江徽，劉信，何靜，萬永康，虞勇堅，張凱虹

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035）

引言

眾所周知，電子產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境是影響其可靠性的重要因素，這些環(huán)境因素主要包括：溫濕度、鹽霧、沙塵、振動、沖擊、輻射等，其產(chǎn)生的應(yīng)力都會對電子產(chǎn)品產(chǎn)生不良的影響[1]。而隨著人類開發(fā)的增加與實際生活環(huán)境的變化，沙塵導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效比率逐步增大。自然環(huán)境中的沙塵一般是由空氣中的微小顆粒物以及人類實際生活中的棉絮等物質(zhì)組成。它會在自身重力作用下或風(fēng)的影響侵入電子產(chǎn)品內(nèi)部，同時若電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境中存在空氣的熱運動、溫度變化引起的壓力差以及產(chǎn)品散熱引起的熱循環(huán)等條件都會引發(fā)或加速沙塵的侵入[2]。相關(guān)研究表明，沙塵可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品的主要失效模式包括：運動部件的阻力加大或卡死，表面磨損造成產(chǎn)品體驗感降低，熱傳導(dǎo)性能降低，引發(fā)相關(guān)接觸電阻變化，甚至導(dǎo)致電氣性能與光學(xué)性能降低[3]。

依據(jù)氣象局等環(huán)保部門對大氣環(huán)境中降塵量監(jiān)測結(jié)果顯示，大氣環(huán)境中沙塵濃度會依地區(qū)的不同而不同，電子在不同地區(qū)應(yīng)用所受到的沙塵環(huán)境應(yīng)力也是不同的。通常而言，沉積或侵入電子產(chǎn)品的沙塵在沒有水的情況下是不良導(dǎo)體。然而跟其他環(huán)境結(jié)合如溫濕度，會溶解沙塵中可溶性粒子形成電解液，從而會加速金屬的腐蝕，電化學(xué)失效等危害[4]。因此，模擬沙塵環(huán)境對電子產(chǎn)品可靠性的影響，尤其是探究沙塵在與溫濕度相結(jié)合的綜合應(yīng)力條件下的電子產(chǎn)品可靠性水平至關(guān)重要。

綜上所述，為完善電子產(chǎn)品的沙塵條件可靠性評估方法，本文研究了一種電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗評價方法。該方法通過調(diào)研產(chǎn)品的實際應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計分析；依據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進行綜合應(yīng)力沙塵試驗嚴(yán)酷度選擇與試驗剖面設(shè)計；并在試驗具體實施過程中對產(chǎn)品性能以及降塵量等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控，最后在溫濕度條件下對試驗樣品的進行性能表征測試與風(fēng)險等級判定。

1 試驗嚴(yán)酷度選擇與試驗剖面設(shè)計

1.1 試驗嚴(yán)酷度選擇

綜合應(yīng)力沙塵試驗的嚴(yán)酷度選擇是基于產(chǎn)品的實際應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)，在進行產(chǎn)品實用環(huán)境狀態(tài)調(diào)研時，應(yīng)注意其工作時所承受的環(huán)境溫度上限與溫度下限，其目的是為了在進行綜合應(yīng)力沙塵試驗時，可將環(huán)境溫度上下限定義為試驗中溫度應(yīng)力等級的上下限。

通常而言，單一的沙塵試驗的嚴(yán)酷程度由試驗的持續(xù)時間與沙塵沉積量共同決定，但為了方便表征試驗嚴(yán)酷度跟某些實際環(huán)境條件的量化關(guān)系，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.37電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗中規(guī)定，僅僅由條件試驗的持續(xù)時間來決定沙塵試驗的嚴(yán)酷程度，沙塵沉積量被定義為6 g/(m2·d)，從而更加方便產(chǎn)品依據(jù)自身功能重要性來進行嚴(yán)酷程度的選擇[5]。綜合應(yīng)力沙塵試驗引入了溫度應(yīng)力，但依據(jù)相關(guān)理論在忽略大氣湍流沉降的影響下，塵顆粒的沉降速度僅與空氣粘滯系數(shù)、顆粒密度、空氣密度、顆粒直徑等參數(shù)有關(guān)，與溫度無直接相關(guān)性[6]。經(jīng)過對同等條件下不同溫度條件的沙塵沉積量進行監(jiān)測論證如圖1所示，其中溫循條件范圍為0～60 ℃，結(jié)果顯示溫度的變化對沙塵的沉降量無任何影響，但溫度應(yīng)力的存在對產(chǎn)品材料本身、結(jié)構(gòu)件縫隙以及靜電吸引的沙塵入侵產(chǎn)生一定的影響。因此在綜合應(yīng)力試驗中，對沙塵應(yīng)力中的沙塵沉積量定義為6 g/(m2·d)，其沙塵應(yīng)力嚴(yán)酷程度也由試驗的持續(xù)時間來決定。

圖1 不同溫度應(yīng)力條件下沙塵沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

結(jié)合可能引發(fā)沙塵入侵的條件，如自然沉積、空氣循環(huán)帶入、熱運動帶入、由熱膨脹引起的氣壓變化吸入等因素。溫度應(yīng)力的存在只可能對材料縫隙以及靜電吸引的沙塵入侵產(chǎn)生一定的影響，但相對應(yīng)力較小，從沙塵入侵含量可能需要非常精密的設(shè)備才能定量測定。但溫度的變化與沙塵入侵程度以及后期應(yīng)力變化必然存在相互關(guān)聯(lián)，具體關(guān)聯(lián)量化關(guān)系可能需更精密的技術(shù)進一步進行探究[7]。因此綜合應(yīng)力試驗的試驗嚴(yán)酷度等級，可以由沙塵單應(yīng)力等級與溫度應(yīng)力等級，組建成一個修正的等級模型矩陣，用來定性評價試驗應(yīng)力，如表1所示。

表1 綜合應(yīng)力試驗嚴(yán)酷度等級表

其中，沙塵單應(yīng)力等級：T1表示在對應(yīng)的沙塵單應(yīng)力條件下，試驗1天的周期界定，以此類推；溫度應(yīng)力等級：R1表示在對應(yīng)的溫度單應(yīng)力條件下，試驗1天的周期界定，以此類推；綜合應(yīng)力試驗嚴(yán)酷度等級：S1表示在對應(yīng)的的溫度應(yīng)力與沙塵應(yīng)力綜合條件下，試驗1天的周期界定，以此類推。該試驗嚴(yán)酷度選擇實施方法可由產(chǎn)品的實際應(yīng)用環(huán)境的沙塵應(yīng)力強度、溫度條件應(yīng)力強度、產(chǎn)品本身的設(shè)計壽命周期等進行綜合分析確定。

1.2 試驗剖面的設(shè)計

樣品的工作狀態(tài)可能會影響沙塵侵蝕，這是由于工作時的振動效應(yīng)可能不利于沙塵的沉積[8]。但是結(jié)合沙塵能由空氣熱運動侵入產(chǎn)品內(nèi)部以及溫度變化引起的氣壓差而吸入等相關(guān)特性，密封發(fā)熱的產(chǎn)品應(yīng)采用間歇式工作模式，以便通過熱力循環(huán)產(chǎn)生吸入效應(yīng)增加沙塵入侵，從而更完善的評價產(chǎn)品的密封性與沙塵耐受性。在進行試驗驗證時，若待驗證的產(chǎn)品具有一定的熱效應(yīng)，可參照圖2所設(shè)計的溫度循環(huán)與工作狀態(tài)試驗剖面進行。為避免溫度應(yīng)力對產(chǎn)品產(chǎn)生過應(yīng)力作用，其溫度變化速率應(yīng)足夠的小，建議使用＜10 ℃/min的溫度變化速率。循環(huán)周期可通過計算產(chǎn)品MTBF來預(yù)計，溫度應(yīng)力作用實際時間（MTBF）不應(yīng)超過產(chǎn)品本身設(shè)計所能達到的壽命期限。若有特定的要求或因產(chǎn)品本身的類型與特性，產(chǎn)品以靜態(tài)模式進行測試。

圖2 溫度循環(huán)與工作狀態(tài)試驗剖面

2 試驗實施方法

進行綜合應(yīng)力沙塵試驗測試時，具體的實施方法可以參照GB/T 2423.37電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗中的沙塵試驗方法進行[5]。沙塵的供給與沉積可以參照圖3的試驗剖面進行，其中1min的吹塵表示塵的注入過程，59 min的降塵表示塵的自然沉積過程，5 min的管道清理表示氣壓上升與設(shè)備緩沖過程。

圖3 綜合應(yīng)力沙塵試驗中沙塵供給與沉積試驗剖面

試驗論證開始前應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品實際的應(yīng)用環(huán)境與結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的試驗用塵與粒子尺寸。推薦使用試驗標(biāo)準(zhǔn)用塵與實際腐蝕性物質(zhì)混合的合成沙塵，對于粒子尺寸的分布要求，所選的沙塵粒子尺寸應(yīng)含有產(chǎn)品實際工作環(huán)境中含有粒子的最小尺寸。在進行方法論證試驗時，選用的是普遍的家用電子產(chǎn)品，因此采用是粒子尺寸小于75 μm具有腐蝕特性的石英砂混合沙塵。這是為了更好的研究吸濕性塵對產(chǎn)品的腐蝕性影響與評估產(chǎn)品的防塵致密性水平。

考慮到沙塵潮濕結(jié)塊而造成沙塵顆粒大小的變化以及塵注入的順暢性，沙塵使用前必須進行干燥處理，必要時高溫下烘干2 h，以去除水分。在試驗進行過程中，應(yīng)對沙塵沉積量與均勻性進行實時監(jiān)測，測量方法可通過在樣品同一水平面放置一個或多個收集器，在測試前后稱取收集器的質(zhì)量，來判定試驗區(qū)域的沙塵沉降量維持在 6 g/(m2·d)[9]。

塵能否均勻地覆蓋在樣品的上面，與試驗樣品放置位置存在一定的相關(guān)性，因此，在試驗樣品放置時，一定要保持水平狀態(tài)；樣品需離塵注入口有一定的距離；若試驗樣品不止一件時，在放置時，兩個樣品至少保持150 mm的距離，同時需預(yù)留一定的交叉角度，盡量避免處于同一水平線。特別值得注意的是，所有的沙塵均存在一定的危害性，除滑石粉其他粉塵濃度超出一定界限時均有發(fā)生爆炸的風(fēng)險，因此試驗人員應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施避免健康與安全危害[10]。

3 試驗表征與結(jié)果分析

3.1 溫濕度測試分析

綜合應(yīng)力沙塵試驗測試周期結(jié)束后，應(yīng)對產(chǎn)品的功能、噪音、電性能、外觀等方面進行全面的檢查分析。通常而言常規(guī)的沙塵試驗僅僅能評估沙塵入侵的風(fēng)險與相關(guān)防護措施的優(yōu)劣性，無法直觀的表征沙塵可能引發(fā)的潛在故障的風(fēng)險，沙塵的存在并聯(lián)合其他環(huán)境應(yīng)力會加速潛在故障的顯現(xiàn)。因而，在綜合應(yīng)力沙塵試驗后進行溫濕度測試，進一步激發(fā)其潛在缺陷存在必要性。

3.1.1 基本參數(shù)測試分析

沙塵對電子產(chǎn)品性能參數(shù)的危害，可能主要表現(xiàn)在絕緣性能、熱傳導(dǎo)性能以及噪音。若非沉積足夠量的沙塵，對電子產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)性能的影響相對較小，在實際試驗驗證過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品本身的特點以及應(yīng)用環(huán)境，選擇是否需進行溫升等熱傳導(dǎo)性能參數(shù)的表征。在本文綜合應(yīng)力沙塵試驗方案驗證過程中，主要對樣品的絕緣性能和噪音進行了表征[11]。

圖4（a）所示的為試驗各階段樣品絕緣電阻的測試表征結(jié)果示意圖，結(jié)果顯示在綜合應(yīng)力沙塵試驗進行階段，其絕緣電阻無明顯變化，這是由于干燥的沙塵一般是不良導(dǎo)體，不會引起絕緣性能的改變。沙塵試驗后再經(jīng)過24 h的溫濕度測試后發(fā)現(xiàn)，樣品的絕緣電阻急劇下降，并且隨著溫濕度測試時間的延長絕緣電阻會隨之持續(xù)下降。這是因為濕度的入侵以及沙塵吸水性的影響，會在絕緣體表面形成微型電路，造成局域性通路，從而使絕緣性能降低，長時間處于這種狀態(tài)或防護措施不夠，使用時可能引發(fā)一定的安全風(fēng)險[12]。

圖4（b）所示的為試驗各階段樣品噪音的測試表征結(jié)果示意圖，結(jié)果表明隨著綜合沙塵應(yīng)力試驗與溫濕度測試時間的延長，噪音分貝值呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。這是因為沙塵的入侵使得活動部件之間的摩擦力增大，會引發(fā)或加大噪音的產(chǎn)生。而隨著溫濕度測試的進行，沙塵因水分子的存在相互聚集，使得粒子尺寸變化增大摩擦外，還由于材料的老化與潤滑劑作用下降也進一步使得噪音系數(shù)值得增加。在試驗過程中，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品的本身特性與相關(guān)要求，對噪音參數(shù)設(shè)定一個上界限，實時監(jiān)測噪音的變化趨勢，為最終判定防護措施是否加強提供一定的依據(jù)。

圖4 絕緣電阻與噪音測試表征結(jié)果示意圖

3.1.2 基本結(jié)構(gòu)測試分析

沙塵除了對電子產(chǎn)品的電性能參數(shù)產(chǎn)生危害外，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)影響也是巨大的。圖5是驗證產(chǎn)品上重要的活動部件開關(guān)門鎖，在綜合應(yīng)力沙塵試驗后發(fā)現(xiàn)門鎖在開啟時發(fā)現(xiàn)卡頓，通過拉力測試?yán)χ涤善鹗嫉?8 N上升至35 N。隨著溫濕度測試的進行24 h后，門鎖出現(xiàn)完全卡死狀態(tài)。通過解剖分析發(fā)現(xiàn)，門鎖的活動接觸點旋轉(zhuǎn)軸表面已經(jīng)有沙塵入侵，表面潤滑劑也因沙塵與溫濕度的影響失去光澤，甚至因為較大阻力產(chǎn)生了明顯的毛刺，毛刺的存在和潤滑劑性能的降低是導(dǎo)致門鎖卡死的關(guān)鍵原因。產(chǎn)品在評價過程中出現(xiàn)卡澀等結(jié)構(gòu)性的異常，可以通過增加防護圈或增加潤滑劑的涂覆量進行改善[13]。

圖5 活動部件失效分析圖

沙塵與溫濕度共同作用下，會導(dǎo)致金屬腐蝕的引發(fā)和加速。圖6為驗證產(chǎn)品裸露的金屬端子，在初始階段裸露的金屬端子表面明亮光滑如圖6（a）。經(jīng)過綜合應(yīng)力沙塵試驗后，端子表面附著有大量的沙塵，緊密接觸處已有輕微的腐蝕痕跡。再經(jīng)過溫濕度測試24 h后，發(fā)現(xiàn)裸露的端子已腐蝕嚴(yán)重。為了說明其腐蝕程度，圖6（d）是將同批次良好的裸露金屬端子置于標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗測試24 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其腐蝕現(xiàn)象遠比不上沙塵溫濕度引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象。此異常現(xiàn)象進一步說明了綜合應(yīng)力沙塵試驗測試周期結(jié)束后，進行溫濕度測試的必要性。

圖6 裸露金屬端子外觀圖

3.2 風(fēng)險等級判定

綜合應(yīng)力沙塵試驗測試的最終目的是依據(jù)評價分析結(jié)果，實施相應(yīng)得改善措施從而進一步提升產(chǎn)品可靠性。為了節(jié)約改善成本與改善時間周期，可以對試驗結(jié)果進行風(fēng)險分級評估。風(fēng)險等級判定依據(jù)危害程度分為A類、B類、C類與D類四個不同等級，為了便于風(fēng)險等級的確定，可參照表2進行。

表2 風(fēng)險等級判定表

4 總結(jié)

本文通過提出一種電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗評價方法，詳細說明了試驗的嚴(yán)酷度等級與選擇方法，同時還提供了可供參考的試驗實施時的剖面設(shè)計，并就在實施時的相關(guān)注意事項進行了注明，以幫助實現(xiàn)電子產(chǎn)品綜合應(yīng)力沙塵試驗的正確開展。最后，結(jié)合應(yīng)用驗證案例分析，說明了綜合應(yīng)力沙塵試驗可能激發(fā)的故障，深入討論了其失效機理與表征方法，并對驗證結(jié)果進行了風(fēng)險等級分類，為電子產(chǎn)品綜合沙塵應(yīng)力條件下的可靠性評價提供了指導(dǎo)。