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可靠性環(huán)境試驗

來源：昆山宏展儀器有限公司 2011年10月06日 16:52

環(huán)境試驗作為可靠性試驗的一種類型已經(jīng)發(fā)展成為一種預(yù)測產(chǎn)品使用環(huán)境是如何影響產(chǎn)品的性能和功能的方法。也就是說，在產(chǎn)品投入市場之前，環(huán)境試驗被用來評估環(huán)境影響產(chǎn)品的程度；當(dāng)產(chǎn)品的功能受到了影響，環(huán)境試驗被用來查明原因，并采取措施保護(hù)產(chǎn)品免受環(huán)境影響以保持產(chǎn)品的可靠性。這些試驗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了其初的目的，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于包括材料和產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)過程中的各種不同檢查、運(yùn)輸之前的檢驗和運(yùn)輸后的質(zhì)量控制，也被用來分析產(chǎn)品的實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的缺陷以及新產(chǎn)品的改進(jìn)。環(huán)境試驗對于檢測方法和保持產(chǎn)品可靠性是非常有效的。

我們這里講的環(huán)境試驗是狹義的，實(shí)際是指人工模擬的環(huán)境試驗（以下稱為環(huán)境試驗）。廣義上環(huán)境試驗基本分為“自然暴露試驗”、“人工模擬試驗”和“現(xiàn)場運(yùn)行試驗”三類。自然暴露試驗，是將樣品長期暴露在自然環(huán)境條件下進(jìn)行測試?，F(xiàn)場運(yùn)行試驗，是將樣品裝置在各種典型的使用現(xiàn)場并使它處于正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試。這兩種試驗都能直接反映產(chǎn)品實(shí)際使用中的性能和可靠性，也是驗證人工模擬試驗準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。但是試驗周期都較長，花費(fèi)人力物力大，并且前者試驗條件不能控制，影響試驗的再現(xiàn)性，且有時跟不上產(chǎn)品的發(fā)展；后者數(shù)據(jù)反饋慢。因此為了在較短時間內(nèi)能鑒定產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)能力，在科研和生產(chǎn)工作中多采用人工模擬環(huán)境試驗，即在實(shí)驗室的試驗設(shè)備（箱或室）內(nèi)模擬一個或多個環(huán)境因素的作用，并予以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化。人工模擬試驗的試驗條件的確定，要求既能模擬環(huán)境中主要因素影響的真實(shí)性，又能在時間上起一定的加速作用，但是加速的程度不應(yīng)改變產(chǎn)品實(shí)際損壞機(jī)理的規(guī)律。為此，人工模擬試驗的試驗條件和方法必須與產(chǎn)品環(huán)境條件的等級、數(shù)值有機(jī)地起來。

如圖1所示，環(huán)境試驗簡單劃分可分為“氣候環(huán)境試驗”、“機(jī)械環(huán)境試驗”和“綜合環(huán)境試驗”。與氣候有關(guān)的環(huán)境試驗包括溫度、濕度與壓力等環(huán)境應(yīng)力試驗，而機(jī)械環(huán)境試驗則包括沖擊和振動等環(huán)境應(yīng)力試驗，綜合環(huán)境試驗則是綜合氣候和機(jī)械等環(huán)境因素的應(yīng)力試驗。

圖1 環(huán)境試驗類型

環(huán)境試驗

機(jī)械環(huán)境試驗

綜合環(huán)境試驗

氣候環(huán)境試驗

所處環(huán)境應(yīng)力：沖擊、振動、碰撞、加速、高噪音、疾風(fēng)

所處環(huán)境應(yīng)力：機(jī)械環(huán)境和氣候環(huán)境相結(jié)合的環(huán)境因素

所處環(huán)境應(yīng)力：溫濕度、氣體、鹽霧、風(fēng)雨、壓力、太陽輻射

當(dāng)然，使用環(huán)境試驗設(shè)備進(jìn)行的試驗并不可能*地再現(xiàn)出產(chǎn)品的使用環(huán)境以及模擬出所有的環(huán)境因素，在這里必須理解環(huán)境試驗的局限性。由單一因素（溫度、濕度、壓力、振動、沖擊或某一物質(zhì)如鹽）構(gòu)成的環(huán)境試驗稱之為簡單環(huán)境試驗。實(shí)際上產(chǎn)生*單一的環(huán)境很困難，而且大部分試驗環(huán)境都是十分復(fù)雜的。因此在設(shè)計試驗條件時，試驗人員需要選擇對產(chǎn)品有大影響為重要的環(huán)境因素，所以說環(huán)境試驗只能是一個與真實(shí)環(huán)境還存在很大區(qū)別的人為環(huán)境。

一般性，產(chǎn)品的缺陷是由以下幾個方面造成的：

a. 原材料的濃度和多樣性、摩擦、磨損、應(yīng)力、熱、電流以及電場強(qiáng)度，這些因素會影響產(chǎn)品某些方面的性能；

b. 在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中由產(chǎn)品特性（原材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)部件以及大規(guī)模生產(chǎn)時）所引發(fā)的因素；

c. 外界環(huán)境產(chǎn)生的應(yīng)力。

因此，試驗條件必須依據(jù)具體的產(chǎn)品條件而定，對于不同的產(chǎn)品是不一樣的。如果被試驗研究的產(chǎn)品發(fā)生了變化，相應(yīng)的環(huán)境試驗也要改變。

2. 溫度應(yīng)力

環(huán)境應(yīng)力條件可以引起產(chǎn)品失效，Hughes航空公司（美國）技術(shù)資料明確地表示了失效與環(huán)境應(yīng)力之關(guān)（見圖2）?？梢娫诟鞣N應(yīng)力影響之中溫度和濕度環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)地失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的60％左右，而溫度應(yīng)力與失效之間存在著密切的關(guān)系。

目前，在世界各地，無論從陸地到海洋或者從高空到宇宙空間，都廣泛地使用電子電工以及其他領(lǐng)域的產(chǎn)品。由于氣溫隨著高度的增加而降低或在冬季高緯度地區(qū)，或者有些產(chǎn)品所在位置接近制冷元件、設(shè)備或系統(tǒng)，或者有些產(chǎn)品本身就包括制冷元件、設(shè)備或系統(tǒng)，從而產(chǎn)生低溫環(huán)境。低溫幾乎對所有的材料都會產(chǎn)生不同程度的有害影響，構(gòu)成產(chǎn)品的各種材料的物理性能、電性能等將發(fā)生變化，導(dǎo)致暫時性或*性的性能下降，甚至引起失效。

同樣，低緯度熱帶地區(qū)的自然高溫、太陽輻射的增溫、通風(fēng)不良引起的溫升以及散熱樣品在使用中自身發(fā)熱引起的溫升等產(chǎn)生的高溫，高溫會使電子組合可靠性下降，機(jī)械結(jié)構(gòu)的密封件、橡膠件和塑料件等受高溫和太陽照射作用會迅速老化和劣化，其他各種材料的結(jié)構(gòu)、物理性能、電性能也會發(fā)生很大的變化，導(dǎo)致暫時或*性的損傷和性能變化。

另外，在產(chǎn)品貯存、運(yùn)輸、使用和安裝過程以及中，除自然氣候的變化以外，也會遇到因人類的社會實(shí)踐而誘發(fā)的環(huán)境溫度的變化。例如設(shè)備從溫度較高的室內(nèi)移到溫度相對較低的室外；或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內(nèi)；或者在室外使用的設(shè)備在強(qiáng)烈的太陽輻射之后突然降雨或浸到冷水；或者溫度的極度升高導(dǎo)致焊錫回流現(xiàn)象出現(xiàn)，或者啟動馬達(dá)時周圍器件的溫度急速升高，關(guān)閉馬達(dá)時周圍器件會出現(xiàn)溫度驟然下降；或者設(shè)備可能在溫度較低地環(huán)境中連接到電源上，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生陡峭的溫度梯度，在溫度較低地環(huán)境中切斷電源可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度；或者當(dāng)航空器起飛或者降落時，航空器機(jī)載外部器材可能會出現(xiàn)溫度地急劇變化等等。由于急劇的溫度變化將使產(chǎn)品受到一定熱沖擊力，在這種熱沖擊力的作用下，將導(dǎo)致電子電工元件的涂覆層脫落、密封材料龜裂甚至破碎、填充材料泄漏等，從而引起電子元器件電性能下降；對于由不同材料構(gòu)成的產(chǎn)品，由于溫度變化時產(chǎn)品受熱不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品變形、開裂、破碎等。由于溫度變化產(chǎn)生較大的溫差，低溫時產(chǎn)品表面會產(chǎn)生凝露或結(jié)霜，高溫時蒸發(fā)或融化，如此高低溫反復(fù)作用的結(jié)果導(dǎo)致和加速了產(chǎn)品的腐蝕。

下表給出了溫度應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型。

表2 溫度應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型

失效				環(huán)境應(yīng)力條件	敏感元件和材料
大分類		中分類（原因）	失效模式	環(huán)境應(yīng)力條件	敏感元件和材料
溫度	高溫老化	老化	抗拉強(qiáng)度老化絕緣老化	溫度+時間	塑料、樹脂
		化學(xué)變化	熱分解	溫度	塑料、樹脂
		軟化、熔化、汽化、升華	扭曲	溫度	金屬、塑料、熱保險絲
		高溫氧化	氧化層的結(jié)構(gòu)	溫度+時間	連接點(diǎn)材料
		熱擴(kuò)散（金屬化合物結(jié)構(gòu)）	引線斷裂	溫度+時間	異金屬連接部位
	中級破壞	半導(dǎo)體	熱點(diǎn)	溫度、電壓、電子能	非均質(zhì)材料
	熱積聚燃燒	（剩余的熱燃燒）	燃燒	加熱+烘干+時間	塑料（例如帶有維尼綸和聚氨酯油漆的木質(zhì)芯片）
	穿刺	內(nèi)在的	短路絕緣性差	高溫（200~400℃）	銀，金，鋼鐵，鎂，鎳，鉛，鈀，鉑，鉭，鈦，鎢，鋁
	穿刺	非內(nèi)在的	短路絕緣性差	高溫（400~1000℃）	銅，銀，鐵，鎳，鈷，錳，金，鉑和鈀的鹵化物
	遷移	電遷移	斷開，引線斷裂	溫度（0.5Tm）+電流（密度為10⁶A/cm²）	例如鎢，銅，鋁（特別是集成電路中的鋁引線）
	蔓延	金屬	疲勞，損壞	溫度+應(yīng)力+時間	彈簧，結(jié)構(gòu)元件
	蔓延	塑料	疲勞，損壞	溫度+應(yīng)力+時間	彈簧，結(jié)構(gòu)元件
	低溫易脆	金屬	損壞	低溫	體心立方晶體（例如銅，鉬，鎢）和密排立方晶體（例如鋅，鈦，鎂）及其合金
	低溫易脆	塑料	損壞	低溫+低濕度	高玻璃化溫度（例如纖維素乙烯氨），低彈性的非晶體（例如苯乙烯，丙烯酸甲酯）
	焊劑流動	焊劑流粘到冷金屬表面	噪聲，連接不實(shí)	低溫	特別是連接到印刷電路板上的元件（例如開關(guān)，連接器件）

因而，當(dāng)討論與溫度有關(guān)的產(chǎn)品壽命時，一般采用“θ℃規(guī)則”的表達(dá)方式。具體應(yīng)用時可以表達(dá)為“10℃規(guī)則”等，例如當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升10℃時，產(chǎn)品壽命就會減少一半；當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升20℃時，產(chǎn)品壽命就會減少到四分之一。這種規(guī)則可以說明溫度是如何影響產(chǎn)品壽命（失效）的。

反之，人們可以在較短的時間內(nèi)，利用升高環(huán)境溫度或降低環(huán)境溫度或利用超高溫和超低溫的交替來加速產(chǎn)品的失效現(xiàn)象發(fā)生，確定產(chǎn)品的特性變化以及由于構(gòu)成元器件的異種材料熱膨脹系數(shù)不同而造成的故障問題。多應(yīng)用于開發(fā)篩選試驗、材料特性試驗、極限試驗、評估試驗、品質(zhì)確認(rèn)試驗、加速壽命老化試驗等多種場合的需要。

3. 溫度試驗設(shè)備

溫度試驗設(shè)備一般由工作室、調(diào)節(jié)設(shè)備、輔助設(shè)備、控制系統(tǒng)組成。其中調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括加熱器、蒸發(fā)器和送風(fēng)裝置等，輔助設(shè)備主要室制冷機(jī)組，控制系統(tǒng)包括溫度控制器、程序設(shè)定器、安全報警裝置等。

加熱器多用電阻絲或電熱管的電加熱方式實(shí)現(xiàn)；除了對無散熱試樣高溫試驗的干燥箱可以采用自然加熱以外，一般都要都配有送風(fēng)裝置進(jìn)行強(qiáng)迫空氣循環(huán)，送風(fēng)方式多用上側(cè)送下側(cè)回或全面孔板頂送下側(cè)回的方式，對于整個試驗設(shè)備的均勻性能很重要。

制冷方式使用較多為機(jī)械制冷，冷凍機(jī)有半封閉或全封閉形式，冷卻回路也有水冷形式或空冷形式，冷媒現(xiàn)已多采用環(huán)保型冷媒，節(jié)流方式采用毛細(xì)管或者電子膨脹閥方式，可以提高精度和回路的壽命，并且能長期連續(xù)工作。

控制系統(tǒng)現(xiàn)在一般采用PID方式，使加熱功率隨設(shè)備實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差自動進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，溫度波動度??；顯示部分也由以前數(shù)顯方式提升到液晶觸摸屏方式，例如ESPEC集團(tuán)的P計裝就是采用6.54英寸TFT彩色液晶顯示畫面，清晰美觀，更便于操作。

另外，設(shè)備的保溫層采用玻璃棉或者聚氨酯發(fā)泡層，導(dǎo)熱系數(shù)小，耐溫性好。溫度檢測采用熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻方式等，精度高。

進(jìn)行溫度試驗時需要考慮詳盡周全，所以考慮選擇相應(yīng)合適的試驗設(shè)備也是至關(guān)重要的。

1. 必須要求測試范圍要滿足產(chǎn)品失效可能性試驗范圍，即無論是高溫箱還是低溫箱或者冷熱沖擊箱都應(yīng)能夠滿足試驗要求所規(guī)定的極值溫度條件。

2. 必須以保證試驗樣品的體積不應(yīng)大于試驗設(shè)備工作容積的1/5的原則來選擇試驗設(shè)備。

3. 為保證試驗區(qū)內(nèi)溫度的均勻性，根據(jù)樣品的散熱性來選擇是否采用強(qiáng)迫空氣循環(huán)或無強(qiáng)迫空氣循環(huán)方式。例如上海ESPEC生產(chǎn)的LG型干燥箱采用熱風(fēng)自然對流方式，特別適宜粉狀物干燥，而LC型干燥箱就采用熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)方式。設(shè)備溫度分布的差異對試驗結(jié)果影響會更大，當(dāng)采用較大的樣品時，或者在同一時間測試的樣品數(shù)量較大時，試驗的結(jié)果將隨著位置的不同而存在很大差別，因此應(yīng)該選擇溫度均勻性盡可能好的設(shè)備。例如上海ESPEC生產(chǎn)的Z系列調(diào)溫箱，均勻性達(dá)到2.0℃。

4. 樣品溫度有采用上風(fēng)和采用下風(fēng)傳感器溫度測量兩種方式。設(shè)備的溫度控制傳感器位置及控制方法是可以選擇的，要根據(jù)試驗要求選擇合適的設(shè)備。

5. 防止試驗區(qū)產(chǎn)生熱輻射或者熱傳導(dǎo)所引起的樣品吸熱或放熱，要求設(shè)備的加熱或冷卻系統(tǒng)裝置對樣品無影響。

6. 便于記錄、顯示，進(jìn)行循環(huán)試驗時要求安裝自動計數(shù)器、指示燈、記錄設(shè)備以及自動關(guān)閉等儀表裝置。

7. 便于樣品放置可以要求用于放置或懸掛的樣品架，且樣品架不會因高低溫變化改變其機(jī)械性能。

8. 應(yīng)具有將測試電源引入設(shè)備工作室內(nèi)的引線孔。

9. 無論對于樣品的損壞性和試驗人員安全都要有保護(hù)防范措施。例如設(shè)有觀察窗及照明，設(shè)有電源斷相、缺水、超溫保護(hù)、操作人員保護(hù)等報警裝置。

10. 是否需要遠(yuǎn)程遙控監(jiān)測功能。

使用溫度試驗設(shè)備時的注意事項：

1. 進(jìn)行大塊樣品試驗時上升氣流和下降氣流會出現(xiàn)溫濕度偏差，因此應(yīng)該仔細(xì)考慮放置樣品位置。盡量放置在試驗設(shè)備工作空間的中心位置上，樣品之間不得互相接觸和重疊，應(yīng)留有一定的間隔以使空氣流通；而且還應(yīng)該保證進(jìn)行試驗時樣品易于移動，測試時容易替換樣品。

2. 檢查試驗區(qū)內(nèi)有無油氣等易揮發(fā)性物質(zhì)，檢查有無氣味的物質(zhì)，這類物質(zhì)試驗后果必須預(yù)*行確認(rèn)。

3. 注意確認(rèn)試驗區(qū)內(nèi)試驗樣品的溫度狀況。

4. 為保持溫度區(qū)內(nèi)溫度一致，需要盡可能保證試驗環(huán)境溫度及設(shè)備動力電源波動小，確保試驗樣品不產(chǎn)生熱輻射并不吸收熱量從而保證試驗區(qū)溫度平穩(wěn)。

5. 在溫度試驗設(shè)備結(jié)束測試以后，迅速取走試驗樣品會對樣品產(chǎn)生不必要的應(yīng)力，并可能得到意想不到的結(jié)果。因此，必須在試驗樣品冷卻到環(huán)境溫度后才能取出樣品。

6. 試驗樣品的安裝和支撐架的熱導(dǎo)率應(yīng)低，以保證試驗樣品與安裝和支撐架間處于一種絕熱狀態(tài)。

不同產(chǎn)品的試驗內(nèi)容是由試驗要求者、設(shè)計者以及試驗人員共同決定的。從提供試驗相符合的試驗設(shè)備的角度出發(fā)，建立一個試驗設(shè)備的技術(shù)規(guī)格框架，試驗設(shè)備供應(yīng)商可以根據(jù)這個框架來提供設(shè)備的具體規(guī)格。每一種可模擬試驗環(huán)境的試驗設(shè)備一般都有測量系統(tǒng)，因此使用現(xiàn)成的設(shè)備和購買新設(shè)備都是非常容易的。簡單的試驗設(shè)備也可以自己動手制造，但是要考慮成本、試驗結(jié)果的可靠性、控制程度以及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全因素等。

結(jié)語

環(huán)境試驗是一個可使產(chǎn)品增值的過程，不容忽視。而溫度型環(huán)境試驗作為環(huán)境試驗中為基礎(chǔ)的一種，運(yùn)用領(lǐng)域及其廣泛，大大提高了我國軍用和民用產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，并直接導(dǎo)致了產(chǎn)品的質(zhì)量提升。本文就溫度應(yīng)力和相關(guān)的溫度型環(huán)境試驗設(shè)備作了簡單的基礎(chǔ)的介紹，根據(jù)使用要求準(zhǔn)確選擇使用，才能達(dá)到環(huán)境試驗的真正目的。

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