电子控制器内预浸盐雾介质腐蚀效应分析

郑南飞，刘俊邦，陈荻云，张少锋,2*

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点试验室，广东 广州 511370）

引言

当今世界地缘政治突出，应国家战略需求，航空装备极端海洋环境下实战训练成为常态，热带海洋环境下的高温高湿与盐雾对航空装备的环境试验性提出挑战[1-3]。其中，电子控制器作为核心电子装备，随着装备的结构更精细，复杂程度的提高，需要控制的参数增加，数字电子控制器的大运算量以及同时控制多参数变化的能力，使其成为主流的发展趋势[4,5]。

针对热带海洋环境对电子控制器的印制电路板与板上元器件的影响，袁敏[6]等应用多种印制电路板涂覆工艺制备的电路板进行西沙自然环境暴露试验。在试验后，印制电路板出现明显腐蚀，导致电路板的电气性能指标下降，包括绝缘电阻与介质耐电压性能。在电子元器件的腐蚀研究中，高明[7]等以塑封集成运算放大器为研究对象，在不同湿热环境下，由于外置镀层的缺陷导致外引线腐蚀，使得电子元器件的失效。结合实际环境因素，水汽中的灰尘，腐蚀介质增加了水汽的导电率，加快腐蚀速率，破坏电子元器件外部镀层，直接影响其性能和使用寿命。

为了增强数字电子控制器在受到外部环境因素影响后的测试性与维修性，研究学者提出机内测试技术（BIT）[8-11]，以应对控制器功能越加复杂，集成度高的发展趋势，减少数字电子控制器的维修保障成本，降低控制器试验成本。李海伟[9]等在航空电子设备设计中，充分考虑集成电路，模拟电路，元器件的功能特性，以嵌入式测试诊断方法构建BIT 软件，涵盖电子设备的各功能电路测试。袁剑平[12]等以电液伺服阀放大器为研究对象，对其BIT 设计方法进行研究，验证了该BIT 的检测和隔离故障能力。

因此，本论文针对盐雾与湿热环境对航空电子控制器的影响，结合机内测试技术，分析环境因素的腐蚀效应，定位故障位置，探讨航空电子控制器在腐蚀环境下的薄弱环节。

1 试验部分

1.1 试验样件

选用电子控制原理样机作为试验对象，如图1 所示。在打开外壳盖板的情况下进行试验，内部的印制电路板与电路板上焊接的电子元器件涂覆三防漆，暴露于试验环境下。

图1 电子控制器

1.2 试验方法

为模拟电子控制器在热带海洋环境下被盐雾介质浸入的服役状态，采用盐雾试验与湿热试验结合，探究盐雾与湿热环境对电子控制器内部的影响。

盐雾介质浸入试验是将电子控制器原理样机去除外壳，电路板直接接触大气下，开展中性盐雾试验，如图2 所示，在盐雾环境下放置2 h，使盐雾介质浸入电子控制器。试验条件为（35±2）℃，喷雾溶液为氯化钠溶液，浓度为（5±1）%，pH 值为6.5～7.2，盐雾沉降率为（1.0～2.0）mL（h.80 cm2）。

图2 盐雾介质浸入试验

交变湿热试验是将经过盐雾浸入试验的控制器置于湿热箱，湿热箱由广州五所环境仪器有限公司提供。依据GB/T 2423.4-2008 电工电子产品环境试验 第2 部分开展交变湿热试验，试验程序见图3。交变湿热试验如图4所示

图3 交变湿热试验程序

图4 交变湿热试验

1.3 功能检测与故障排查

在每次试验后，应用机内测试技术对电路系统进行在线的故障自检测，利用上位机软件模拟控制器实际工作电路状态，如图5 所示。

图5 电子控制器机内测试

通过上位机软件的异常参数判断控制器原理样机中的电路故障，结合电路板原理图纸，利用万用表和示波器对电路板中的故障电路中的关键点和器件的管脚继续检测[13]，与完好控制器相应位置的测量值或信号输出进行对比。通过逐一更换故障器件，排除控制器故障并得到在盐雾和湿热环境下电路板的薄弱环节。

2 结果与讨论

2.1 试验开展与结果

电子控制器在盐雾介质浸入试验2 h 后，内部的电路板与元器件表面沉积有氯化钠，未发现有明显腐蚀现象，如图6 所示。通电进行机内测试，各项参数正常，机内测试未出现故障现象。

图6 盐雾介质浸入试验后的电子控制器

强制盐雾介质浸入试验后，进行交变湿热试验。在交变湿热试验4 天后，控制器内多个电子元器件出现明显腐蚀现象，DC/DC 电源模块，两路开关量输出电路SIP 模块，场效应晶体管表面出现明显腐蚀，如图7 所示。通电进行机内测试，各项参数正常，机内测试未出现故障现象。

图7 交变湿热试验4 天后的电子控制器

控制器完成检测后，继续开展4 天的交变湿热试验。试验后，控制器内的电子元器件腐蚀程度加深，如图8所示，出现明显腐蚀的元器件数量增多，从试验4 天时的4 个发展至16 个，并且同一元器件随湿热试验时间延长其腐蚀面积增大。相比于试验4 天的控制器，DC/DC电源模块腐蚀面积增加约三分之一，主要出现在表面的左边和下边的边缘处；两路开关量输出电路SIP 模块主要在右下方增加腐蚀点；场效应晶体管呈现多处的局部腐蚀，试验时间的延长使得腐蚀产物区域颜色加深，从橙黄色变成深褐色。通电进行机内测试，上位机内状态量显示上电异常，模拟量参数异常。重启电源进行测试，上位机无法接收到控制器的信号。

图8 交变湿热试验8 天后的电子控制器

2.2 故障定位与器件更换

2.2.1 晶体振荡器

在试验结束后，对故障控制器进行检测。通过直流稳压电源供电，记录控制器的上电电流，并利用万用表对电路板上的关键测量点进行电压检测，检测数据如表1 所示，检测供电电路是否故障，检测结果与完好控制器相同，供电电路正常。

表1 供电电路关键测量点电压

考虑电路板的烧录程序出错导致上位机软件没法接收控制器信号。应用软件对电路板进行重新烧录程序，烧录软件显示通讯超时，无法完成重新烧录，而完好控制器能够正常快速完成重新烧录。

考虑晶体振荡器故障，无法产生高精度与稳定的时钟信号，使控制器产生的数据无法传送至电脑，上位机软件未接收到数据信号。通过示波器对晶体振荡器进行检测，完好控制器中的晶体振荡器输出的信号为16 MHz的方波，故障控制器的晶体振荡器输出信号为不规则的波形，难以读出其信号频率，如图9 所示。从图10 可见，晶体振荡器表面腐蚀严重，产生明显锈迹。

图9 晶体振荡器输出信号

2.2.2 场效应晶体管

在更换晶体振荡器后，控制器上电进行机内测试，上位机软件可以正常接收控制器信号数据，如图11 所示，上位机软件界面左边为故障控制器的运行状态，有两个状态量未能正常点亮，考虑其对应电路SWO03 故障。

图11 试验后机内测试上位机软件界面

利用万用表对SWO03 电路的关键点进行检测，并与正常控制器进行对比，如表2 所示。推测场效应晶体管故障，测量场效应晶体管的阻抗，其阻抗值如表3 所示，故障器件的阻抗从正常值的MΩ 级下降至kΩ 级。从图12 可见，场效应晶体管边缘多处腐蚀，表面腐蚀面积大于50 %。通过对器件进行粗细检漏，故障场效应晶体管存在严重漏气，盐雾和水分的侵蚀导致器件的外部保护失效，推测盐雾潮湿空气侵入器件内部腐蚀芯片和引线，使其失效。

表2 SWO03 电路关键测量点电压

图12 试验后场效应晶体管外观腐蚀

在更换器件后，电子控制器上电进行机内测试，上位机软件内各状态量与模拟量参数正常，控制器正常运行。

3 总结

通过本论文的研究，电子控制器在完全暴露在盐雾和湿热环境下时，多处元器件出现明显腐蚀，导致其性能下降，使得电子控制器的功能异常。盐雾介质强制进入电子控制器内部环境，加快了潮湿空气对电子元器件的腐蚀速率，潮湿环境下含盐的水膜吸附于元器件表面破坏其镀层或涂层，水汽在表面缺陷处侵入，腐蚀元器件内部电路和芯片等，影响其使用和寿命。