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导致电子产品失效的几种典型环境应力

来源:未知2022-10-24
       电子产品的可靠性是衡量其性能的重要指标。无论是民用还是军用,可靠性是产品研制生产者及使用者关注的重点之一。电子产品的工作过程中,除受到电载荷的电压、电流等电应力外,还包括高低温循环、机械振动和冲击、盐雾、电磁场等。在上述环境应力的作用下,产品可能出现性能退化、参数漂移、材料腐蚀等,甚至失效。

      电子产品使用过程中,环境应力致使产品的物理、化学、机械和电性能不断发生变化,其变化过程取决于环境应力的种类和应力的大小,以下介绍几种典型的环境应力。

.温度应力
       温度应力包括稳态温度应力和变化温度应力。稳态温度应力,是指电子产品在某一温度环境下工作或贮存时自身的响应温度。当响应温度超过产品所能承受的极限时,组件产品可能产生软化变形或绝缘性能下降,甚至过热烧毁,对产品而言此时承受的是高温过应力,能在很短的作用时间内就能导致产品失效;当响应温度未超过产品规定的工作温度范围时,稳态温度应力长时间作用在产品上,使产品材料逐渐老化、电性能参数漂移,最终导致产品失效。
       变化温度应力,是指电子产品处于变化温度状态时,由于各功能材料的热膨胀系数的差异,导致材料界面产生的一种热应力。当温度变化剧烈时,可能使产品在材料界面发生瞬间爆裂而失效,此时产品承受的是温变过应力或称温度冲击应力;当温度变化较为缓慢时,局部微区可能出现微裂损伤,损伤逐渐积累,导致产品材料界面开裂或破损失效。
 
变化温度应力产生裂纹

二.机械应力
      电子产品承受的机械应力包括机械振动、机械冲击、恒定加速度(离心力)三种应力。
      机械振动应力,是指电子产品在环境外力的作用下围绕某一平衡位置进行往复运动所产生的一种机械应力。机械振动对电子产品的影响包括由振动引起产品的变形、弯曲、裂纹、断裂等,长期处于振动应力作用下的电子产品,将使结构界面材料因疲劳而出现开裂,发生机械疲劳失效; 
      机械冲击应力,是指电子产品在环境外力的作用下与另一物体(或构件)发生单次相互直接作用,导致产品在瞬间发生力、位移、速度或加速度的突然变化所产生的一种机械应力,在机械冲击应力的作用下,产品能在极短的时间内释放转移相当大的能量,使产品遭受严重破坏。
      恒定加速度(离心力)应力,是指电子产品在运动的载体上工作时由于载体运动方向连续变化而产生的一种离心作用力。是一种虚拟的惯性力,它使旋转的物体始终保持着远离旋转中心的趋势,离心力与向心力大小相等、方向相反,一旦由合外力形成并指向圆心的向心力消失,旋转物体将不再旋转而是沿此刻旋转轨迹的切线方向飞出,对产品而言此刻便发生了破坏。

.潮湿应力
      潮湿应力是指电子产品在一定湿度的大气环境中工作时所承受的潮湿应力。电子产品对湿度非常敏感,一旦环境的相对湿度超过30%RH,产品金属材料就有可能受到腐蚀,电性能参数可能漂移或超差。如绝缘材料绝缘性能下降,造成短路或高压电击;电子元件,其表面附着水分的情况下容易发生腐蚀,生成氧化膜,使得接触性器件电阻增大,严重时将造成电路不通;在湿度较高的地区,特别是春夏季节,相对湿度最高达到90%RH以上,潮湿影响是一个不可回避的问题。
 
电路板浸水腐蚀

四.盐雾应力
      盐雾应力是指电子产品在由含盐微小液滴构成的大气弥散环境中工作时材料表面所承受的盐雾应力。盐雾一般来自海洋气候环境、内地盐湖气候环境,其主要成分为NaCl和水汽,Na+和Cl-离子的存在是导致金属材料被腐蚀的根本原因。当盐雾附着在绝缘体表面将其表面电阻降低,盐雾附着在运动的机械部件表面会因腐蚀物的产生增大了摩擦系数而会出现运动部件被卡死的状况;尽管采取了包封和气密封装技术以避免半导体芯片的腐蚀,但电子器件的外引脚不可避免经常因盐雾锈蚀而失去作用;印制电路板(PCB)的腐蚀物可以把相邻的布线短路。可以通过盐雾试验加速腐蚀的方式评价电子封装耐盐雾的适应性。
 
盐雾试验箱

五.电磁应力
      电磁应力是指电子产品在电场和磁场交互变化的电磁场中所承受的电磁应力。电磁场包含电场与磁场两个方面。时变的电场会引起磁场,时变的磁场会引起电场,电场与磁场相互激励导致电磁场的运动而形成电磁波。对电子组件产品而言,电磁场的电磁干扰(EMI)是影响组件电磁兼容性(EMC)的主要因素,这种电磁干扰源来自电子组件内部元器件之间的相互干扰和外部电子设备的干扰,对电子组件的性能和功能可能造成严重影响。例如,DC/DC电源模块内部磁性元件若对电子器件产生电磁干扰,将直接影响输出纹波电压参数;射频辐射对电子产品的影响会通过产品外壳直接进入内部电路,或被接口线端转化为传导骚扰,进入产品内部。