）。

3)外殼密封邊緣處：外殼密封邊緣設(shè)置濕度顯示卡，主要用途為觀察設(shè)備外殼接口密封情況。此處設(shè)置濕度顯示卡能方便觀察到密封膠條失效的具體位置，同時(shí)也是判斷樣品腔體是否進(jìn)水的關(guān)鍵依據(jù)。外殼密封邊緣處濕度顯示卡的數(shù)量應(yīng)設(shè)置較高的密度，使得密封膠條失效位置的判斷更加精準(zhǔn)（見(jiàn)圖5）。

4)外部引線口：外部出線口應(yīng)放置濕度顯示卡進(jìn)行觀察。樣品外部出線口通常會(huì)因線材的尺寸與或使用中受力等原因而出現(xiàn)縫隙。尤其進(jìn)行IP等級(jí)強(qiáng)噴水試驗(yàn)時(shí)，引線口處的絕緣塑膠與線體表面或機(jī)體外殼的壓力不夠，噴水易使之間產(chǎn)生縫隙而造成腔體進(jìn)水（見(jiàn)圖6）。

3.3 使用濕度顯示卡的注意事項(xiàng)

1)使用過(guò)程中，應(yīng)正確使用鑷子等夾持物對(duì)濕度顯示卡進(jìn)行操作，切勿直接用手對(duì)顯示卡進(jìn)行夾取。敏感的顯示卡易被手中的汗液等物質(zhì)所污染。

圖4

圖5

2)濕度顯示卡使用過(guò)程中，應(yīng)注意使用環(huán)境的溫濕度。環(huán)境濕度過(guò)大易導(dǎo)致顯示卡提早由干燥色轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼭裆?，造成觀測(cè)困難或試驗(yàn)結(jié)果偏差。

3)濕度顯示卡應(yīng)牢固粘貼在產(chǎn)品上，防止因搬運(yùn)或試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)導(dǎo)致顯示卡可能出現(xiàn)的移位。

4)應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫濕度選擇具有合適濕度感應(yīng)范圍的顯示卡。過(guò)低的標(biāo)示值易導(dǎo)致濕度顯示卡過(guò)于敏感或提前變色，同時(shí)對(duì)顯示卡的使用環(huán)境提出了過(guò)于嚴(yán)酷的環(huán)境要求。通常使用濕度標(biāo)示值于40%RH～60%RH的顯示卡。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 產(chǎn)品防水結(jié)構(gòu)分析

本次試驗(yàn)用樣品采用O型密封圈防水結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過(guò)程著重考察O型圈防水性能。O型密封圈鑲嵌在金屬凹槽內(nèi)，通過(guò)蓋板對(duì)O型密封圈的擠壓來(lái)實(shí)現(xiàn)腔體密封。通過(guò)分析O型密封圈的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)出O型密封圈密封不良的原因如下：

1)高溫：O型密封圈橡膠于高溫條件下發(fā)生老化，導(dǎo)致密封圈發(fā)生變形、彈性下降、軟化等質(zhì)量下降[3]。

2)壓力不均：固定蓋板螺絲扭矩不同，蓋板下壓力不均，導(dǎo)致O型圈變形程度不一。O型圈變形量不同易導(dǎo)致孔隙產(chǎn)生，致使防水結(jié)構(gòu)失效。

3)設(shè)計(jì)與加工：O型密封圈密封效果很大程度上取決于正確的規(guī)格選定與密封結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量，錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)或劣質(zhì)加工均會(huì)對(duì)防水性能造成影響，例如規(guī)格尺寸的選擇、材質(zhì)選擇、加工精度、橡膠質(zhì)量等。[4]

圖6

4.2 試驗(yàn)流程

1)環(huán)境條件控制：本次試驗(yàn)濕度顯示卡選用50%RH等級(jí)，因此對(duì)腔體進(jìn)行顯示卡布置時(shí)需對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行嚴(yán)格控制。如條件許可，可在恒溫/恒濕室中進(jìn)行。根據(jù)本次采用的顯示卡的感應(yīng)等級(jí)，環(huán)境溫度控制在20℃～25℃，環(huán)境濕度需控制在50%RH以下。

2)濕度顯示卡布置：本次試驗(yàn)驗(yàn)證重點(diǎn)為O型圈防水結(jié)構(gòu)，因此需將濕度顯示卡沿O型圈卡槽位置進(jìn)行排布，放置的位置應(yīng)盡可能貼近O型密封圈，根據(jù)樣品尺寸大小，合理分配濕度顯示卡的排列密度。本次試驗(yàn)共使用顯示卡14個(gè)，均勻分布于樣品O型圈卡槽周邊（見(jiàn)圖7）。

3)蓋板鎖緊：為防止蓋板壓力不均導(dǎo)致樣品的O型圈密封效果不良，使用扭矩電批，使用同樣扭矩對(duì)樣品對(duì)稱(chēng)位置的螺釘依次擰緊。

4)防水試驗(yàn)：本次防水試驗(yàn)按照GB 4208-2008 的IPX5等級(jí)進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)噴嘴在所有可能的方向向樣品外殼噴水，噴嘴內(nèi)徑為6.3 mm，水流量為（12.5±0.625）L/min，主水流的中心部分為離噴嘴2.5mm處直徑約為40mm的圓，噴嘴至外殼表面距離為2.5m，試驗(yàn)樣品外殼噴水時(shí)間為1min/面，共6min（見(jiàn)圖8）。

圖8

5)樣品檢查：試驗(yàn)后，應(yīng)將樣品外殼表面積水清除干凈，用適當(dāng)壓力的風(fēng)槍將縫隙內(nèi)的水滴輕輕吹出，以免這些水滴影響環(huán)境濕度或開(kāi)蓋時(shí)進(jìn)入樣品內(nèi)腔。將樣品移入溫濕度受控的環(huán)境中，溫度應(yīng)控制在20℃～25℃范圍，濕度為50%RH以下[5]。開(kāi)啟防水蓋板，觀察濕度顯示卡的變色情況，以及樣品內(nèi)腔內(nèi)有無(wú)積水。若顯示卡未變色，說(shuō)明該顯示卡未沾染水份；若變色明顯，則表明該位置進(jìn)水。檢查發(fā)現(xiàn)，顯示卡未變色，也未發(fā)現(xiàn)積水，表明樣品O型密封圈密封效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)濕度顯示卡在防水試驗(yàn)中的應(yīng)用做出了介紹。濕度顯示卡在防水試驗(yàn)中的應(yīng)用具有可觀測(cè)性、朔源性、易用性的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)與防水特性的分析，合理地使用濕度顯示卡，可以顯著改善防水試驗(yàn)效果。

[1] GB 4208-2008，外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)[S].

[2] EPM, The seal man’s o-ring handbook .

[3] Dictomatik, global o-ring size reference guide.

[4] Eriks, Precision o-ring manual , 2002 .

[5] IEC 60529:2001，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].