电子装备环境试验故障影响因素分析

【摘要】对不同的环境应力（温度循环、高温、低温、振动和湿度）下，电子装备产品环境试验故障影响因素进行了分析。同时对引起故障的机理进行了分析探讨。归纳了不同的应力暴露出的故障模式，对电子装备产品暴露出的一些故障情况进行了统计分析，并根据统计分析结果提出了改进可靠性试验方法的建议。

【关键词】电子装备；环境试验；故障影响因素分析；环境应力关系

1.引言

目前，电子产品在武器装备中的重要性越来越高，对电子产品的可靠性要求也在随之不断提高。电子装备现场实际使用结果表明，电子产品的故障率仍然是影响武器装备及战备完好性的主要因素之一。因此，研究电子产品故障与环境应力间的关系，对于确定装备中电子产品的可靠性试验方法、有重点地加强产品的可靠性设计将起到极大的技术支持作用。国外的统计数据表明，对于一般的电子产品，温度、振动和湿度对其的影响最大，分别占环境引起故障数的40%、27%和19%，因此考虑这三个因素的作用已经覆盖了86%以上的环境对产品可靠性的影响。但是，国外的这些经验数据对于我国电子装备的符合性如何，我国电子装备对哪些环境因素更为敏感，电子装备中那些部位在那种环境因素作用下更易发生故障等均没有进行过较为系统的研究。本文结合国内可靠性试验的故障数据对电子装备故障与环境应力间的对应关系进行了统计，对故障规律进行了归纳，对故障机理进行了分析，并根据分析结果提出了实验室以最佳费效比开展可靠性试验的建议。

2.电子装备故障机理分析

2.1 温度循环诱发故障的机理

当温度在上、下限温度循环时，电子设备交替膨胀和收缩，会使设备中产生热应力和应变。如果某些电子装备产品内部有瞬时的热梯度（温度不均匀性），或产品内部邻接材料的热膨胀系数不匹配，则这些热应力和应变将会加剧。这种应力和应变在缺陷处最大，它起着应力集中的作用。这种循环加载使缺陷长大.最终可大到能造成结构故障并产生电性能故障。例如，有裂纹的电镀通孔其周围最终完全开裂，引起开路。热循环是使钎焊接头和印制电路板上电镀通孔等产生故障的首要原因。持续时间受温度循环次数控制，每次循环.应力应变方向变化一次，循环次数也是应力应变方向的变化次数。温度变化范围越大，电子装备产品内受到的应力，应变范围越大，产品内缺陷发展为故障所需的应力应变次数（也即循环次数）越少。

温度循环激发出的主要故障模式如下：（1）使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大；（2）使粘接不好的接头松弛；（3）使螺钉连接或铆接不当的接头松弛；（4）使机械张力不足的压配接头松弛；（5）使质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路；（6）粒子污染。

2.2 高温诱发故障的机理

在高温的环境条件下，电子设备一般会产生过热的现象。过热是电子设备产生故障的主要原因之一。故障是使设备性能退化的化学或物理变化引起的。因为随着温度的增加，电子、原子、分子的运动速度加快，使得电子设备的性能发生变化。随着设备的老化，这些变化逐渐出现；当达到一定阶段时.就引起严重的故障。到产品产生故障的时间受这些化学或物理变化的过程的速率控制，而这一速率大致按指数规律随温度的升高而增加。已经发现.在高于一般室内环境温度（约20℃-25℃）范围内条件下，故障率大致按指数规律随温度的升高而增加。

高温激发出的主要的故障模式如下：

（1）不同材料膨胀系数不一致使零件粘结在一起；（2）剂粘度降低.剂外流使连接处损失能力；（3）包装、村垫、密封、轴承和轴发生变形、粘结和失效，引起机械性的故障或破坏完整性；（4）温度梯度的不同和不同材料膨胀不一致使得电子电路的稳定性随之改变；（5）有机材料退色、裂开或出现裂纹；（6）变压器和机电组件过热；（7）继电器和磁动或热动装置的接通/断开范围变化。

2.3 低温诱发故障的机理

低温的影响与高温相反，由于电子、原子、分子运动速度减小.导致物质收缩、流动性降低、凝结交硬。又因为冶炼、轧制、设计形状，切削刨伤、焊接淬火、锻造塑性、弹性变形造成内应力，使构件出现明显脆性（冷脆现象）。

低温激发出的主要故障模式如下：（1）材料发硬变脆；（2）各种材料收缩不一致和不同零部件膨胀率的差异使零件互相咬死；（3）剂粘度增加，流动能力降低，使作用减小；（4）电子元器件（晶体管、电窑器等）的性能发生变化；（5）变压器和机电部件的性能发生改变；（6）破裂和开裂、脆裂、冲击强度改变，强度降低；（7）受约束的玻璃产生静疲劳。

2.4 振动诱发故障的机理

随机振动是在很宽的频率范围内对产品施加振动。产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励。这就意味着具有不同共振频率的元部件同时共振.从而使安装不当的元件受扭曲，碰撞等而损坏定额概率增加。振动应力对揭示那些对反复的结构变形或相对运动敏感的缺陷是有效的。电路板或导线接头是在重复性应力作用下可能导致损坏性裂纹增长的例子。

振动激发出的主要的故障模式如下：

（1）结构部件、引线或元件接头产生疲劳，特别是类适于导线上有微裂纹、微观裂纹和类似的缺陷；（2）电缆磨损，如在松弛的电缆结处存在类似于尖缘那样的缺陷时；（3）制造不当的螺钉接头松弛；（4）安装加工不当的集成电路片离开插座；（5）汇流条及其连到电路板上的钎焊接头受到高应力引起的钎接头薄弱点失效；（6）与可敬相对运动的部件桥形连接的元件引线没有充分消除应力而造成损坏，例如电路板前板的发光二极管或在背板散热箱的功率晶体管；（7）已损坏或安装不当的脆性绝缘材料中出现裂纹。

2.5 湿度诱发故障的机理

潮湿环境的影响是指产品或材料在潮湿条件下发生外观或物理、化学和电性能方面的劣化并导致设备功能性失效综合作用。在工作环境中有各种大气污染物质可能强化潮湿气候的影响，例如各种腐蚀性气体与潮湿的共同作用将加剧金腐蚀的速度，而某些容易吸收水分的尘埃将助长试验样品表面凝露或水气吸收，从而加剧表面绝缘性能的下降。又如某些材料表面受潮后长霉，这种霉菌湿润之后又会影响表面电阻下降，这些都会影响产品工作性能。

湿度激发出的故障模式主要有：（1）表面吸收。当隐患与表面沾污有关时，吸收引起故障的机理是特别重要的。（2）毛细凝露。当隐患与断裂、缝隙和细孔有关时，毛细凝露是故障的主要机理。若水分以这种方式穿透表面保护层并作用于要保护的材料时，则很可能出现故障。（3）通过松散材料的扩散是第三种故障机理。它通常不直接与隐患有关或很少有关。这种机理是很慢的，要几天到数月。

3.电子装备故障统计数据结果分析

从统计的数据看来，振动、温度和湿度对电子装备的可靠性影响很大。但是，对于一个产品的不同部件，它们对这三种应力的响应是不一样的。现把这三种应力的作用范围归纳如下：

3.1 振动

重复应力或相对运动敏感的缺陷在振动应力下最易暴露。例如：电路板或导线插头是在重复应力作用下可能导致破坏性裂纹增长。

振动应力主要诱发的故障模式如下：

（a）部件之间由于焊接不牢而断开；（b）部件安装不当时在振动的情况下引起开路；（c）振动使得某些产品（如电机、电源）不能正常工作而导致故障；（d）在产品装配时由于存在拉伸或剪切应力而导致故障。

3.2 温度

热应力主要诱发的故障模式如下：

（a）由于在高温环境中不能充分冷却或在低温条件下同步不匹配造成的性能下降；（b）低温使得某些元器件的性能不稳定而造成故障；（c）由于热膨胀系数不匹配，在热应力循环作用下产品出现故障。

3.3 湿度

湿度应力主要诱发的故障模式如下：

（a）产品受潮后性能退化；（b）产品内部湿度累积到一定程度后在低温状态下结霜，导致产品开路；（c）产品内部湿度累积割一定程度后导致产品内部电路板爬电。

这三种应力的作用时间也有一定的规律：

（1）温度应力引起的故障暴露最早；（2）振动应力引起的故障，在一定的时间累积后工艺故障、加工故障和元器件故障先后出现；（3）湿度应力和综合应力引起的故障由于需要一定的时间累积，所以暴露的相对较晚；（4）60%的缺陷可以在前160h的综合环境试验中暴露，并且可以大量暴露由温度引起的元器件故障和振动引起的工艺故障。

4.结束语

根据本文的分析结果，建议在今后设计电子装备的可靠性试验方案时可以考虑先进行一定时间的综合环境试验，这一时间可以根据不同产品的具体情况，考虑元器件的质量水平、加工工艺水平等因素加以确定，如选择200h、300h等。利用这一综合环境试验暴露与温度、湿度相关的故障、与温度湿度综合应力相关的故障以及与振动相关的早期故障。这一综合环境试验时间完成后，可以仅对产品进行振动试验，按振动加速原理采取加速试验方式进行试验。这样.既可以达到暴露产品故障的目的，同时还可以极大地缩短试验时间，从而提高可靠性试验的费效比。