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鑒于目前電子產(chǎn)品應用環(huán)境更加多樣化與復雜化，傳統(tǒng)的單應力可靠性試驗測試，已經(jīng)無法篩選與激發(fā)產(chǎn)品早期故障，應更多的結合產(chǎn)品實際應用環(huán)境，探索綜合應力可靠性試驗方法，保障產(chǎn)品終端應用可靠性，因此緣由。我們進行了電子產(chǎn)品綜合應力沙塵試驗方法的研究，并進行成果發(fā)表，以供大家共同探討！

 

引言

 

眾所周知，電子產(chǎn)品的應用環(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)生的應力都會對電子產(chǎn)品產(chǎn)生不良的影響。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的影響侵入電子產(chǎn)品內(nèi)部，同時若電子產(chǎn)品應用環(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。相關研究表明，沙塵可能導致電子產(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，熱傳導性能降低，引發(fā)相關接觸電阻變化，甚至導致電氣性能與光學性能降低。

 

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)應用所受到的沙塵環(huán)境應力也是不同的。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體。然而跟其他環(huán)境結合如溫濕度，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，電化學失效等危害。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合的綜合應力條件下的電子產(chǎn)品可靠性水平至關重要。

 

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)品綜合應力沙塵試驗評價方法。該方法通過調(diào)研產(chǎn)品的實際應用環(huán)境狀態(tài)，并對相關數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計分析；依據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果進行綜合應力沙塵試驗嚴酷度選擇與試驗剖面設計；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險等級判定。

 

試驗嚴酷度選擇與試驗剖面設計

 

01 試驗嚴酷度選擇

 

綜合應力沙塵試驗的嚴酷度選擇是基于產(chǎn)品的實際應用環(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力等級的上下限。

 

通常而言，單一的沙塵試驗的嚴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酷度跟某些實際環(huán)境條件的量化關系，依據(jù)標準GB/T2423.37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酷程度，沙塵沉積量被定義為6g/(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酷程度的選擇。綜合應力沙塵試驗引入了溫度應力，但依據(jù)相關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，與溫度無直接相關性。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℃，結果顯示溫度的變化對沙塵的沉降量無任何影響，但溫度應力的存在對產(chǎn)品材料本身、結構件縫隙以及靜電吸引的沙塵入侵產(chǎn)生一定的影響。因此在綜合應力試驗中，對沙塵應力中的沙塵沉積量定義為6g/(m2•d)，其沙塵應力嚴酷程度也由試驗的持續(xù)時間來決定。

 

 

圖1 不同溫度應力條件下沙塵沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

 

結合可能引發(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，但相對應力較小，從沙塵入侵含量可能需要非常精密的設備才能定量測定。但溫度的變化與沙塵入侵程度以及后期應力變化必然存在相互關聯(lián)，具體關聯(lián)量化關系可能需更精密的技術進一步進行探究。因此綜合應力試驗的試驗嚴酷度等級，可以由沙塵單應力等級與溫度應力等級，組建成一個修正的等級模型矩陣，用來定性評價試驗應力，如下表1所示。

 

表1 綜合應力試驗嚴酷度等級表

 

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

 

02 試驗剖面的設計

 

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可能不利于沙塵的沉積。但是結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特性，密封發(fā)熱的產(chǎn)品應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，可參照圖2所設計的溫度循環(huán)與工作狀態(tài)試驗剖面進行。為避免溫度應力對產(chǎn)品產(chǎn)生過應力作用，其溫度變化速率應足夠的小，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來預計，溫度應力作用實際時間（MTBF）不應超過產(chǎn)品本身設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

 

試驗實施方法

 

進行綜合應力沙塵試驗測試時，具體的實施方法可以參照GB/T2423.37電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗中的沙塵試驗方法進行。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，59min的降塵表示塵的自然沉積過程，5min的管道清理表示氣壓上升與設備緩沖過程。

 

試驗論證開始前應結合產(chǎn)品實際的應用環(huán)境與結構特性，選擇合適的試驗用塵與粒子尺寸。推薦使用試驗標準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75μm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小時，以去除水分。在試驗進行過程中，應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6g/(m2•d) 。

 

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150mm的距離，同時需預留一定的交叉角度，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)生爆炸的風險，因此試驗人員應采取相應的防護措施避免健康與安全危害。

 

 

圖3 綜合應力沙塵試驗中沙塵供給與沉積試驗剖面

 

試驗表征與結果分析

 

01.溫濕度測試分析

 

綜合應力沙塵試驗測試周期結束后，應對產(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險與相關防護措施的優(yōu)劣性，無法直觀的表征沙塵可能引發(fā)的潛在故障的風險，沙塵的存在并聯(lián)合其他環(huán)境應力會加速潛在故障的顯現(xiàn)。因而，在綜合應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。

 

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)品的熱傳導性能的影響相對較小，在實際試驗驗證過程中應根據(jù)產(chǎn)品本身的特點以及應用環(huán)境，選擇是否需進行溫升等熱傳導性能參數(shù)的表征。在本文綜合應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。

 

圖4（a）所示的為試驗各階段樣品絕緣電阻的測試表征結果示意圖，結果顯示在綜合應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體，不會引起絕緣性能的改變。沙塵試驗后再經(jīng)過24h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)一定的安全風險。

 

圖4（b）所示的為試驗各階段樣品噪音的測試表征結果示意圖，結果表明隨著綜合沙塵應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，應依據(jù)產(chǎn)品的本身特性與相關要求，對噪音參數(shù)設定一個上界限，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)。

（a）絕緣電阻測試結果

（b）噪音測試結果

圖4 絕緣電阻與噪音測試表征結果示意圖

 

2.基本結構測試分析

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)品的結構影響也是巨大的。圖5是驗證產(chǎn)品上重要的活動部件開關門鎖，在綜合應力沙塵試驗后發(fā)現(xiàn)門鎖在開啟時發(fā)現(xiàn)卡頓，通過拉力測試拉力值由起始的18N上升至35N。隨著溫濕度測試的進行24h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致門鎖卡死的關鍵原因。產(chǎn)品在評價過程中出現(xiàn)卡澀等結構性的異常，可以通過增加防護圈或增加潤滑劑的涂覆量進行改善。

 

圖4反映了車內(nèi)儀表板與限溫箱內(nèi)儀表板各檢測周期的累計輻射量情況，每3個月為一個檢查周期統(tǒng)計一次數(shù)據(jù)。限溫箱箱內(nèi)太陽輻射量整體均比車內(nèi)輻射量高，尤其是下半年，試驗光照充足，每個周期累計的輻射量都要比車內(nèi)輻射量高出800 MJ/m2以上。全年下來，箱內(nèi)太陽輻射總量為6741.6 MJ/m2，車內(nèi)儀表板處太陽輻射總量為3619.4MJ/m2，二者之間的比值為1.86。

（a）門鎖活動接觸點磨損外觀圖；（b）接觸點潤滑劑失效圖

圖5 活動部件失效分析圖

沙塵與溫濕度共同作用下，會導致金屬腐蝕的引發(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24h后，發(fā)現(xiàn)裸露的端子已腐蝕嚴重。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準鹽霧試驗測試24h，結果發(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力沙塵試驗測試周期結束后，進行溫濕度測試的必要性。

（a）試驗前初始端子外觀圖；（b）綜合應力沙塵試驗后端子外觀圖；

（c）溫濕度測試24h后端子外觀圖；（d）標準鹽霧試驗24h后端子外觀圖

圖6 裸露金屬端子外觀圖

 

03. 風險等級判定

 

綜合應力沙塵試驗測試的最終目的是依據(jù)評價分析結果，實施相應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，可以對試驗結果進行風險分級評估。風險等級判定依據(jù)危害程度分為A類、B類、C類與D類四個不同等級，為了便于風險等級的確定，可參照下表2進行。

表2 風險等級判定表

 

總結

 

本文通過提出一種電子產(chǎn)品綜合應力沙塵試驗評價方法，詳細說明了試驗的嚴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計，并就在實施時的相關注意事項進行了注明，以幫助實現(xiàn)電子產(chǎn)品綜合應力沙塵試驗的正確開展。最后，結合應用驗證案例分析，說明了綜合應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，并對驗證結果進行了風險等級分類，為電子產(chǎn)品綜合沙塵應力條件下的可靠性評價提供了指導。