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[导读]本篇主要介绍导致电子产品失效的几种主要环境应力,内容节选自《电子微组装可靠性设计(基础篇)》。

本篇主要介绍导致电子产品失效的几种主要环境应力,内容节选自《电子微组装可靠性设计(基础篇)》。

电子产品的工作过程中,除了电载荷的电压、电流等电应力外,环境应力还包括高温和温循、机械振动和冲击、潮湿和盐雾、电磁场干扰等。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。

电子产品制造出来后,从筛选、库存、运输到使用、维修,无不受到环境应力的作用,致使产品的物理、化学、机械和电性能不断发生变化,其变化过程可以是缓慢的,也可以是瞬变的,这完全取决于环境应力的种类和应力的大小。

一、 温度应力

在任何环境下电子产品都会承受温度应力,温度应力的大小取决于所处的环境类型、产品结构和工作状态,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,组件产品将无法工作在规定的电参数范围内,可能导致产品材料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,高温过应力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,稳态温度应力的作用则表现在长时间作用的效应上,温度的长时间作用使产品材料逐渐老化、电性能参数漂移或超差,最终导致产品失效,对产品而言此时承受的温度应力是长期温度应力。电子产品承受的稳态温度应力来自产品所处的环境温度载荷和自身功耗产生的热量,例如,由于散热系统故障、装备高温热流泄漏会导致部件温度超出允许温度的上限,部件承受的是高温过应力;在贮存环境温度长期稳定的工作状态下,产品承受的是长期温度应力。可以通过步进高温烘烤试验确定电子产品的耐高温极限能力,通过稳态寿命试验(高温加速)评价电子产品在长期温度下工作的寿命。

变化温度应力,是指电子产品处于变化温度状态时,由于产品各功能材料的热膨胀系数的差异,导致材料界面承受因温度变化所产生的一种热应力。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,变化温度应力的作用表现为长时间的作用效应,材料界面不断承受温变下产生的热应力,局部微区可能出现微裂损伤,这种损伤逐渐积累,最终导致产品材料界面开裂或破损失效,此时产品承受的是长期温变应力或称温度循环应力。电子产品承受的变化温度应力来自产品所处环境的温度变化和自身的开关工作状态。例如,在从温暖的室内搬到寒冷的室外、在强烈的太阳辐射下、突然降雨或浸到水中、飞机从地面到高空的快速温度变化、寒带环境的间断工作、太空中朝阳和背阳的变化、微电路模块的再流焊和返工等情况下,产品承受的是温度冲击应力;在自然气候温度的周期变化、间断工作状态、设备系统本身的工作温度变化、通信设备通话量变化导致设备功耗波动的情况下,产品承受的是温度循环应力。可以通过热冲击试验评价电子产品在遭受温度巨变时的抵抗能力,通过温度循环试验评价电子产品在高低温交替变化条件下长时间工作的适应能力。

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。机械振动按其产生的原因分类有自由振动、强迫振动、自激振动;按机械振动的运动规律分类有正弦振动、随机振动,这两种振动形式对产品产生的破坏力不同,后者破坏力度更大,因此振动试验考核大部分采用随机振动试验。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;若发生共振则导致过应力开裂失效,使电子产品发生瞬间结构破坏。电子产品承受的机械振动应力来自工作环境的机械载荷,例如,飞机、车辆、船舶、空中飞行器和地面机械结构的旋转、脉动、振荡等环境机械载荷,特别是在产品非工作状态下的运输中和作为车载或机载部件在工作状态下的运行中都难免承受机械振动应力。可以通过机械振动试验(特别是随机振动试验)评价电子产品在工作过程中受到重复性机械振动的适应能力。

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,如导致电子产品误动作、瞬间开路/短路以及组装封装结构的开裂、断裂等。与振动的长时间作用所带来的累积损伤不同,机械冲击对产品的破坏表现为能量的集中释放,所以机械冲击试验量级较大、冲击脉冲持续时间较短,造成产品破坏的峰值即主脉冲的持续时间只有数毫秒至数十毫秒,主脉冲之后的振动衰减很快。这种机械冲击应力的大小由峰值加速度和冲击脉冲持续时间共同决定,峰值加速度的大小反映了施加给产品的冲击力的大小,而冲击脉冲持续时间的长短对产品的影响则与产品的固有频率有关。电子产品承受的机械冲击应力来自电子设备和装备机械状态的剧烈变化,例如,车辆紧急制动和撞击、飞机的空投和坠落、炮火的发射、化学能爆炸和核爆、导弹爆炸等带来的强烈机械冲击力,由于装卸、运输或现场工作而造成的突然受力或突然移动也会使产品承受机械冲击力。可以通过机械冲击试验评价电子产品(如电路结构)在使用和运输中受到非重复性机械冲击的适应能力。

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。离心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。离心力的大小与运动物体的质量、运动速度和加速度(旋转半径)有关,对于焊接不牢固的电子元器件,在离心力的作用下会发生因焊点脱开而导致的元器件飞离现象,使产品失效。电子产品承受的离心力来自电子设备和装备在运动方向上连续变化的运行状态,例如,运行的车辆、飞机、火箭以及导弹变向等,使得电子设备及内部元器件要承受重力以外的离心力作用,其作用时间从几秒到几分钟不等,以火箭、导弹为例,一旦变向完成则离心力消失,再次变向离心力又再次作用,可能形成长期不断作用的离心力。可以通过恒定加速度试验(离心试验)评价电子产品特别是大体积表贴元件焊接结构的牢固性。

三、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。例如,在长期高湿条件下,绝缘材料吸潮后绝缘性能下降,造成短路或高压电击;对于接触性电子元件,如插头、插座等,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;严重潮湿环境下,雾气或水汽会使继电器触点动作时出现火花,无法再动作;半导体芯片对水汽更为敏感,一旦芯片表面水汽超标,其布线Al的腐蚀会变得极为迅速;为避免电子元器件被水汽腐蚀,采取包封或气密封装技术使元器件与外界大气和污染隔离。电子产品承受的潮湿应力来自电子设备和装备工作环境中附着材料表面的水汽和渗入元器件内部的水汽,潮湿应力的大小与环境湿度的高低有关。我国东南沿海地区是湿度较高的地区,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。可以通过稳态湿热试验、耐湿试验评价电子产品在高湿条件下使用或贮存的适应性。

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时,将使其表面电阻降低,而绝缘体吸收盐溶液后,它的体电阻将降低4个数量级;盐雾附着在运动的机械部件表面时,由于腐蚀物的产生增大了摩擦系数甚至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。电子产品承受的盐雾应力来自大气环境中的含盐雾气,在沿海地区或船舶、舰艇上,大气中含有很多盐分,这对电子元器件的封装带来严重影响。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。

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,其特性分别用电场强度E(或电位移D)和磁通密度B(或磁场强度H)表示。在电磁场中,电场和磁场密切相关,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。电磁波能够在真空或物质中自传播,电场和磁场同相振荡且相互垂直在空间以波的形式移动,移动中的电场、磁场、传播方向三者相互垂直,在真空中电磁波的传播速率为光速(3×10 ^8m/s)。通常电磁干扰关注的电磁波是无线电波和微波,电磁波频率越高电磁辐射能力越大。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。可以通过电磁兼容性试验和电磁场近场扫描检测评价电子组件的抗电磁干扰能力。


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