GJB 150A湿热试验中若干问题探讨

翁 雷，白显毅

（江南计算技术研究所，无锡 214083）

0 引言

湿热环境是引起电子产品失效的常见环境之一。美军在二战期间运到亚洲参战的机载电子设备，其失效原因多为亚洲热带多雨的潮湿环境[1]。一般自然界中最潮湿和炎热的区域是在热带和亚热带地区，而根据美国海军20世纪50年代对全球气候的调查，亚洲地区湿热环境最为严酷[2]，电子设备在这一地区最容易受到湿热环境的影响。

因此，在电子设备的研制和生产中，人们十分重视防潮设计和应用湿热试验的手段来发现防潮设计缺陷和验证防潮设计对合同要求的符合性，各种通用环境试验标准（如 GJB 150/150A）中均有湿热试验方法分标准。GJB 150A是剪裁标准，提倡根据装备环境剖面、任务剖面等信息对标准进行剪裁，指导用户根据装备的实际情况来选择试验方法、试验顺序和试验程序，并参照装备技术条件确定试验条件及试件工作状态，从而制定最佳试验方案。该标准还细化了试验条件的允差及试验前、试验中、试验后的信息，进一步明确规定了试验后的数据处理细则，增加了试件安装、环境效应和失效判据、试验报告、结果分析、监控和监测等内容。

GJB 150A中的湿热试验方法相对于GJB 150发生了较大的变化。本文将在GJB 150A湿热试验的应用中，针对温湿度剖面、试验剪裁和特殊要求等问题进行探讨。

1 湿热环境效应

在装备的贮存、运输、使用中，温度和湿度是最常见且通常相伴存在的环境因素。从美国 Hughes航空公司对电子产品失效情况的统计与综合分析可以获知，引起装备故障的各种环境中，温度和湿度占到60%，远远高于其他环境（如图1所示）。

图1 各种环境应力引起装备失效的比例Fig. 1 The invalidation proportions of equipment under various environment stresses

湿热环境对装备的影响大部分是温度和湿度综合作用的结果。温湿度的变化会使装备及其材料内部或表面出现凝露、吸附、吸收、扩散等物理现象，从而导致金属氧化或电化学腐蚀、加速化学反应等表面效应；会引起材料吸潮膨胀、物理强度降低和电气绝缘性能降低等材料性质改变；会产生凝露和游离水从而引起电气短路、热传导特性变化等[3]。这些由湿热引起的环境效应对装备的劣化有着重要的影响，因此对湿热环境效应的研究有助于判断装备是否需要进行湿热试验。同时，通过湿热试验引发的凝露、吸附、扩散等物理现象（如表1所示）不但复现了温湿度对装备的影响，还加速了设计缺陷的暴露。

表1 温湿度引起的物理现象Table 1 Physical phenomena related with temperature and humidity

2 湿热试验的发展历程

湿热试验是考核装备耐湿热大气影响能力的一种试验方法[3]。其发展历程是一个从复杂到简单，从模拟自然环境和诱发环境到加速环境影响效应的过程。

湿热试验早期主要是以模拟装备在贮存、运输和使用中的湿热环境及其长期影响为目的，但是这种模拟实际上并不能完全真实地反映装备受到的湿热影响。

随着湿热试验方法的不断应用，研究人员逐渐发现根据装备类型划分试验程序比较烦琐而且作用不明显，因此在美军标810C之后的国内外相关标准中不再考虑装备的类型和结构特点[4]。修改后的标准中，湿热试验程序被划分为自然环境循环程序、诱发环境循环程序和加速试验程序。前两者分别是模拟装备在自然湿热气候和人员活动或装备工作过程中的气候环境的长期影响，循环试验参数可以采用典型的湿热日循环数据。但这两种程序试验时间长，可操作性差，因此很难被广泛采用。加速试验程序中的试验条件不会出现在自然界中，因此该试验程序不复现实际的温湿度环境，而是复现温湿度的影响。

目前，美军标810F等标准采用的湿热试验去除了自然环境和诱发环境循环程序，保留并改良了以发现潜在的设计缺陷为目的的加速试验程序。实践表明：这种试验程序效果明显，可操作性好。

3 GJB 150A湿热试验方法的应用

GJB 150A等效采用了美军标810F中相应的湿热试验方法，是剪裁标准，也只有一个加速试验程序。对于使用人员来说，则需要考虑其研究的设备是否需要进行湿热试验，是否采用GJB 150 A中这个唯一的加速试验程序，进行湿热试验时应采用什么样的试验顺序和试验设备等一系列问题，因而需要对相关信息和数据进行收集和剪裁。下面参考某型号计算机防火墙的湿热试验，探讨应用GJB 150A湿热试验方法时常见的几个问题。

3.1 装备寿命期温湿度剖面

依据GJB 4239《装备环境工程通用要求》，一个合理可行的温湿度剖面要充分考虑装备在装卸、运输期间预计的状态，可能遇到的环境及其有关的地理位置和气候特性等8项内容[5]。温湿度剖面一般由装备研制人员根据装备实际情况制定，并结合装备的耐湿热适应性要求，为湿热试验方案提供剪裁信息。在构成剖面图的各种信息中，寿命期状态、环境和工作载荷是最重要的内容[6]，图2所示某型号计算机防火墙的寿命期的温湿度剖面就是通过这些内容涵盖了该防火墙所有可能出现的温湿度情况。

图2 某型号计算机防火墙温湿度剖面Fig. 2 Temperature and humidity profile of a computer firewall

3.2 装备耐湿热环境的适应性要求

装备耐湿热环境的适应性要求在装备研制之初就应由使用方或承制方确定，它不仅是作为试验剪裁的依据，还是承制方开展耐湿热适应性设计的依据[7]。耐湿热适应性设计的措施主要有两种：一种是减缓湿热环境的严酷度，比如在贮存中采用防湿包装或进行干燥处理，选择受湿热影响小的运输途径等；另一种是提高装备自身的耐湿热能力，比如选用耐湿热材料或采用密封性设计等。

验证装备耐湿热环境适应性要求的主要方法是湿热试验，包括设计定型时的湿热鉴定试验、批生产阶段的环境验收试验和环境例行试验。由于寿命期状态、环境和工作载荷等综合条件的复杂多样性，耐湿热适应性要求的量值是比较难确定的。一般来说，获取温湿度量值主要有以下几种途径：1）根据装备的使用或安装平台，获取温湿度实测数据；2）当不能获取实测数据时，也可以根据安装在相似平台的相似装备的实测数据或其他经验数据来剪裁获得；3）直接引用GJB 1172中的温湿度环境数据。

3.3 试验方法剪裁

GJB 150A湿热试验只有一个试验程序，一般不需要对试验程序进行剪裁，剪裁的主要内容是试验方法（即确定是否要进行湿热试验）和试验顺序的选择[8-9]。

需采用GJB 4239中规定的方法，根据在装备寿命期内出现的湿热环境、装备结构材料特点和受到湿热环境影响可能性，确定是否需要进行湿热试验。下面以某型号计算机防火墙为例具体说明。

该计算机防火墙主要是由铝合金机箱、印制电路板、集成电路组件和直流输出电源等组成，用于青岛和杭州地区。其中青岛处于暖温区，杭州处于亚湿热区，因此杭州地区的湿热环境对该设备的影响更显著。实际统计数据显示，部署在杭州地区的防火墙出现较多故障，故障诊断发现其中大部分是多雨潮湿引起的，这种湿热环境造成了某个塑封半导体器件的腐蚀，在更换了器件以后，故障消失。在意识到湿热环境的严重影响以后，尽管进行了耐湿热设计和相关工艺的改进，但是冷凝等湿热应力引发的效应仍然对设备的印制电路板、集成电路等造成影响，可能会引起电路板离子迁移、材料吸收膨胀等失效模式。因此，该类型防火墙的设计必须考虑耐湿热环境的能力，并通过试验来发现潜在缺陷，以改进设计和验证其耐湿热环境的适应性是否符合规定的要求。

同其他试验一样，湿热试验顺序的选择也要遵循寿命期剖面或任务剖面顺序的原则，但是因湿度对装备影响方式的多样性以及湿度引发的各种物理现象，对同一试件进行湿热试验前要分析各种试验之间的相互影响，将易受影响的试验放在湿热试验之前进行。另外，温湿度还可与盐雾、砂尘、霉菌等其他环境综合，产生腐蚀和破坏等有害作用，因此，一般经受过盐雾、砂尘、霉菌等试验的试件不宜再进行湿热试验。

试验条件的剪裁重点是循环周期数和试件的技术状态。湿热试验采用的是温度在30～60 ℃之间变化、相对湿度95%的加速试验（如图3所示），以24 h为一个循环周期，最少10个周期[3]。当需要反映特殊装备耐湿热环境的能力时，可延长试验持续时间。尽管60 ℃和95%的相对湿度不会出现在实际平台环境中，但是在发现潜在缺陷方面却有显著的效果。

图3 湿热循环控制Fig. 3 Damp heat cycle control

试件的技术（结构）状态对试验过程中温湿度环境对试件的作用强度、温湿度稳定以及稳定时间等都有一定的影响，因此试验时应尽量满足试件的实际结构状态。

3.4 湿热试验的特殊要求

1）试件工作与性能检测要求

为防止试件在已失效的情况下继续试验造成资源浪费，性能检测一般要求在每5个循环结束前的4 h内进行一次性能检测，当4 h内不能完成时，可延长低温保持时间直至检测完毕。同时，如需开箱或将试件移出箱体检测，应确保试件工作性能检测在30 min内完成，否则应将试件在30 ℃、相对温度95%条件下保持1 h再检测。

2）试验通风干燥要求

湿热试验在完成初始检测后，要在(23±2)℃、相对湿度（50±5）%下保持24 h，其目的是保证每次参与试验的试件具有相同的初始温湿度条件，使测得的装备性能具有可比性，避免因条件不一致造成检测结果的争议。

4 结束语

GJB 150A自发布以来日益受到重视，但是其剪裁标准的特点给使用人员带来诸多困扰，本文着重对GJB 150A湿热试验方法在使用中常见的几个关键问题进行了探讨，但由于装备和实际试验的复杂性，要在具体操作中熟练掌握还比较困难，需要逐步深入地研究。在试验实施中还要特别关注以下几项内容，否则试验难以获得显著的效果。

1）湿热试验中由于温度交替变化，试验箱内的水蒸气压力也将随之发生变化，因此试验箱应设置排气孔，以防箱内压力急剧升高；2）试验中需防止箱壁的冷凝水滴落到试件上，以免引起湿热影响以外的物理效应，对试验结果产生干扰；3）除水以外，还应防止试件受到其他物质的腐蚀，以免引起试件的劣化或影响试验结果；4）保证试验后的检测与试验前的初始检测具有相同的大气环境，以便与基线数据比较，判别试件是否失效。

（References）

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