湿热环境对电子装备可靠性的影响与对策研究

程高

摘 要：本文阐述了湿热条件下电子装备的失效模式，分析了湿热应力作用下电子装备的失效机理，并结合电子装备的结构设计、加工工艺和使用维护等问题，对如何有效防护湿热环境造成的不良影响提出了对策和建议。

关键词：环境；适应性；湿热；可靠性

在我国东南沿海很多地区，年平均气温高、梅雨季节长、湿度大，很多地区年平均温度在27℃以上，相对湿度高达92%，在此高温、高湿环境下，装备的贮存、运输和使用经常受到高温与高湿的综合影响，因此，湿热是造成装备失效和故障率上升的一个主要原因。如何改进和提高电子装备的湿热环境适应能力，对电子装备实施有效防护，已成为当前电子装备保障工作需要解决的重要问题。

一、湿热环境下电子装备常见的失效模式

潮湿是装备导致失效的一个主要因素。因此，当高温、高湿作用于产品时，所形成的水汽吸附、吸收和扩散作用，使装备加速老化和失效。湿热环境下电子装备常见的几种失效模式，主要表现在以下几个方面：

（一）加剧有机材料物理、化学劣化

当装备所处环境的气温升高时，潮湿空气会通过物理变化，产生吸附作用，使装备材料的含水量增加。因此，高温、高湿情况下会使有机材料表面劣化加剧，造成装备材料表面变形、肿胀、起泡；粘合剂、密封件失效；有机材料的表面绝缘性能下降，引起闪络、爬电、体积电阻，抗电强度（耐压水平）下降或介质损耗增大。

（二）加剧设备结构件腐蚀

电子装备的结构件通常采用金属材料制造，在湿热环境中，水蒸气容易在裸露的表面上形成一层不可见的薄膜，含水的表层成为电流导体和污染源，在不同金属接触点处形成微电池，使金属之间的电化学腐蚀加剧。缺乏有效防护的金属表面或表面防护层失效后，极易形成连成一片的全面腐蚀，造成表面涂层损坏。湿热环境还会使结构件的铆钉、焊缝、螺钉等紧固件处发生强烈的选择性腐蚀破坏，造成结构失效。

（三）加速电子线路老化

由于现在装备都采用大规模集成化的电路，因此，每条线路之间距离非常小，当印制板吸收电路引线之间的潮湿空气后，金属线之间的绝缘性能将会降低，很大可能会出现局部线路的短路，从而影响装备的可靠性；湿热环境还可能会造成氧化，使金属导体的导电率降低，接点间打火；在东南沿海地区，湿热还会使带状天线内造成几分贝的损耗，尤其是正在服役的雷达天线，会因为高温、高湿的环境而引起故障和早期失效。

二、湿热环境电子装备失效原因

（一）表面受潮机理

高温、高湿条件是引起产品表面受潮形成凝露现象的主要原因。由于空气中含有的大量的水分子，在空中运动的过程中，可能会碰撞固体物质的表面，因此，当停留在物体表面上的水分子浓度高于它在空气中的浓度时，便会在物体表面形成水分凝结，这种气体停留在固体表面上的现象称之为吸附。

由此得出，气体吸附量与固体物质的性质、温度及平衡时气体的压力三者有关。其函数关系为：

Q= f （T，P）

式中：Q——吸附量，ml；T——绝对温度，K；P ——压力，Pa。

根据此函数关系可以看出，温度越低，压力越高，则吸附量越大。吸附还与相对湿度有关，相对湿度增加，吸附量增加，相对温度减小，吸附量减少。如图1所示：

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图1 吸附等温线与吸附等压线

（二）体积受潮机理

体积受潮主要是由水蒸气呼吸、吸收和扩散形成的。一个具有封闭外壳的装备，在湿热环境下，内腔虽然不接触外部的高湿度空气，但潮气会通过间隙进入空腔内，形成呼吸效应，使内部造成受潮。当潮气由浓度大的地方向浓度小的地方迁移时，这种物理现象称为扩散现象。扩散与绝对湿度、温度及材质有关，按菲克定律可表示为：J=D（dC/dx）。式中：J——单位时间内通过单位截面的水蒸汽量；D——扩散系数；C——水蒸汽浓度；x——扩散距离；■——空气和材料内部的水蒸汽浓度梯度，它的大小取决于试验条件中的绝对温度。

三、提高湿热环境适应性的对策

1）正确选择结构件材料。对于金属材料的应用选择，应尽量避免选用在湿热条件下发生腐蚀的金属材料。如选择不锈钢时，应选择铁素体不锈钢之类的耐腐蚀不锈钢材料。在结构设计过程中，应尽量避免异种金属和合金相互接触。若不可避免时，应选择在电偶序中位于同组或位置相隔较近的金属或合金。2）合理选用镀、涂覆层体系。选用正确的镀、涂覆层体系，可使设备构件在使用过程中免受或少受气候环境因素的侵害。对线路结构体系中的电子部件要进行保护性涂覆。对在户外、海上使用的印制板组件，在允许的情况下，进行固体封装，可有效缓解一旦气密结构失效后因气候环境因素带来的不利影响。3）加强库存和使用管理。要根据所在地区的气候和环境条件，安装排水系统和空气循环系统消除潮气。当所在地区环境非常恶劣，排水系统和空气循环系统方法不适用时，应在库房中安装专用除湿设备来控制空气的相对湿度。制定装备在湿热环境中的使用规定，特别是在高温、梅雨季节，应尽量避免装备在高温、潮湿的条件下长时间工作。

四、结语

基于常见的几种湿热条件下电子装备的失效模式，并通过分析湿热应力作用下电子装备的失效机理，结合电子装备的结构设计、加工工艺和使用维护等问题，提出了如何有效防护湿热环境造成的不良影响的对策和建议，大大提高了电子装备在湿热环境的适应能力和可靠性。

参考文献：

[1] 祝耀昌.产品环境工程概论.北京：航天工业出版社，2003.

[2] 鲁远曙，左卫.东南沿海气候条件对电子设备的影响及环境适应性对策.装备环境工程，2004（1）.

[3] 马志宏，李金国.湿热环境应力下产品失效机理分析.环境技术，2006（5）.