电子设备耐湿热性设计思考

李润玲，魏伟，王娜

（1.空装驻北京地区第四军事代表室，北京，100041；2.空装驻北京地区第七军事代表室，北京，100041）

0 引言

为了确定设备在高温及高湿条件下的适应性，按照相关适用标准开展验证，试验室试验是一种加速试验，比自然环境所发生的潮湿更频繁、更严重或周期更长。一般电子设备通常都要进行“三防”(防湿热、防霉菌、防盐雾)设计，采取防腐蚀的结构设计，选择耐环境腐蚀的原材料，进行基材表面“三防”处理等，以提高设备的环境适应能力。在实际工作中，通常采用以往产品使用的成熟结构设计、相同材料和表面处理工艺方法。但是两型新研产品在进行湿热试验后发现，铅封杯表面出现白色锈蚀痕迹、设备与安装支架接触面出现油漆起泡现象、前面板和箱体接触位置缝隙处出现白色锈蚀。而以往类似设备与安装架无论是单独还是组装在一起均能顺利通过湿热试验，表面质量正常。表面处理为特殊过程，针对试验中出现的问题，从“人、机、料、法、环”各环节进行了检查、分析和试验，发现原因是特殊过程过程控制、产品结构设计、选用的防护漆性能不满足特定环境、特殊过程参数设定不合理。通过严格过程控制要求、更改选用漆牌号、调整控制参数、增加保护环节解决了问题，满足电子设备在相关恶劣环境下的使用需求。

1 产品湿热试验中出现的问题

两类电子设备按相关标准要求进行湿热试验，试验条件为：温度+30℃～+60℃，湿度95%，循环10天。试验结束后，功能和性能检测均正常，但表面质量均出现了以下问题：

（1）铅封杯表面有白色锈蚀痕迹，如图1。

图1 铅封杯锈蚀

（2）一型设备前面板和箱体接触缝隙处有白色锈蚀，如图2。

图2 前面板和箱体接缝处锈蚀

（3）一型设备与安装支架接触的底盖板发生大面积油漆起泡，安装架对应位置有积水，如图3。

图3 设备底面起泡

2 湿热环境对产品性能的影响

湿热试验可以引起材料电性能、机械性能和化学性能发生变化，具体表现为：

（1）表面影响。由于水分的吸收和扩散（渗透）作用，金属的氧化和/或电蚀、加速化学反应、表面有机涂层和无机涂层的化学或电化学破坏、表面潮气和外来附着物相互作用产生腐蚀层、摩擦系数的变化产生粘合或粘附。

（2）材料特性的变化。由于吸附作用：材料体积膨胀。由于凝露和吸附作用，物理（机械）强度降低。绝缘材料的表面绝缘电阻和体积绝缘电阻下降、损耗角增大，由此生成了漏电流，对于整个设备，将会导致灵敏度降低、频率漂移，光学元件成像传输质量下降等。隔热材料的隔热特性变化、复合材料分层、材料的弹性或塑性改变、吸湿材料性能下降、润滑剂性能降低、炸药和推进剂性能降低。

（3）凝露游离水。电气短路、光学器件表面模糊、热传递特性变化。如体积膨胀、机械强度降低，由于吸潮，会使密封产品的密封性能降低或破坏，产品表面涂敷层剥落，产品标记模糊不清等。

3 特殊过程处理应关注的几点

3.1 特殊过程参数设定控制

特殊过程控制参数一般是在表面处理工艺编制时经过确认后明确下来的，一般工厂在确定完参数后如果工艺方法不改变，参数就固定下来。有的特殊过程参数控制包含溶质浓度，其实际使用中，可定期测量浓度进而保证溶液合格。而有的特殊过程溶液调配时，仅仅滴几滴溶质，浓度无法测量，一般用时间周期进行控制。对于用时间进行控制的特殊过程，在实际使用时往往不再进行调整。但是随着使用条件发生变化，原有控制参数不能满足现有使用要求。铝合金零件大部分选用导电氧化处理方法，当生产量增加时，按原有要求配置的导电氧化溶液在使用周期中后期溶质成分含量降低，导致形成膜层的质量下降。进行湿热试验时，试验中的水汽在结构件之间充当导电介质，缝隙内外形成了氧浓差腐蚀原电池，使腐蚀反应得以进行，加速了膜层的破坏，造成铝基体零件的腐蚀。如：在某一产品湿热试验过程中，零件在缝隙内外环境中的电极电位与氧的浓度分布成正比，浓度越高，则电极电势越高，盖板裸露在外面的电位较缝隙内部高，成为腐蚀电池的阴极，缝隙内部作为电池的阳极受到腐蚀，这造成了白色锈蚀，如图2所示。出现问题后，对导电氧化参数控制进行了调整，将原有槽液的更换频率由原来3个月改为两周或加工零件面积达到1500dm2时。为了进一步完善工艺方法，并增加耐环境余量，对导电氧化处理后的零件涂一种增强导电性能的胶，提高膜层耐腐蚀性。

3.2 试验前处理

湿热试验一般不作为腐蚀性试验。所谓湿热的腐蚀作用是由于空气中含有少量的酸、碱性杂质或由于产品表面附着有焊渣、汗渍等污染物而引起的间接化学和电化学腐蚀作用。为了防止样品表面污染而引起间接腐蚀作用，试验前，应该对试验样品采取清洁处理，例如用无水酒精进行擦拭清洁处理。

3.3 特殊过程过程控制

针对进行过表面处理的零件其贮存、包装、运输和安装过程都有相关标准和规定，应按要求严格控制过程。铅封杯为标准件，且库存批量大、使用数量大、零件体积小，一般为几十个放置在一个装有防潮沙的塑料袋贮存，没有单独的保护措施，现场使用时也是几十个同时放置在一个小盒中发放，一般不发生磕碰和摩擦是不会损伤镀层，但也不排除这种可能性。另外，在具体安装过程中，也存在操作者紧固螺钉时不小心用螺刀损伤表面涂层的可能。所以贮存、运输和安装过程容易产生磕碰和摩擦。无法排除贮存、运输和安装过程破坏表面处理层。

3.4 试验验证

目前，大多数企业对于特殊过程的确认和再确认往往使用试件进行表面处理，进行表观质量检测和对比查看的方式，没有进行相应整个设备的试验验证，而仅仅依托于定检和鉴定试验进行，而整个设备和试片进行试验时的得到了不同的实验结果。

如湿热问题中的铅封杯试验，分别进行了试片和整个设备验证。第一次试件试验：铅封杯在单独放置的时候，不论表面处理层是否被破坏都不会导致铅封杯锈蚀；第二次整个设备试验：表面镀层完好状态的铅封杯安装在产品上，经过湿热试验不会产生锈蚀；而表面镀层磨损破坏的铅封杯安装在产品上，经过湿热试验产生了锈蚀。

从理论分析来看，单独放置的铅封杯不能模拟真实安装环境，产品中铅封杯套在螺钉上加垫圈固定在机体壳上。湿热试验中，环境湿度大、温度变化大，表面镀层受损的铅封杯、螺钉和垫圈间的留存液体后形成电化学原电池。在原电池中，裸露的锌失去电子成为锌离子作为电化学阳极，锌离子与水中的氢氧根离子结合生成氢氧化锌白色沉淀，氢氧化锌部分分解成白色的氧化锌；阴极，氧气得到电子后与水中的氢离子结合生成水。反应式为：2Zn+O2+2H2O =2Zn(OH)2、Zn(OH)2（部分）=ZnO+H2O。

导电氧化试验也出现了同样结果。试片本身在一定程度上能验证膜层或镀层的防护效果，但不能复现真实装机环境，装到整个设备后的结构体之间会形成原电池，加速腐蚀速度和程度，因此在严格程度上应该在整个设备上试验验证。

3.5 结构设计在特殊过程中的考虑

一般设计产品时，习惯采用以往使用过的成熟工艺方法，对于结构电路设计时还会进行一定的对比分析，但是对于特殊过程仅从材料上考虑，这往往也带来些问题。

某一产品安装在安装托架上进行的试验，产品表面采用锌黄环氧底漆H06-2/环氧硝基H04-80的配套漆层。湿热试验后，产品四周漆层良好，但是底面膜层出现隆起、鼓泡。经过验证分析，发现试验过程中，冷凝水流入产品与安装托架的安装间隙，不能及时排出，使产品下盖板的漆膜长时间浸泡在湿热冷凝水中，并处于高低温交变循环的湿热试验状态，加大了漆膜在湿热试验中的严酷度，导致漆膜膨胀，膜层分子单元间隙增大。水分子通过膜层分子单元间隙不断浸入漆膜中间，随着渗透水量的增加以及深度的增加，渗透至漆层薄弱处，开始横向剥离，使漆膜隆起、鼓泡，最终诱发此类故障。

对比以往产品思考，以往同样类似产品未出现问题，从结构上讲，安装托架设计不同，托架与产品地面接触面处掏空部位多，每个横梁截面小，不容易形成大面积结构，不容易积水。看来，结构设计也是特殊过程处理应该考虑的方面。

3.6 采用更完善的工艺处理

在产品设计时，强度、热、降额设计等等通常进行余量考虑，其实在特殊过程中也应该进行考虑。如设备底面膜层隆起、鼓泡现象，从另一个侧面也反映了在湿热试验条件发生更严酷的变化后，膜层质量不能达到改变后的试验条件要求，设计余量小，进行工艺方法更改。使用性能更优的的表面处理，由锌黄环氧底漆H06-2/黑色环氧硝基H04-80的配套漆层改变为锌黄丙烯酸底漆TB06-6/黑色氟聚氨酯无光漆TS96-71。同样，对比导电氧化处理，又增加了涂覆保护剂增加防护性能。

4 结论

特殊过程确认一般基于“稳定流程生产，稳定合格产品”的原则，其目的为了杜绝“事后返工”，为了保证电子设备环境适应性，在设计时对特殊过程就应有一定的考虑，对特殊过程的确认应该进行完整的辨识和验证，对过程控制控制到位，对工艺方法进行充分分析和确定，最终保证满足产品的质量特殊性要求。