高低溫環(huán)境屬于電子產(chǎn)品經(jīng)常遇到的環(huán)境，其試驗(yàn)與適應(yīng)性評估是艦載電子產(chǎn)品研制環(huán)境工程的重要工作內(nèi)容。本文結(jié)合電子產(chǎn)品高低溫環(huán)境試驗(yàn)與評估的基本流程，系統(tǒng)梳理了高低溫環(huán)境試驗(yàn)與適應(yīng)性評估問題，對溫度穩(wěn)定時(shí)間、溫度保持時(shí)間以及溫變速率、檢測項(xiàng)目確定等提出建議，給出可操作性強(qiáng)的高低溫適應(yīng)性評估核查樣表，為高低溫環(huán)境適應(yīng)性的準(zhǔn)確驗(yàn)證提供借鑒。
作者：魯雪峰1,夏小杰2
單位：1.華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心；2.蘇州蘇試廣博環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn)室有限公司武漢分公司
簡介：魯雪峰，工程師，主要從事通用質(zhì)量特性試驗(yàn)技術(shù)研究以及指標(biāo)論證方面的研究工作。
引言
高低溫環(huán)境適應(yīng)性是指裝備在壽命周期內(nèi)可能遇到的極端高低溫環(huán)境作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和不被破壞的能力。耐高低溫環(huán)境能力的實(shí)現(xiàn)依賴于分析產(chǎn)品在高低溫環(huán)境下可能的環(huán)境效應(yīng)，采取對應(yīng)設(shè)計(jì)措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)措施。
高低溫試驗(yàn)與適應(yīng)性評估是艦載電子產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中常見工作項(xiàng)目，通常包括高溫貯存、高溫工作、低溫貯存和低溫工作四個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，以及高溫適應(yīng)性評估和低溫適應(yīng)性評估兩個(gè)評估項(xiàng)目。本文聚焦于艦載電子產(chǎn)品高低溫環(huán)境試驗(yàn)以及適應(yīng)性評估問題，提出了解決措施，可為艦載電子產(chǎn)品的高低溫試驗(yàn)與適應(yīng)性評估提供參考。
高低溫環(huán)境試驗(yàn)與適應(yīng)性評估方法
艦載電子產(chǎn)品高低溫環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證中，其試驗(yàn)與適應(yīng)性評估主要工作流程如圖1所示。
圖1 高低溫環(huán)境試驗(yàn)與適應(yīng)性評估主要工作流程
（1）確定環(huán)境條件要求
高低溫環(huán)境條件要求是產(chǎn)品開展高低溫環(huán)境試驗(yàn)及適應(yīng)性評估的重要輸入。艦載電子產(chǎn)品高低溫條件要求主要來自于產(chǎn)品的研制要求、技術(shù)規(guī)格書、產(chǎn)品規(guī)范或研制合同等外部輸入文件，包括高溫/低溫貯存溫度、高溫/低溫工作溫度以及試驗(yàn)所應(yīng)參考的標(biāo)準(zhǔn)。
（2）選定試驗(yàn)程序
艦載電子產(chǎn)品常用的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括GJB4和GJB150A，包括的試驗(yàn)程序有恒定高溫貯存試驗(yàn)、恒定高溫工作試驗(yàn)、恒定低溫貯存試驗(yàn)和恒定低溫工作試驗(yàn)。試驗(yàn)程序的確定通常與試驗(yàn)所參考的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，比如GJB4中沒有高溫貯存試驗(yàn)程序，GJB150.4A中允許低溫貯存試驗(yàn)和低溫工作試驗(yàn)結(jié)合開展。
（3）確定試驗(yàn)參數(shù)
艦載電子產(chǎn)品在試驗(yàn)室內(nèi)開展的高低溫試驗(yàn)主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)參數(shù)的確定需根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，包括重量、溫變速率耐受能力、濕度控制要求以及環(huán)控要求等。
表1 艦載電子產(chǎn)品典型環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目及主要參數(shù)
（4）高低溫試驗(yàn)實(shí)施
高低溫試驗(yàn)實(shí)施過程是艦載電子產(chǎn)品溫度適應(yīng)性驗(yàn)證的重要工作，包括試驗(yàn)前準(zhǔn)備、初始檢測、試驗(yàn)、恢復(fù)以及試驗(yàn)后檢測五個(gè)階段，由試驗(yàn)人員按照試驗(yàn)程序及試驗(yàn)參數(shù)要求操作試驗(yàn)箱，產(chǎn)品項(xiàng)目組人員按照檢測項(xiàng)目要求開展功能性能檢測，并對檢測結(jié)果給出評價(jià)性結(jié)論。
（5）高低溫適應(yīng)性評估
目前，高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估方法主要以產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，開展符合性檢查。通過核查環(huán)境試驗(yàn)大綱以及第三方試驗(yàn)的原始記錄，給出產(chǎn)品高溫環(huán)境適應(yīng)性評估的結(jié)論。
高低溫環(huán)境試驗(yàn)問題及對策
結(jié)合電子產(chǎn)品高低溫環(huán)境試驗(yàn)工作流程及工程實(shí)踐，高低溫環(huán)境試驗(yàn)中常見的問題主要包括高低溫環(huán)境條件分析不細(xì)致、溫度穩(wěn)定時(shí)間確定方法不對、溫度保持時(shí)間確定隨意、試驗(yàn)程序選擇不當(dāng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄不完整等。具體表現(xiàn)如下：
（1）高低溫環(huán)境條件分析
艦載電子產(chǎn)品高低溫條件通常只給出貯存溫度和工作溫度范圍，未能準(zhǔn)確描述預(yù)期壽命剖面中產(chǎn)品溫度暴露特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在缺乏對裝備部署地域極端溫度條件及其變化特點(diǎn)、典型任務(wù)時(shí)長的補(bǔ)充描述，未對產(chǎn)品環(huán)境條件進(jìn)行細(xì)致的分解。前者導(dǎo)致裝備開展高低溫試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)參數(shù)選擇沒有明確依據(jù)，后者則導(dǎo)致對局部區(qū)域密閉或散熱不暢所導(dǎo)致的溫升考慮不足，比如艙內(nèi)電子機(jī)柜高溫條件要求50℃，在分解給電路板時(shí)，應(yīng)考慮散熱不暢導(dǎo)致的極端溫度環(huán)境。
（2）試驗(yàn)程序選擇
試驗(yàn)程序的選擇與產(chǎn)品經(jīng)歷溫度環(huán)境的特點(diǎn)相關(guān)，比如高溫產(chǎn)生源頭包括太陽輻射誘發(fā)溫度、平臺(tái)發(fā)熱設(shè)備以及設(shè)備本身引起的高溫；低溫環(huán)境產(chǎn)生源頭主要是部署地域季節(jié)變化和緯度高度增加。艙外安裝的設(shè)備，其高溫環(huán)境主要來自于太陽輻射引起的溫升，原則上應(yīng)開展高溫循環(huán)貯存/循環(huán)工作試驗(yàn)，實(shí)際采用恒定溫度試驗(yàn)；其低溫環(huán)境主要是缺乏考慮低溫環(huán)境下的連續(xù)貯存和工作情況。艙內(nèi)安裝產(chǎn)品經(jīng)歷的高溫和低溫環(huán)境主要為恒定溫度環(huán)境。這種對產(chǎn)品安裝位置溫度環(huán)境特點(diǎn)分析的缺乏，導(dǎo)致試驗(yàn)程序選擇不當(dāng)，進(jìn)而影響產(chǎn)品的高低溫環(huán)境適應(yīng)能力的完整驗(yàn)證。因此，產(chǎn)品環(huán)境工程中應(yīng)重點(diǎn)開展使用環(huán)境特點(diǎn)分析工作，以準(zhǔn)確選擇試驗(yàn)程序。
（3）溫度穩(wěn)定時(shí)間
按試驗(yàn)條件劃分，溫度穩(wěn)定時(shí)間可分為高溫貯存條件下溫度穩(wěn)定時(shí)間T1、高溫工作條件溫度穩(wěn)定時(shí)間T2、高溫工作條件下通電后溫度穩(wěn)定時(shí)間T3、低溫貯存條件下溫度穩(wěn)定時(shí)間T4、低溫工作條件下溫度穩(wěn)定時(shí)間T5以及低溫工作條件下通電后溫度穩(wěn)定時(shí)間T6。
溫度穩(wěn)定時(shí)間確定方法包括實(shí)測法、重量法和熱時(shí)間常數(shù)法。重量法因其便于實(shí)施而被廣泛采用，常見標(biāo)準(zhǔn)GJB4.3-1983、GJB4.4-1983和GJB1621.7A-2006等。GJB150.3A-2009、GJB150.4A-2009并未采用重量法確定溫度穩(wěn)定時(shí)間，研制單位主要采用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拼湊試驗(yàn)方法來確定溫度穩(wěn)定時(shí)間。目前單個(gè)板卡集成器件已經(jīng)達(dá)到1000個(gè)以上，依據(jù)重量法確定溫度穩(wěn)定時(shí)間會(huì)導(dǎo)致對產(chǎn)品高低溫適應(yīng)能力產(chǎn)生誤判，表現(xiàn)為環(huán)境試驗(yàn)通過率高，可靠性試驗(yàn)及后期外場使用過程中問題頻發(fā)。因此，采用熱成像儀、溫度巡檢儀開展溫度穩(wěn)定時(shí)間測定是高低溫試驗(yàn)準(zhǔn)確開展的必要工作。
（4）溫度保持時(shí)間
溫度保持時(shí)間的確定與產(chǎn)品在典型溫度極值下的使用時(shí)間長短有關(guān)。低溫試驗(yàn)溫度保持時(shí)間的確定應(yīng)考慮在低溫地區(qū)使用時(shí)處于低溫下的長期效應(yīng)，從而以不同平臺(tái)的任務(wù)執(zhí)行特點(diǎn)區(qū)分不同產(chǎn)品的低溫環(huán)境適應(yīng)性要求，具體可參考GJB1172-1991。高溫試驗(yàn)溫度保持時(shí)間選擇除了與低溫試驗(yàn)相同問題外，還包括艙外設(shè)備未能考慮太陽輻射效應(yīng)所導(dǎo)致的高溫，艙內(nèi)設(shè)備未能考慮極端工況，如GJB/Z27中的4.2.3要求“艦船電子設(shè)備，在某種戰(zhàn)斗環(huán)境下要求中斷空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)”。實(shí)際上，艙外設(shè)備應(yīng)開展的高溫試驗(yàn)是循環(huán)高溫而不是恒定，若采用恒定高溫替代，則應(yīng)開展不少于48h的高溫試驗(yàn)；高溫工作試驗(yàn)的溫度保持時(shí)間應(yīng)考慮中斷空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)等極端工況下的工作，如任務(wù)剖面中不可修階段的持續(xù)時(shí)間。
（5）溫度變化速率
GJB150.3A和GJB150.4A規(guī)定的溫度變化速率均為不超過3℃/min，試驗(yàn)實(shí)施時(shí)多采用最大溫變速率。這顯然沒有考慮產(chǎn)品特點(diǎn)，對于含有大尺寸光窗的光電產(chǎn)品，過快的溫變速率會(huì)明顯損壞光窗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致過應(yīng)力試驗(yàn)。同時(shí)，對于部分可靠性試驗(yàn)中采用5℃/min溫變速率的產(chǎn)品，簡單采用3℃/min不能釋放產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)及產(chǎn)品后期可靠性試驗(yàn)、壽命周期溫度變化特點(diǎn)確定溫變速率。
（6）試驗(yàn)中通電檢測要求
在高低溫環(huán)境試驗(yàn)中應(yīng)開展完整的功能性能檢測，這與環(huán)境適應(yīng)性的特點(diǎn)有關(guān)。盲目減少檢測項(xiàng)目，則無法說明產(chǎn)品的真實(shí)環(huán)境適應(yīng)性水平，造成部分間歇缺陷漏檢。高低溫環(huán)境試驗(yàn)中，產(chǎn)品檢測項(xiàng)目裁剪的原則包括：
a）能檢盡檢原則：具備檢測條件的，必須要開展檢測；
b）可操作原則，即在實(shí)驗(yàn)室給定的場地和環(huán)境條件下，可以利用現(xiàn)有測試設(shè)備進(jìn)行檢測；
c）采信原則，比如高低溫環(huán)境之前的檢測，可采信產(chǎn)品的功能性能檢驗(yàn)結(jié)果；
d）等效原則，如功能A和功能B有關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過檢測功能B即可說明功能A是正常的，則A可以不檢測。
高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估問題及對策
高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估是以產(chǎn)品高低溫環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用專家經(jīng)驗(yàn)給出產(chǎn)品耐高低溫環(huán)境能力的定性評估結(jié)論。傳統(tǒng)上，對于產(chǎn)品耐高溫環(huán)境能力的評估主要是結(jié)合環(huán)境試驗(yàn)中產(chǎn)品的功能性能檢測記錄，包括初始檢測、中間檢測以及試驗(yàn)后檢測，三次檢測均合格則認(rèn)為產(chǎn)品的高低溫環(huán)境適應(yīng)能力符合要求。結(jié)合部分型號(hào)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性評估過程，主要存在問題：①未對試驗(yàn)條件與外場使用條件的高低溫極值環(huán)境模擬的狀況進(jìn)行評估；②未對被試品檢測項(xiàng)目是否齊全進(jìn)行評估；③未對過程記錄的完整性進(jìn)行評估；④未對產(chǎn)品的低溫啟動(dòng)能力、冷卻劑選擇合理性進(jìn)行評估；⑤未對被試品高溫散熱能力進(jìn)行評估，等等。
高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估應(yīng)在分析產(chǎn)品特點(diǎn)基礎(chǔ)上，從耐高低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)以及產(chǎn)品檢測項(xiàng)目三個(gè)維度，制定核查表格，逐項(xiàng)進(jìn)行檢查評估。高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估樣表見表2。表2的檢查結(jié)果應(yīng)基于產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)分析報(bào)告、元器件選型清單、材料選擇清單、產(chǎn)品實(shí)物以及產(chǎn)品的高低溫試驗(yàn)報(bào)告等，結(jié)論欄應(yīng)按“完全符合、基本符合、少部分符合和不符合”給出對應(yīng)結(jié)論，統(tǒng)計(jì)完全符合和基本符合的數(shù)量，計(jì)算符合率，即符合率=（完全符合數(shù)+基本符合數(shù)）/總檢查項(xiàng)目數(shù)，或采取專家評分方法給出“優(yōu)、良、基本合格和不合格”的結(jié)論。
表2 電子產(chǎn)品高低溫環(huán)境適應(yīng)性評估樣表
總結(jié)
本文重點(diǎn)研究艦載電子產(chǎn)品研制過程中的高低溫環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)選擇和適應(yīng)性評估方法，前者關(guān)系到產(chǎn)品高低溫環(huán)境試驗(yàn)過程是過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，后者則關(guān)系到裝備的試驗(yàn)鑒定結(jié)論。除此之外，應(yīng)注意鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和例行試驗(yàn)中高低溫環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)選擇的差異，即例行試驗(yàn)與鑒定試驗(yàn)基本一致，驗(yàn)收試驗(yàn)通常不開展破壞性試驗(yàn)，如低溫/高溫貯存試驗(yàn)。合理的試驗(yàn)參數(shù)選擇和適應(yīng)性評估方法對于試驗(yàn)的正確開展、高低溫環(huán)境適應(yīng)性能力的準(zhǔn)確評估具有重要意義，本文提出的對策能很好指導(dǎo)研制和試驗(yàn)單位相關(guān)人員開展高低溫環(huán)境試驗(yàn)和適應(yīng)性評估。
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