劉俊邦，陳荻云，王才菀，張少鋒,2*

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣州 511370）

引言

隨著電子元器件微小化與電路集成化的發(fā)展，高集成度的電子設(shè)備在各型裝備上均有廣泛應(yīng)用[1,2]，具有運(yùn)算速度快、運(yùn)算量大以及能夠同時(shí)控制多個(gè)參數(shù)變化等等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)國(guó)家發(fā)展與國(guó)防需求，電子設(shè)備在極端環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性提出更高要求。

現(xiàn)有研究多集中于對(duì)電子設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)[3,4]，針對(duì)海洋環(huán)境適應(yīng)性的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)包括鹽霧、濕熱、高溫、太陽輻射等環(huán)境因素考察[5-7]。實(shí)驗(yàn)室的加速環(huán)境試驗(yàn)需要考慮避免加速應(yīng)力水平過高導(dǎo)致裝備失效機(jī)理與實(shí)際服役狀態(tài)不一的問題。在鹽霧試驗(yàn)中，國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60355：1971 指出溫度的提高對(duì)腐蝕速度有明顯增強(qiáng)，因而GJB 150.11A-2009 和GJB 4.11-83 中要求的溫度應(yīng)力是一樣，都為35 ℃。在濕熱試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境針對(duì)電子設(shè)備與整機(jī)產(chǎn)品多采用GJB 150.9A-2009 和GB 2423.4-2008 作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)條件可根據(jù)裝備服役環(huán)境和試驗(yàn)需求進(jìn)行剪裁。相比之下，電子設(shè)備整機(jī)產(chǎn)品在自然環(huán)境試驗(yàn)方面的研究開展偏少，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的單一環(huán)境因素?zé)o法真實(shí)還原服役環(huán)境下的綜合環(huán)境效應(yīng)，現(xiàn)有研究對(duì)綜合環(huán)境效應(yīng)認(rèn)知不充分；對(duì)整機(jī)產(chǎn)品的服役工況模擬研究較為缺乏，試驗(yàn)對(duì)象以材料級(jí)和部組件級(jí)產(chǎn)品為主。因此，在本研究中以熱帶海洋氣候的西沙試驗(yàn)站為基礎(chǔ)，以電子控制器整機(jī)產(chǎn)品為研究對(duì)象，開展熱帶海洋自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，模擬裝備實(shí)際服役工況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分析電子控制器內(nèi)外部環(huán)境差別，采用機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)對(duì)電子控制器進(jìn)行檢測(cè)，研究極端自然環(huán)境因素對(duì)電子控制器的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣件

選取模擬電子控制器樣機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，內(nèi)部的印制電路板與電路板上焊接的電子元器件涂覆三防漆，外部有蓋板屏蔽條與帶涂層的外殼保護(hù)，避免外部腐蝕介質(zhì)侵入，樣品如圖1 所示。

圖1 電子控制器

1.2 試驗(yàn)方法

西沙永興島在我國(guó)南海深處，北緯16 °，全年高溫高濕，風(fēng)大浪高，島小且屏障少，空氣中鹽霧含量常年處于較高水平，屬于典型熱帶海洋氣候。西沙年平均溫度28 ℃，溫度最大值為34 ℃，年平均相對(duì)濕度82 %，鹽霧沉降率3.025 mg/（100 cm2.d）。因而選取西沙永興島作為電子控制器的自然環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)地，考慮到電子控制器的使用環(huán)境一般在機(jī)箱內(nèi)部，極少直接暴露在戶外太陽輻射和降雨環(huán)境，因而為模擬電子控制器在熱帶海洋環(huán)境的服役工況與還原實(shí)際服役環(huán)境特點(diǎn)，選取西沙永興島棚下試驗(yàn)場(chǎng)作為外場(chǎng)暴露環(huán)境，如圖2 所示。

圖2 西沙永興島棚下試驗(yàn)場(chǎng)

在開展自然環(huán)境暴露試驗(yàn)過程中，每天對(duì)控制器通電兩小時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，以模擬實(shí)際服役工況，利用機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)測(cè)試電路系統(tǒng)和工作電路功能性能是否正常。在檢測(cè)中，主要針對(duì)電子控制器內(nèi)部溫濕度的監(jiān)測(cè)以及上電運(yùn)行中各個(gè)工作參數(shù)，包括環(huán)模擬溫度信號(hào)、模擬壓力信號(hào)、電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)、電液伺服閥位置驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀形貌變化

宏觀外觀上看，試驗(yàn)件外殼的表面未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，底面四角出現(xiàn)涂層起泡、脫落現(xiàn)象，如圖3 所示。將電子控制器的機(jī)箱蓋板打開，機(jī)箱蓋板的屏蔽條出現(xiàn)數(shù)處斷裂，對(duì)內(nèi)部印制電路板與元器件進(jìn)行觀察，與試驗(yàn)前進(jìn)行對(duì)比，內(nèi)部的元器件未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，試驗(yàn)過程中外殼和機(jī)箱蓋板屏蔽條起到了良好的密封作用。

圖3 電子控制器試驗(yàn)后外部外觀形貌

圖4 電子控制器試驗(yàn)前后內(nèi)部外觀形貌

2.2 電子控制器內(nèi)部環(huán)境

通過在電子控制器內(nèi)部安裝溫濕度傳感器，收集電子控制器在通電工作下的內(nèi)部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，與外部自然環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于在熱帶海洋環(huán)境下，無明顯四季變化，常年高溫高濕，高鹽霧。通過收集西沙永興島十年的溫濕度數(shù)據(jù)，得到西沙永興島的年平均溫度27.6 ℃，年平均相對(duì)濕度78.8 %，其年平均溫濕度，月平均溫濕度變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 西沙永興島年、月平均溫濕度變化曲線

因而取電子控制器7 月與11 月在西沙永興島的試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，分別代表熱帶海洋環(huán)境中夏季與冬季的工作狀態(tài)，并與外部環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，如圖6 和圖7 所示。從圖中可看出，電子控制器在初始狀態(tài)下，其內(nèi)部環(huán)境溫度與外部相近，內(nèi)部環(huán)境相對(duì)濕度低于外部10 %左右；在通電工作后，由于電子元器件工作發(fā)熱，且外殼的封閉作用，導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境溫度快速上升，相對(duì)濕度明顯下降，在通電工作30 min 后，內(nèi)部環(huán)境溫濕度趨向平衡狀態(tài)；在夏季月份，溫度穩(wěn)定在約56 ℃，冬季月份，溫度穩(wěn)定在約53 ℃；內(nèi)部環(huán)境相對(duì)濕度穩(wěn)定在約48 %。與棚下環(huán)境溫濕度相比，電子控制器工作狀態(tài)下內(nèi)部溫度高出近25 ℃，相對(duì)濕度低30 %以上。

圖6 電子控制器內(nèi)部與外部溫濕度對(duì)比

圖7 電子控制器通電工作后內(nèi)部溫濕度變化曲線

2.3 機(jī)內(nèi)測(cè)試

通過機(jī)內(nèi)測(cè)試，對(duì)電子控制器的電路系統(tǒng)進(jìn)行在線的故障自檢測(cè)，應(yīng)用上位機(jī)軟件模擬控制器實(shí)際工作時(shí)的電路狀態(tài)。在熱帶海洋自然環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)后，電子控制器在上位機(jī)軟件內(nèi)各個(gè)參數(shù)運(yùn)行正常，各參數(shù)含義與測(cè)量值如表1 所示，能夠穩(wěn)定上電以及記錄數(shù)據(jù)，測(cè)量參數(shù)在電子控制器工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定，如圖8 所示。

表1 電子控制器測(cè)量參數(shù)

圖8 電子控制器自然環(huán)境暴露試驗(yàn)前后工作參數(shù)

3 分析與討論

電子控制器在熱帶海洋環(huán)境暴露試驗(yàn)2 年后，電子控制器的外殼涂層受到高溫高濕與鹽霧的影響，出現(xiàn)脫落、起泡等老化現(xiàn)象。這是由于在西沙棚下試驗(yàn)場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間在高溫高濕與高鹽霧含量的環(huán)境下貯存，水與腐蝕介質(zhì)向有機(jī)涂層中擴(kuò)散以及涂層發(fā)生熱老化，水、腐蝕介質(zhì)、氧氣的三方作用下，涂層發(fā)生粉化、開裂等現(xiàn)象；進(jìn)一步導(dǎo)致外殼金屬與涂層界面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層起泡、脫落[8]。機(jī)箱蓋板屏蔽條在濕熱環(huán)境以及蓋板的壓力載荷下，其彈性性能退化，使其出現(xiàn)斷裂。其斷裂原因可能是在濕熱環(huán)境下，水向橡膠內(nèi)部擴(kuò)散，使橡膠分子鏈間的空隙增大，暴露出分子鏈上的薄弱區(qū)域，易受環(huán)境因素影響而被破壞。

相比之下，電子控制器內(nèi)部印制電路板與元器件未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，功能性能運(yùn)行正常。電子控制器內(nèi)部環(huán)境條件優(yōu)于外部環(huán)境，在未上電工作時(shí)，控制器內(nèi)部的溫度與外部試驗(yàn)場(chǎng)相近，相對(duì)濕度明顯低于外部試驗(yàn)場(chǎng)，說明外部環(huán)境空氣中的水氣難以進(jìn)入到控制器內(nèi)部，空氣中的鹽霧也被控制器外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條所阻擋。并且在上電工作狀態(tài)下，元器件工作的發(fā)熱量導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境迅速升溫，降低了內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)濕度。試驗(yàn)結(jié)果說明電子控制器的密封性良好，控制器的外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條形成內(nèi)部封閉空間，能夠有效阻擋熱帶海洋環(huán)境對(duì)電子控制器內(nèi)部電路板與元器件的腐蝕。因此電子控制器在熱帶海洋環(huán)境下具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)電子控制器開展熱帶海洋氣候自然環(huán)境試驗(yàn)，收集了電子控制器的環(huán)境效應(yīng)，主要包括控制器的內(nèi)外部宏觀形貌，內(nèi)外部環(huán)境數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)下的參數(shù)，形成結(jié)論如下：

1）電子控制器在熱帶海洋環(huán)境因素影響下，其外殼的涂層出現(xiàn)明顯老化，出現(xiàn)起泡與脫落等現(xiàn)象,機(jī)箱蓋板屏蔽條出現(xiàn)脆化斷裂。

2）電子控制器在試驗(yàn)2 年后，其功能性能正常，外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條使得控制器內(nèi)部形成良好的封閉環(huán)境，避免環(huán)境因素的影響。