1.引言
目前,電子產(chǎn)品在武器裝備中的重要性越來(lái)越高,對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性要求也在隨之不斷提高。電子裝備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用結(jié)果表明,電子產(chǎn)品的故障率仍然是影響武器裝備及戰(zhàn)備完好性的主要因素之一。因此,研究電子產(chǎn)品故障與環(huán)境應(yīng)力間的關(guān)系,對(duì)于確定裝備中電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)方法、有重點(diǎn)地加強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)將起到極大的技術(shù)支持作用。國(guó)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,對(duì)于一般的電子產(chǎn)品,溫度、振動(dòng)和濕度對(duì)其的影響最大,分別占環(huán)境引起故障數(shù)的40%、27%和19%,因此考慮這三個(gè)因素的作用已經(jīng)覆蓋了86%以上的環(huán)境對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。但是,國(guó)外的這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于我國(guó)電子裝備的符合性如何,我國(guó)電子裝備對(duì)哪些環(huán)境因素更為敏感,電子裝備中那些部位在那種環(huán)境因素作用下更易發(fā)生故障等均沒有進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)可靠性試驗(yàn)的故障數(shù)據(jù)對(duì)電子裝備故障與環(huán)境應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),對(duì)故障規(guī)律進(jìn)行了歸納,對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行了分析,并根據(jù)分析結(jié)果提出了實(shí)驗(yàn)室以最佳費(fèi)效比開展可靠性試驗(yàn)的建議。
2.電子裝備故障機(jī)理分析
2.1 溫度循環(huán)誘發(fā)故障的機(jī)理
這種應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谌毕萏幾畲?,它起著?yīng)力集中的作用。這種循環(huán)加載使缺陷長(zhǎng)大。最終可大到能造成結(jié)構(gòu)故障并產(chǎn)生電性能故障。例如,有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全開裂,引起開路。熱循環(huán)是使釬焊接頭和印制電路板上電鍍通孔等產(chǎn)生故障的首要原因。持續(xù)時(shí)間受溫度循環(huán)次數(shù)控制,每次循環(huán)。應(yīng)力應(yīng)變方向變化一次,循環(huán)次數(shù)也是應(yīng)力應(yīng)變方向的變化次數(shù)。溫度變化范圍越大,電子裝備產(chǎn)品內(nèi)受到的應(yīng)力,應(yīng)變范圍越大,產(chǎn)品內(nèi)缺陷發(fā)展為故障所需的應(yīng)力應(yīng)變次數(shù)(也即循環(huán)次數(shù))越少。
溫度循環(huán)激發(fā)出的主要故障模式如下:
(1)使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴(kuò)大;
(2)使粘接不好的接頭松弛;
(3)使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛;
(4)使機(jī)械張力不足的壓配接頭松弛;
(5)使質(zhì)量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路;
(6)粒子污染。
2.2 高溫誘發(fā)故障的機(jī)理
在高溫的環(huán)境條件下,電子設(shè)備一般會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。過熱是電子設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因之一。故障是使設(shè)備性能退化的化學(xué)或物理變化引起的。因?yàn)殡S著溫度的增加,電子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)速度加快,使得電子設(shè)備的性能發(fā)生變化。隨著設(shè)備的老化,這些變化逐漸出現(xiàn);當(dāng)達(dá)到一定階段時(shí)。就引起嚴(yán)重的故障。到產(chǎn)品產(chǎn)生故障的時(shí)間受這些化學(xué)或物理變化的過程的速率控制,而這一速率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)。在高于一般室內(nèi)環(huán)境溫度(約20℃-25℃)范圍內(nèi)條件下,故障率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。
高溫激發(fā)出的主要的故障模式如下:
(1)不同材料膨脹系數(shù)不一致使零件粘結(jié)在一起;
(2)潤(rùn)滑劑粘度降低。潤(rùn)滑劑外流使連接處損失潤(rùn)滑能力;
(3)包裝、村墊、密封、軸承和軸發(fā)生變形、粘結(jié)和失效,引起機(jī)械性的故障或破壞完整性;
(4)溫度梯度的不同和不同材料膨脹不一致使得電子電路的穩(wěn)定性隨之改變;
(5)有機(jī)材料退色、裂開或出現(xiàn)裂紋;
(6)變壓器和機(jī)電組件過熱;
(7)繼電器和磁動(dòng)或熱動(dòng)裝置的接通/斷開范圍變化。
2.3 低溫誘發(fā)故障的機(jī)理
低溫的影響與高溫相反,由于電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)速度減小。導(dǎo)致物質(zhì)收縮、流動(dòng)性降低、凝結(jié)交硬。又因?yàn)橐睙?、軋制、設(shè)計(jì)形狀,切削刨傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內(nèi)應(yīng)力,使構(gòu)件出現(xiàn)明顯脆性(冷脆現(xiàn)象)。
低溫激發(fā)出的主要故障模式如下:
(1)材料發(fā)硬變脆;
(2)各種材料收縮不一致和不同零部件膨脹率的差異使零件互相咬死;
(3)潤(rùn)滑劑粘度增加,流動(dòng)能力降低,使?jié)櫥饔脺p??;
(4)電子元器件(晶體管、電窯器等)的性能發(fā)生變化;
(5)變壓器和機(jī)電部件的性能發(fā)生改變;
(6)破裂和開裂、脆裂、沖擊強(qiáng)度改變,強(qiáng)度降低;
(7)受約束的玻璃產(chǎn)生靜疲勞。
2.4 振動(dòng)誘發(fā)故障的機(jī)理
隨機(jī)振動(dòng)是在很寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)。產(chǎn)品在不同的頻率上同時(shí)受到應(yīng)力,使產(chǎn)品的許多共振點(diǎn)同時(shí)受到激勵(lì)。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時(shí)共振。從而使安裝不當(dāng)?shù)脑芘で?,碰撞等而損壞定額概率增加。振動(dòng)應(yīng)力對(duì)揭示那些對(duì)反復(fù)的結(jié)構(gòu)變形或相對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感的缺陷是有效的。電路板或?qū)Ь€接頭是在重復(fù)性應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致?lián)p壞性裂紋增長(zhǎng)的例子。
振動(dòng)激發(fā)出的主要的故障模式如下:
(1)結(jié)構(gòu)部件、引線或元件接頭產(chǎn)生疲勞,特別是類適于導(dǎo)線上有微裂紋、微觀裂紋和類似的缺陷;
(2)電纜磨損,如在松弛的電纜結(jié)處存在類似于尖緣那樣的缺陷時(shí);
(3)制造不當(dāng)?shù)穆葆斀宇^松弛;
(4)安裝加工不當(dāng)?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路片離開插座;
(5)匯流條及其連到電路板上的釬焊接頭受到高應(yīng)力引起的釬接頭薄弱點(diǎn)失效;
(6)與可敬相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件橋形連接的元件引線沒有充分消除應(yīng)力而造成損壞,例如電路板前板的發(fā)光二極管或在背板散熱箱的功率晶體管;
(7)已損壞或安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料中出現(xiàn)裂紋。
2.5 濕度誘發(fā)故障的機(jī)理
潮濕環(huán)境的影響是指產(chǎn)品或材料在潮濕條件下發(fā)生外觀或物理、化學(xué)和電性能方面的劣化并導(dǎo)致設(shè)備功能性失效綜合作用。在工作環(huán)境中有各種大氣污染物質(zhì)可能強(qiáng)化潮濕氣候的影響,例如各種腐蝕性氣體與潮濕的共同作用將加劇金腐蝕的速度,而某些容易吸收水分的塵埃將助長(zhǎng)試驗(yàn)樣品表面凝露或水氣吸收,從而加劇表面絕緣性能的下降。又如某些材料表面受潮后長(zhǎng)霉,這種霉菌濕潤(rùn)之后又會(huì)影響表面電阻下降,這些都會(huì)影響產(chǎn)品工作性能。
濕度激發(fā)出的故障模式主要有:
(1)表面吸收。當(dāng)隱患與表面沾污有關(guān)時(shí),吸收引起故障的機(jī)理是特別重要的。
(2)毛細(xì)凝露。當(dāng)隱患與斷裂、縫隙和細(xì)孔有關(guān)時(shí),毛細(xì)凝露是故障的主要機(jī)理。若水分以這種方式穿透表面保護(hù)層并作用于要保護(hù)的材料時(shí),則很可能出現(xiàn)故障。
(3)通過松散材料的擴(kuò)散是第三種故障機(jī)理。它通常不直接與隱患有關(guān)或很少有關(guān)。
這種機(jī)理是很慢的,要幾天到數(shù)月。
3.電子裝備故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析
從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看來(lái),振動(dòng)、溫度和濕度對(duì)電子裝備的可靠性影響很大。但是,對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品的不同部件,它們對(duì)這三種應(yīng)力的響應(yīng)是不一樣的?,F(xiàn)把這三種應(yīng)力的作用范圍歸納如下:
3.1 振動(dòng)
重復(fù)應(yīng)力或相對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感的缺陷在振動(dòng)應(yīng)力下最易暴露。例如:電路板或?qū)Ь€插頭是在重復(fù)應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致破壞性裂紋增長(zhǎng)。
振動(dòng)應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下:
(a)部件之間由于焊接不牢而斷開;
(b)部件安裝不當(dāng)時(shí)在振動(dòng)的情況下引起開路;
(c)振動(dòng)使得某些產(chǎn)品(如電機(jī)、電源)不能正常工作而導(dǎo)致故障;
(d)在產(chǎn)品裝配時(shí)由于存在拉伸或剪切應(yīng)力而導(dǎo)致故障。
3.2 溫度
熱應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下:
(a)由于在高溫環(huán)境中不能充分冷卻或在低溫條件下同步不匹配造成的性能下降;
(b)低溫使得某些元器件的性能不穩(wěn)定而造成故障;
(c)由于熱膨脹系數(shù)不匹配,在熱應(yīng)力循環(huán)作用下產(chǎn)品出現(xiàn)故障。
3.3 濕度
濕度應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下:
(a)產(chǎn)品受潮后性能退化;
(b)產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積到一定程度后在低溫狀態(tài)下結(jié)霜,導(dǎo)致產(chǎn)品開路;
(c)產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積割一定程度后導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部電路板爬電。
這三種應(yīng)力的作用時(shí)間也有一定的規(guī)律:
(1)溫度應(yīng)力引起的故障暴露最早;
(2)振動(dòng)應(yīng)力引起的故障,在一定的時(shí)間累積后工藝故障、加工故障和元器件故障先后出現(xiàn);
(3)濕度應(yīng)力和綜合應(yīng)力引起的故障由于需要一定的時(shí)間累積,所以暴露的相對(duì)較晚;
(4)60%的缺陷可以在前160h的綜合環(huán)境試驗(yàn)中暴露,并且可以大量暴露由溫度引起的元器件故障和振動(dòng)引起的工藝故障。
4.結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)本文的分析結(jié)果,建議在今后設(shè)計(jì)電子裝備的可靠性試驗(yàn)方案時(shí)可以考慮先進(jìn)行一定時(shí)間的綜合環(huán)境試驗(yàn),這一時(shí)間可以根據(jù)不同產(chǎn)品的具體情況,考慮元器件的質(zhì)量水平、加工工藝水平等因素加以確定,如選擇200h、300h等。利用這一綜合環(huán)境試驗(yàn)暴露與溫度、濕度相關(guān)的故障、與溫度濕度綜合應(yīng)力相關(guān)的故障以及與振動(dòng)相關(guān)的早期故障。這一綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間完成后,可以僅對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),按振動(dòng)加速原理采取加速試驗(yàn)方式進(jìn)行試驗(yàn)。這樣。既可以達(dá)到暴露產(chǎn)品故障的目的,同時(shí)還可以極大地縮短試驗(yàn)時(shí)間,從而提高可靠性試驗(yàn)的費(fèi)效比。
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