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淺談環(huán)境試驗(yàn)中濕度的影響機(jī)理

2021-12-31 21:53:48·  來(lái)源：汽車(chē)測(cè)試網(wǎng)  
　
Part1: 濕度的影響機(jī)理在汽車(chē)電子零部件的DVP中經(jīng)常會(huì)要求做一些帶濕度的環(huán)境試驗(yàn)，以模擬在高濕的環(huán)境條件下驗(yàn)證產(chǎn)品的電子電氣可靠性水平。試驗(yàn)這門(mén)學(xué)科本身涉
Part1: 濕度的影響機(jī)理
在汽車(chē)電子零部件的DVP中經(jīng)常會(huì)要求做一些帶濕度的環(huán)境試驗(yàn)，以模擬在高濕的環(huán)境條件下驗(yàn)證產(chǎn)品的電子電氣可靠性水平。試驗(yàn)這門(mén)學(xué)科本身涉及的知識(shí)點(diǎn)非常廣泛，想玩轉(zhuǎn)試驗(yàn)其實(shí)也沒(méi)有那么容易，這是一門(mén)綜合的學(xué)科和技術(shù)，需要持之以恒的學(xué)習(xí)和實(shí)踐！下面我們就一起探討以下關(guān)于濕度試驗(yàn)的基本失效機(jī)理和影響。

總體來(lái)說(shuō)，環(huán)境試驗(yàn)中的濕度現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：
【吸附現(xiàn)象】：
氣體分子在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)可能碰撞固體物質(zhì)的表面，當(dāng)一定數(shù)量的氣體分子停留在固體物質(zhì)表面上的濃度高于它在氣相中的濃度就會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)。這種氣體在固體表面上的停留的現(xiàn)象稱之為吸附。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣體吸附量與固體物質(zhì)的性質(zhì)、溫度及平衡時(shí)的氣體的壓力三者有關(guān)。溫度越低，壓力越高，吸附量就越大。
【凝露現(xiàn)象】：
凝露就是水分子在被試驗(yàn)樣品上吸附的一種現(xiàn)象，但它是在試驗(yàn)溫度變化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。在溫度上升時(shí)，被試驗(yàn)樣品表面溫度低于周?chē)諝饴饵c(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣變回在被試驗(yàn)樣品表面凝結(jié)成液體形成水珠。在交變濕熱試驗(yàn)溫度上升階段，由于被試驗(yàn)樣品的熱慣性，所以它的溫度上升會(huì)滯后于試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度。由此就會(huì)在被試驗(yàn)樣品表面產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。這種表面凝露量的多少取決于被試驗(yàn)樣品的熱容量的大小以及空氣溫度上升的速度和溫度上升時(shí)的相對(duì)濕度。在溫濕度試驗(yàn)的降溫階段，封閉外殼的內(nèi)壁比內(nèi)部空氣的溫度下降更快，這時(shí)也會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。
而露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的溫差與相對(duì)濕度有關(guān)，其規(guī)律是：
①相對(duì)濕度為90%RH，其溫差變化范圍為1.5~2℃；
②相對(duì)濕度為85%RH，其溫差變化范圍為2.5~3℃；
③相對(duì)濕度為80%RH，其溫差變化范圍為3.5~4℃；
④相對(duì)濕度為70%RH，其溫差變化范圍為5.5~6℃。
這個(gè)規(guī)律說(shuō)明，相對(duì)濕度越大，產(chǎn)生凝露的溫差范圍越小。
【擴(kuò)散現(xiàn)象】：
擴(kuò)散是分子運(yùn)動(dòng)的一種物理現(xiàn)象。在擴(kuò)散過(guò)程中，分子總是從濃度大的地方向濃度小的地方遷移。溫濕度試驗(yàn)中水蒸氣向濃度較低的內(nèi)部擴(kuò)散的速度與水蒸氣濃度梯度、材料的活化能和溫度有關(guān)。
【吸收現(xiàn)象】：
吸收是指水蒸氣與空氣混合后通過(guò)材料的間隙進(jìn)入材料內(nèi)部，它可以由擴(kuò)散、滲透或毛細(xì)凝結(jié)三種物理過(guò)程綜合形成。擴(kuò)散和滲透除了與試驗(yàn)條件中的濕度和溫度有關(guān)外，還與材料的擴(kuò)散或滲透系數(shù)有關(guān)，這也就是說(shuō)與被試驗(yàn)樣品的材料特性有關(guān)。毛細(xì)管凝結(jié)現(xiàn)象是有毛細(xì)管內(nèi)水分的表面張力造成。當(dāng)水分吸附在設(shè)備試驗(yàn)樣品表面微小毛細(xì)管上時(shí)，若水分與毛細(xì)管潤(rùn)濕得很好，則其頁(yè)面將形成凹形，這時(shí)睡眠表面張力的作用，使凹面上的飽和蒸汽壓力比周五水汽壓低。因此，在周?chē)形达柡蜁r(shí)，孔隙內(nèi)彎月面就有可能達(dá)到飽和水汽壓，使水汽在孔隙內(nèi)凝結(jié)起來(lái)。不斷的凝結(jié)會(huì)使蒸汽吸入毛細(xì)管深處。這種現(xiàn)象造成的吸收與毛細(xì)管的大小形狀有關(guān)，另外也與被試驗(yàn)樣品的材質(zhì)有關(guān)。
其中吸收和擴(kuò)散作用：水分子可以通過(guò)固體材料分子間的間隙擴(kuò)散到材料內(nèi)部，遵循Fick和Non-Fickian定律。
【呼吸作用】：
對(duì)于不完全密封的封閉外殼的產(chǎn)品，若內(nèi)部有較大容積的空腔，當(dāng)試驗(yàn)溫度變化時(shí)，空腔內(nèi)的空氣壓力隨之變化。由于這種壓力的變化引起空腔內(nèi)外空氣的流動(dòng)稱之為呼吸作用。在溫度上升階段這周呼吸作用是由空腔向外流，而在降溫階段這種呼吸作用是想空腔內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)內(nèi)腔與外界空氣產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)也會(huì)帶來(lái)內(nèi)腔濕度的變化。
水汽侵入產(chǎn)品主要有2條路徑：
①通過(guò)吸附在產(chǎn)品內(nèi)外表面形成凝露；
②通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入材料內(nèi)部。
值得注意的是：上述的物理現(xiàn)象，在溫濕度試驗(yàn)中通常會(huì)是多個(gè)同時(shí)作用，只是某些時(shí)候會(huì)是某一現(xiàn)象來(lái)主導(dǎo)。如溫度上升時(shí)凝露是造成被試驗(yàn)樣品表面吸潮的主要原因；高溫階段的擴(kuò)散和吸收是造成被試驗(yàn)樣品吸潮的主要原因；而在降溫階段呼吸作用會(huì)使得潮氣滲入空腔內(nèi)部。
通常這些濕度和溫度相互耦合，會(huì)導(dǎo)致的產(chǎn)品失效表現(xiàn)的模式有：
a)、加速金屬表面的氧化和電蝕作用;
b)、加速表面有機(jī)涂層電化學(xué)反應(yīng), 破壞表面涂層的保護(hù)作用;
c)、由于材料的吸附作用導(dǎo)至材料膨脹, 從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的損傷;
d)、由于吸濕、吸附等物理現(xiàn)象的影響, 會(huì)引起電氣絕緣性能降)低;
e)、由于凝露和游離的水汽, 會(huì)導(dǎo)至電氣短路, 熱傳遞特性變差, 光學(xué)器件成像與傳輸質(zhì)量變壞。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品故障中由受潮引起的故障占各環(huán)境因素引起故障的19%。
Part2: 不同類型的濕度試驗(yàn)對(duì)比
濕度試驗(yàn)在不同的OEM企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中大體可以分為兩類：恒定濕熱和交變濕熱。比如說(shuō)：GB/T 2423.3 實(shí)驗(yàn)Cab：恒定濕熱實(shí)驗(yàn)；GB/T2423.4 實(shí)驗(yàn)Db：交變濕熱（12h+12h循環(huán)）。IEC 60068-2-78是穩(wěn)態(tài)濕熱；IEC 60068-2-30是交變濕熱…..
對(duì)于這兩種試驗(yàn)的主要區(qū)別有以下兩點(diǎn)：
1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有無(wú)凝露的產(chǎn)生
恒定濕熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求不能有凝露產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)主要依靠水汽的擴(kuò)散、吸附作用，引起材料特性變化、產(chǎn)品的機(jī)械性能和電性能變化，達(dá)到識(shí)別產(chǎn)品缺陷的目的。
交變濕熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中依靠溫度的變化，形成呼吸作用，在產(chǎn)品內(nèi)外表面形成凝露，使產(chǎn)品吸水引起材料特性變化、產(chǎn)品的機(jī)械性能和電性能變化，而且凝露會(huì)引起電化學(xué)反應(yīng)，加速腐蝕過(guò)程，甚至?xí)甬a(chǎn)品短路。
2、產(chǎn)品內(nèi)部濕度的變化差異
恒定濕熱是恒溫恒濕的環(huán)境，設(shè)備受潮主要由水汽的吸附、擴(kuò)散引起。
根據(jù)塑封器件的吸濕測(cè)試，可以得到如下結(jié)論：①外界環(huán)境相對(duì)濕度越大，塑封材料達(dá)到濕度飽和時(shí)水汽含量越高；②塑封材料中水汽達(dá)到飽和的時(shí)間與濕度關(guān)系不大，一般貯存300h后水汽可達(dá)到飽和。
交變濕熱是變溫環(huán)境，設(shè)備受潮除了受水汽的吸附、擴(kuò)散影響外，凝露是一個(gè)非常重要的影響因素。
所以：
如果失效原因是由水汽擴(kuò)散引起的，比如高分子材料性能變化，優(yōu)先選擇恒定濕熱實(shí)驗(yàn)；如果失效原因是由凝露引起的，比如金屬腐蝕或相鄰器件短路，優(yōu)先選擇交變濕熱實(shí)驗(yàn)。在失效分析的過(guò)程中，也要注意是哪一種濕熱試驗(yàn)，其導(dǎo)致失效的主要影響機(jī)理側(cè)重點(diǎn)不同！
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免濕氣對(duì)產(chǎn)品的侵蝕，可以考慮一些設(shè)計(jì)方法和方式：
1. 產(chǎn)品采用密封設(shè)計(jì)，防止?jié)駳膺M(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部。在密封之前將產(chǎn)品內(nèi)部清潔干凈，并且將密封腔內(nèi)的濕度盡可能降低，以避免低溫時(shí)在內(nèi)部產(chǎn)生凝露。如果有條件，可以采用抽真空、充惰性氣體或干燥空氣的辦法；
2. 大體積產(chǎn)品采用通風(fēng)、排水等措施消除濕氣，必要時(shí)可采用加熱或除濕機(jī)來(lái)消除濕氣；
3. 表面涂三防漆來(lái)隔絕濕氣，或者產(chǎn)品內(nèi)部通過(guò)灌膠等方式來(lái)隔絕濕氣；
4. 產(chǎn)品表面涂防露涂層，避免產(chǎn)生凝露；
5. 通過(guò)增加調(diào)濕板、吸潮劑等裝置來(lái)調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的濕度；
6. 產(chǎn)品采用保溫隔熱設(shè)計(jì)，保證腔體內(nèi)部的溫度穩(wěn)定；
7. 對(duì)電子元器件趨于進(jìn)行coating處理等等。
其次在做不同類型的濕度試驗(yàn)時(shí)，通常以下這些方面和細(xì)節(jié)是需要被關(guān)注的：
1. 試驗(yàn)用水電導(dǎo)率的要求，保證試驗(yàn)用水的純凈度；
2. 試驗(yàn)箱內(nèi)部的清潔；
3. 濕度紗布的及時(shí)更換；
4. 恒定濕熱關(guān)注濕度和溫度的相對(duì)穩(wěn)定；
5. 樣件之間，樣件和箱壁之間的間距要求等。 
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