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从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验

发布时间:2019-11-16 责任编辑:wenwei

【导读】电子元器件的湿热试验分为恒定湿热试验和交变湿热试验两类。恒定湿热试验是为了确定元器件在高温、高湿条件下工作或贮存适应能力。而交变湿热试验是用加速方式评估元器件及所用材料在炎热和高湿条件(典型的热带环境)下抗退化效应的能力。
 
下面我们就来聊聊两种元器件湿热试验的原理、试验设备、可能暴露的缺陷及关键点。
 
一 五种现象
 
湿热试验中主要有5种物理现象,分别是吸附、凝露、扩散、吸收和呼吸作用。
 
1、气体分子(指水蒸气分子)在空间运动可能碰撞固体物质(受试产品)的表面,当一定数量的气体分子“停留”在受试产品表面上的浓度高于它在气相中的浓度,从而产生凝结,这种气体在固体表面上“停留”的现象称之为吸附。
 
2、凝露实际上是水分子在受试产品上吸附的一种现象,但它是在试验温度变化时产生的。在升温阶段,受试产品表面温度低于周围空气露点温度时,水蒸气便会在受试产品表面凝结成液体形成水珠。在交变湿热试验的升温阶段,由于受试产品的热惯性,使它的温度上升滞后于试验箱的温度。
 
因此,表面便产生了凝露现象。表面凝露量的多少取决于受试产品本身的热容量大小以及升温速度和升温阶段的相对湿度。在交变湿热试验的降温阶段,封闭外壳的内壁比壳内空气降温快、因此也会出现凝露现象。
 
3、扩散是分子运动的一种物理现象。在扩散过程中,分子总是从浓度大的地方向浓度小的地方迁移。湿热试验中水蒸气向浓度较低的材料内部扩散的。扩散与绝对湿度、温度及材质有关。
 
4、吸收是指水蒸气与空气混合通过材料的间隙进入材料内部,它可以由扩散、渗透或毛细管凝结三种物理过程综合形成。扩散和渗透除了与试验条件中的湿度(决定了水蒸气压力)和温度有关外还与材料的扩散或渗透系数有关,这也就是说与受试产品的材质有关。
 
5、具有封闭外壳的设备,若内部有较大容积的空腔,当试验温度变化时,空腔内的空气压力随之变化,由于这种压力变化引起空腔内外空气的交流称之为呼吸作用。
 
这种呼吸作用进入空腔内的潮气量除与空气中的湿度有关外还与试验条件的温度变化速率和温度变化范围有关。
 
二 试验原理
 
1 恒定湿热试验
 
恒定湿热试验是指温度湿度试验条件不随时间变化的湿热试验。产品的受潮作用主要是由水蒸汽吸附、吸收和扩散三种物理现象引起,试验样品使用场所环境温度变化不大,产品表面不会产生凝露现象时应选择恒定湿热试验方法。
 
高温和高湿度的同时作用,会加速金属件的腐蚀和绝缘材料的老化。对于半导体器件,如果水汽渗透进管芯,还会引起电参数的变化。尤其在两种不同金属材料的键合处或连接处,由于水汽渗入会产生电化学反应,从而使腐蚀速度大大加快。
 
此外,在湿热环境中,管壳的电镀层可能会剥落,外引线可能生锈或锈断。因此,高温高湿度的环境条件是考核器件稳定性和可靠性的重要试验之一。
 
2 交变湿热试验
 
交变湿热试验方法是指温度湿度条件,在24小时内周期性地在高温高湿和低温高湿之间变化的一种湿热试验。
 
当试验样处于交变的高湿、高温条件下时,水汽借助于温度以扩散、热运动、呼吸作用和毛细现象等被吸入器件内部。水汽的吸入量一方面和温度、绝对湿度、时间有关(温度越高,水分子的活动能越大,水分子越容易进入器件内部。绝对湿度越大,水分子含量就越多,水分子渗入器件内部的可能性也增大)。
 
另一方面与温度变化率、温差有关(温度变化率则决定了单位时间内“呼吸”的次数;温差的大小决定了“呼吸”程度的大小)。高温和高湿度的同时交变作用,会加速金属配件的腐蚀和绝缘材料的老化。
 
交变湿热试验与恒定湿热试验不同,它采用温度循环来提高试验效果,其目的在于提供一个凝露和干燥的交替过程,使进入密封外壳内的水汽产生“呼吸”作用,从而使腐蚀过程加速。在高温下,潮气的影响将更加明显。
 
试验包括一个低温子循环,它能使在其他情况下不易发现的退化作用加速显现。这样,通过测量电特性(包括击穿电压和绝缘电阻)或进行密封试验就可以揭示该退化现象。如果需要,交变湿热试验还可以对某些元件施加一定的电负荷,从而确定载流元件特别是细导线和接点的抗电化学腐蚀的能力。
 
三 实验设备
 
1、湿热试验的设备为湿热试验箱,恒定湿热试验采用恒定湿热试验箱,交变湿热试验需采用高低温湿热试验箱。
 
2、相关标准参见G82423.22,GB2423.34,GJBl50.9等。
 
3、在试验箱中产生潮湿条件的方法常有:a.水挥发加湿、b.气泡加湿、c.喷雾加湿、d.蒸气加湿。
 
从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验
从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验
恒定湿热试验箱组成示意图
 
从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验
交变湿热试验箱组成示意图
 
从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验
交变湿热试验箱控制原理
 
四 缺陷暴露
 
湿热试验中元器件常见暴露缺陷有外引线腐蚀、外壳腐蚀、离子迁移和封装材料(绝缘、膨胀和机械性能)。
 
五 关键点
 
1、湿度测量是保证湿热试验准确的基础,常用的两种类型,一种是用干湿球温度计原理,另一种是用湿敏元件。目前在湿热试验设备中用得较多的还是采用干湿球温度计原理的测湿方法。
 
2、选用温度计作干湿球测量元件时,要注意选择形状、规格和性能一致的温度计组成对。
 
3、温湿度误差包括了箱温的波动度(由控制造成的),均匀度(由箱体通风和结构造成的)及测试仪器三方面误差之和。
 
六 为什么大部分产品都要做湿热测试?
 
在可靠性实验中,湿度一般施加在高温段,在对湿度诱发的故障机理分析的同时要考虑高温及后期的低温的综合作用。在机械特性方面,湿气侵入材料的表面进材料分解、长霉及形变等。
 
如果和高温同时作用,绝缘材料的吸湿加快,甚至会产生吸附、扩散及吸收现象和呼吸作用,使材料表面肿胀、变形、起泡、变粗,还会使活动部件摩擦增加甚至卡死;在电气方面,由于潮湿,在温度变化时容易产生凝霜现象,从而造成电气短路。
 
潮湿引起的有机材料的表面劣化也会导致电性能的劣化,同时在高温下潮湿还会导致接触部件的触点污染,使触点接触不良。
 
湿度诱发的主要故障模式有:1、电气短路;2、活动元器件卡死;3、电路板腐蚀;4、表层损坏;5、绝缘材料性能降低等。
 
从现象到原理,一次搞懂电子元器件湿热试验
 
另外,对于其它类型的环境应力和所能激发的故障类型也有一定的对应关系。在产品可靠性试验中施加综合应力比施加单一应力更能有效地加法产品的缺陷,因为某一环境因素对产品的影响会随着另一种环境因素诱发得到加强并导致失效。
 
这就要求,在对具体产品进行RET时,必须深入分析各类型应力对产品各类型缺陷作用的机理,确定RET中各种应力的优秀综合方式。
 
执行与满足标准
 
GB/T 11158-2008 高温试验箱技术条件;
 
GB/T 10589-2008 低温试验箱技术条件;
 
GB/T 10592-2008 高低温试验箱技术条件;
 
GB/T 10586-2006 湿热试验箱技术条件;
 
GB/T 5170.1-1995 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法 总则
 
GB/T 5170.2-1996 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法 温度试验设备
 
GB/T 5170.5-1996 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法 湿热试验设备
 
GB/T 5170.18-1996 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法 温度/湿度组合循环试验设备
 
GB/T 2421-1999 电工电子产品环境试验 第1部分:总则
 
GB/T 2422-1995 电工电子产品环境试验 术语
 
GB/T 2423.1-2001 电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验A:低温
 
(idt IEC 60068-2-1:1990);
 
GB/T 2423.2-2001 电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验B:高温
 
(idt IEC 60068-2-2:1974);
 
GB/T 2423.3-2006 电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Cab:恒定湿热试验(IEC 60068-2-78:2001,IDT);
 
GB/T 2423.34-2005电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Z/AD:温度/湿度组合循环试验。(idt IEC 60068-2-38:1974);
 
GB/T 2423.4-1993 电工电子产品基本环境试验规程 试验Db:交变湿热试验方法(eqv IEC 60068-2-30:1980);
 
GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb:设备用恒定湿热试验方法
 
GB/T 2424.1-2005电工电子产品环境试验 高温低温试验导则 (idt IEC 60068-3-1:1974);
 
GB/T 2424.2-2005电工电子产品环境试验 湿热试验导则 (idt IEC 60068-3-4:2001);
 
GB/T 2424.5-2006电工电子产品环境试验 温度试验箱性能确认 (idt IEC 60068-3-5:2001);
 
GB/T 2424.6-2006电工电子产品环境试验 温度/湿度试验箱性能确认 (idt IEC 60068-3-6:2001);
 
GB/T 2424.7-2006电工电子产品环境试验 试验A和B(带负载)用温度试验箱的测量
 
(idt IEC 60068-3-7:2001);
 
GJB150-1-86 军用设备环境试验方法 总则
 
GJB150-3-86 军用设备环境试验方法 高温试验
 
GJB150-4-86 军用设备环境试验方法 低温试验
 
GJB150-9-86 军用设备环境试验方法 湿热试验
 
 
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