何成峰，宋佳瑩，黃華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

在古代，城墻是城市的主要防御線，一旦城墻被攻破或者出現(xiàn)缺口，整座城市就處于危險(xiǎn)之中。電子設(shè)備就如同一個(gè)城池，它需要具有防御功能的“城墻”的保護(hù)，防護(hù)會(huì)由于高低溫、受潮、鹽霧、霉菌、雨水等外部原因而對(duì)構(gòu)成材質(zhì)本身形成影響，甚至受到侵蝕，而如果防護(hù)功能失靈，也可能由于這些影響產(chǎn)生腐蝕而導(dǎo)致構(gòu)成材質(zhì)的裂紋、介電常數(shù)發(fā)生變化、接觸條件不良、絕緣強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成電子設(shè)備出現(xiàn)故障率，可靠性降低。

電子設(shè)備武器由于保護(hù)不善帶來的經(jīng)濟(jì)損失是非常龐大的，美國(guó)已經(jīng)對(duì)電子產(chǎn)品的故障做出統(tǒng)計(jì)分析，顯示百分之六十以上的故障和各種環(huán)境因素相關(guān)；據(jù)美國(guó)政府有關(guān)機(jī)構(gòu)研究表明，受到環(huán)境因素腐蝕，美國(guó)政府每年的經(jīng)濟(jì)損失比海嘯、洪水、地震等這些天災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失總和還要多。由此可見，提高電子裝備及其他產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性極具經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性，現(xiàn)如今已被世界各國(guó)高度重視。

GJB 4239規(guī)定：應(yīng)在裝備論證、研制、生產(chǎn)和使用過程中開展環(huán)境工程工作，確定合理的環(huán)境適應(yīng)性要求，并以合理的費(fèi)用確保裝備滿足規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求[1]。本文主要論述環(huán)境因素對(duì)電子裝備的直接影響，產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象及電子裝備的防護(hù)設(shè)計(jì)。

1 環(huán)境適應(yīng)性概述

1.1 定義

環(huán)境適應(yīng)性是裝備在其壽命周期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一[1]。

1.2 典型的環(huán)境類型

1）陸地氣候環(huán)境

陸地大氣條件一般比較溫和，以極高熱、極低壓、潮濕和風(fēng)沙為特點(diǎn)。

2）海洋氣候環(huán)境

海洋環(huán)境的突出特征是高溫、高濕和高度耐鹽霧性，對(duì)中國(guó)東南部沿海地區(qū)而言，強(qiáng)日光輻射、大雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等也是極為嚴(yán)酷的天氣要求。

3）空中氣候條件

以氣溫的迅速變化、大氣介質(zhì)快速對(duì)流和地面振動(dòng)影響為主要特點(diǎn)。

1.3 環(huán)境因素及其影響

1） 溫度

溫度會(huì)直接影響金屬材料腐蝕反應(yīng)的速率，一般來說高溫每增加10攝氏度，金屬材料腐蝕與老化的速率就會(huì)增加一倍;故障模式詳見表1。

表1 溫度故障模式表

2 ）水和濕度

在金屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)侵蝕的過程中，水分屬于最主要的介質(zhì)。因此防潮、防濕是防護(hù)中最關(guān)鍵的步驟；圖1為金屬表面水膜厚度和侵蝕速率之間的關(guān)系：圖區(qū)域Ⅰ是在干燥大氣中的水腐蝕，金屬材質(zhì)侵蝕速率還非常低；區(qū)域Ⅱ是在潮濕大氣環(huán)境中的侵蝕，所以材料侵蝕速率和水膜厚度大小成正比；區(qū)域Ⅲ相當(dāng)于在雨雪氣候的侵蝕，由于水涂層厚度增大，空氣在水液膜中的傳播速率得到了有效抑制，所以材料侵蝕速率反而隨著水膜厚度的增大而降低；區(qū)域Ⅳ等于將金屬材料完全浸泡于地下水中的侵蝕。所以通常對(duì)金屬材料的侵蝕都是在區(qū)域Ⅱ或者區(qū)域Ⅲ內(nèi)完成的。

圖1 金屬表面水膜厚度與大氣腐蝕速度的關(guān)系

就電子裝備而言，濕氣通常會(huì)通過以下方式生成：降雨、凝結(jié)的水蒸氣。水可以溶解一定量的腐蝕性離子，進(jìn)而對(duì)金屬表層造成侵蝕。

3）鹽霧

耐鹽霧性主要是由于波浪、大氣環(huán)流(季風(fēng))壓力、海潮和日照等自然原因所造成，會(huì)隨風(fēng)飄落在內(nèi)陸，耐鹽霧性含量和離岸邊的距離成反比，在一般情況下距岸邊1 000 m 處的含量是在岸邊時(shí)的百分之一（除大風(fēng)期外）。

鹽霧的危害:損傷金屬材料結(jié)構(gòu)件鍍層;增加的電化學(xué)腐蝕速率也造成了金屬導(dǎo)線損壞、進(jìn)一步造成元器件失效等。

4）霉菌

但凡空氣可以進(jìn)入的設(shè)備，其零件上就有機(jī)會(huì)遭到霉菌的危害;在適當(dāng)?shù)臍鉁睾统睗袂闆r下，霉菌也能夠吸取營(yíng)養(yǎng)和水份發(fā)芽生長(zhǎng)，且繁殖快度驚人。

霉菌的危害性:霉菌的發(fā)育和增殖可以吞噬有機(jī)材料，進(jìn)而導(dǎo)致塑料的絕緣性能降低、破壞或者喪失;黑霉的部分代謝產(chǎn)物為有機(jī)酸含量，這種化學(xué)物質(zhì)會(huì)干擾塑料的熱絕緣性能和抗電能力，而且還能形成拱圈，并且還能影響外觀表面。

5）太陽輻射

太陽輻射強(qiáng)度會(huì)因?yàn)榫暥认陆刀黾?，草原區(qū)域由于日照時(shí)數(shù)多，其紫外線強(qiáng)度較高;太陽所輻射的紫外光是造成高分子物質(zhì)老化最重要的外因，因此任何在戶外使用的高分子物質(zhì)都會(huì)遭到紫外光的損害。太陽光的光波能，因輻照波段不同而異，但通常紫外線的光能就可以打斷一些大分子物質(zhì)的小分子連接或?qū)е缕涔饣瘜W(xué)反應(yīng)，從而造成大分子物質(zhì)衰老。

6）粉塵

由于粉塵會(huì)沉淀到金屬結(jié)構(gòu)件及PCB表面，進(jìn)而形成電化學(xué)腐蝕，從而提高了電氣裝置的故障率。

2 環(huán)境因素對(duì)電子裝備的影響

2.1 環(huán)境因素促使金屬腐蝕

按照侵蝕的條件和特性的不同，金屬腐蝕又可以分成:電位差侵蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、小孔侵蝕、內(nèi)部應(yīng)力侵蝕、氧的濃差侵蝕、空泡侵蝕、金屬疲勞腐蝕等;就電子裝備而言，最常見的有電位差腐蝕、間隙腐蝕和小孔侵蝕。

1）縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是由于金屬表面和其他表面（金屬的或非金屬）之間形成的狹縫或間隙，在狹縫內(nèi)或其近旁產(chǎn)生的局部腐蝕[2]?？p隙侵蝕十分強(qiáng)烈，一經(jīng)形成就很難根除。實(shí)際中，大多數(shù)金屬塑件都是用用螺栓、焊接、鉚等方式連接起來，但金屬與非金屬間或金屬與金屬材料都存在空隙，鉚釘和螺母間也存在空隙，金屬表面和起泡的涂層間也有空隙，如果上述空隙長(zhǎng)度足夠使水、灰塵等介質(zhì)進(jìn)入或停留其中，就會(huì)使上述空隙內(nèi)的侵蝕增強(qiáng)。

2） 電位差腐蝕

各種類型的金屬材料電極電位也不盡相同，任何變化的二個(gè)金屬材質(zhì)表層交叉觸及就可能會(huì)產(chǎn)生電位差，在電化學(xué)傳感器正常工作的情況下，會(huì)供電正的一方可以得到防護(hù)，而供電負(fù)值的一方則會(huì)加速侵蝕，尤其是在各種金屬材質(zhì)較靠近的地方，而各種類型的金屬材料表面觸及后的電位差也各有不同。

3）小孔腐蝕

若在金屬表面的主要表面上并不會(huì)出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象(或只是有非常輕微的腐蝕)，或僅在一定的區(qū)域產(chǎn)生了一些侵蝕小孔，且有向深部逐漸擴(kuò)展的傾向，則這些行為都被稱為微孔侵蝕，又稱點(diǎn)蝕或小孔腐蝕，簡(jiǎn)要概括為局部腐蝕導(dǎo)致的點(diǎn)狀蝕坑[2]。

2.2 環(huán)境因素促使非金屬材料老化

非金屬雖不像金屬那么易生銹，但由于高分子化合物材質(zhì)易遭受日光、臭氧、氧、水分、熱量、細(xì)菌和工業(yè)危害廢氣等的危害，因此容易發(fā)生衰老現(xiàn)象，導(dǎo)致材質(zhì)的表層衰老、機(jī)械強(qiáng)度下降、形成龜裂等，同時(shí)表層疏水性、介電常數(shù)、絕緣阻力、擊穿電流、介電損耗等發(fā)生變化。

2.3 環(huán)境因素影響電性能

結(jié)構(gòu)材料會(huì)因高濕、霉變等因素改變零點(diǎn)五導(dǎo)體周圍介電常數(shù);還會(huì)因表面低壓力和結(jié)露，而造成接點(diǎn)之間打火、鄰近導(dǎo)線之間的短接或擊穿等;也會(huì)因下雨時(shí)在表面產(chǎn)生一層水膜，從而造成在信息傳遞過程中的噪音溫度和熱吸收比升高。

3 腐蝕典型案例及分析

3.1 縫隙腐蝕

某裝備在沿海地區(qū)使用2年后，由于油漆破損形成如下圖所示的腐蝕；經(jīng)后續(xù)排查確定為結(jié)構(gòu)件起皮后發(fā)生縫隙腐蝕，同時(shí)舉一反三排查時(shí)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)連接處也開始出現(xiàn)縫隙腐蝕（如圖3所示），主要原因是在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮表面處理的完成性和縫隙處的填膠密封。

圖2 海洋環(huán)境下的腐蝕

圖3 連接處縫隙腐蝕

3.2 金屬底層腐蝕

某電子裝配平臺(tái)使用3年后，該區(qū)域長(zhǎng)期處于積水狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致漆膜鼓泡，金屬基材腐蝕（如圖4所示）。主要是由于戶外結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)不合理，在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮排水結(jié)構(gòu)而造成腐蝕。

圖4 金屬底層腐蝕

3.3 非金屬材料老化

某產(chǎn)品天線罩邊緣使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)老化、龜裂現(xiàn)象（如圖5所示）。主要是由于選用的非金屬材料不耐太陽光紫外輻射所致，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇耐候樹脂，外表也未涂敷高耐候圖層。

圖5 非金屬材料老化開裂

4 針對(duì)環(huán)境腐蝕的防護(hù)措施

4.1 “三防”和“三防”設(shè)計(jì)

在軍事電子行業(yè)，人類一般都把電氣設(shè)備的“耐濕、防霉蟲、抗鹽霧”稱作三防，由于電子行業(yè)技術(shù)裝備應(yīng)用和時(shí)代的發(fā)展，“三防”的內(nèi)涵發(fā)生了巨大的變化，現(xiàn)在的“三防”是以進(jìn)一步提高電子行業(yè)技術(shù)裝備的安全可靠為主要目的，內(nèi)容包括防潮、保護(hù)、防積雪裹冰、抗鹽霧、防霉蟲、防靜電、防衰老、防風(fēng)沙等等，確切的說應(yīng)該稱作“環(huán)境保護(hù)科技”，但在行業(yè)內(nèi)部“三防”已經(jīng)是約定熟成的專有名詞，沿用至今。

一般所說的“三防”技術(shù)也就是保護(hù)設(shè)計(jì)，是針對(duì)電氣設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用中的條件和防護(hù)的特點(diǎn)，對(duì)一些特殊裝置、設(shè)備和器件所采用的防潮、蓄水、抗雪裹凍、抗鹽霧、抗霉菌的保護(hù)方法、防護(hù)技術(shù)方法的工程設(shè)計(jì)技術(shù)。

4.2 防護(hù)設(shè)計(jì)要求

在電子裝備的防護(hù)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)和工藝是防護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)根據(jù)其設(shè)備組成和使用環(huán)境特點(diǎn)，可分別從材料選擇、零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、微環(huán)境控制設(shè)計(jì)等方面去選擇對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。

1）合理選擇材料

材料選擇在考慮結(jié)構(gòu)件適用性的同時(shí)，也要充分考慮環(huán)境防護(hù)的難度、工藝、成本和材料；對(duì)施工費(fèi)用較大的結(jié)構(gòu)件以及特別重要的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用更抗環(huán)境侵蝕的材料;在不便于或無法維護(hù)的結(jié)構(gòu)件中，不要混用壽命時(shí)間長(zhǎng)短不一的材質(zhì);在使用運(yùn)動(dòng)磨損部位時(shí)應(yīng)盡可能采用部分的防腐蝕材質(zhì)或整體防腐蝕材質(zhì)，如螺母小彈簧機(jī)構(gòu)、螺栓、鉸合件可全部采用防腐蝕材質(zhì)。

2 ）材料相容性設(shè)計(jì)

不同的金屬材料交叉接觸會(huì)產(chǎn)生不同的電位差，尤其是在接觸方面，在電化學(xué)傳感器影響下，會(huì)導(dǎo)致電位負(fù)的一方被侵蝕，而電位正的一方得到防護(hù)。

3 ）零部件優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)造成先天性的問題，并且在后期很難補(bǔ)救，因此防腐蝕方案的選擇應(yīng)該融入到建筑的幾何造型方案之中;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取措施消除潮濕積水部位、消除縫隙腐蝕、預(yù)防電偶腐蝕、避免產(chǎn)生易腐蝕的傾向[3]；具體可參考圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

4） 微環(huán)境控制設(shè)計(jì)

電子設(shè)備的使用條件是復(fù)雜多變而不可控的，針對(duì)某些關(guān)鍵部件或保護(hù)較大的零件可以調(diào)節(jié)其使用的微狀態(tài)，使之與外界不良條件有效隔絕;微環(huán)境的管理技術(shù)，主要包括密封、去濕干燥、遮蔽等。

4.3 防護(hù)工藝設(shè)計(jì)

防護(hù)工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對(duì)長(zhǎng)期暴露于不良環(huán)境中的容易銹蝕或老化的機(jī)械裝置與元器件選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)工藝手段，以確保其在長(zhǎng)壽命使用的階段內(nèi)使用情況正常;以便達(dá)到所提供的防護(hù)設(shè)計(jì)條件。而針對(duì)于沿海等嚴(yán)酷自然環(huán)境，在工程設(shè)計(jì)中要求將多種工藝手段相結(jié)合以滿足預(yù)期的防護(hù)壽命，其表面處理也是對(duì)裝備防護(hù)所采取的最主要工藝手段。

工藝防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)首先考慮易腐蝕部位[3]，然后采取合適的防護(hù)工藝，對(duì)如下薄弱環(huán)節(jié)重點(diǎn)采取防護(hù)措施:

1） 金屬制件連接處（如鉚接、螺釘連接處）；

2）液壓系統(tǒng)等活動(dòng)摩擦部位；

3）不致密的焊縫，一些尖角、邊緣、焊縫；

4）天線平臺(tái)等大面積圖層的邊緣處、一些圖層附著不牢處；

5）部分裸漏電鍍層（鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻等）；

6）戶外接插件等。

5 結(jié)束語

電子裝備在使用過程中，不可避免會(huì)接觸到大氣環(huán)境，從而產(chǎn)生一定程度的腐蝕，因此必須將防護(hù)性能列入產(chǎn)品的重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品防護(hù)的重點(diǎn)，只有電子裝備采取了完整的結(jié)構(gòu)焊縫設(shè)計(jì)、避免縫隙設(shè)計(jì)，電訊組件采取密封設(shè)計(jì)，才能將濕熱鹽霧對(duì)金屬的腐蝕影響減到最小。重點(diǎn)關(guān)注防護(hù)薄弱環(huán)節(jié)的防護(hù)工藝，并不斷研究應(yīng)用新材料、新工藝，進(jìn)一步提高整機(jī)防護(hù)工藝水平。完善電子裝備的防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提高電子裝備的整體防護(hù)水平。

防護(hù)問題是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工程，以單純的加強(qiáng)工藝很難消除不良設(shè)計(jì)的危害，因此唯有從設(shè)計(jì)問題入手采取措施，方可為防護(hù)難題尋找良好的破解方式。