傅釗

（廣州愛(ài)斯佩克環(huán)境儀器有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著市場(chǎng)對(duì)體積小、密度高且功能強(qiáng)的便攜式電子產(chǎn)品的需求增加，對(duì)新材料、新器件及新加工方法也提出了更高的要求。因此，幾乎所有的廠商都對(duì)其零配件供應(yīng)商要求供應(yīng)的零配件是滿足某些特定環(huán)境條件的合格產(chǎn)品。

評(píng)價(jià)產(chǎn)品價(jià)值不應(yīng)僅局限于對(duì)產(chǎn)品自身功能與性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。換句話說(shuō)，質(zhì)量是產(chǎn)品價(jià)值的基礎(chǔ)，產(chǎn)品價(jià)值取決于其自身質(zhì)量，也是廠家生存的根本。產(chǎn)品投放到市場(chǎng)后發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，性能的損壞程度并不直接影響產(chǎn)品成本，但對(duì)廠家來(lái)講最大的損失莫過(guò)于品牌信譽(yù)的損失。為了避免相關(guān)的損失，在產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前，有必要對(duì)產(chǎn)品作質(zhì)量鑒定。環(huán)境試驗(yàn)不僅能夠通過(guò)模擬試驗(yàn)和產(chǎn)品壽命老化試驗(yàn)來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量鑒定，同時(shí)還是目前質(zhì)量保證體系中必不可少的先決條件。

環(huán)境試驗(yàn)是確認(rèn)與改善工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的主要方法，也是可靠性試驗(yàn)的重要組成部分。環(huán)境試驗(yàn)大致可分為 “氣候環(huán)境試驗(yàn)”、 “機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)”和“綜合環(huán)境試驗(yàn)”。與氣候有關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)包括溫度、濕度、鹽霧及壓力等環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，而機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)則包括沖擊和振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。這里僅介紹與氣候有關(guān)的溫度、濕度及高低溫溫度沖擊等對(duì)產(chǎn)品的影響。

環(huán)境應(yīng)力條件可以引起產(chǎn)品失效，美國(guó)航空公司的相關(guān)資料明確地表示了失效與環(huán)境應(yīng)力之間的關(guān)系（如圖1所示）。圖中可見(jiàn)，在各種應(yīng)力的影響之下，溫度和濕度環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)的失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的60%左右。

2 溫度濕度環(huán)境對(duì)產(chǎn)品性能的影響

環(huán)境試驗(yàn)始見(jiàn)于第二次世界大戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)美軍出現(xiàn)了諸如從美國(guó)運(yùn)至亞洲的機(jī)載電子設(shè)備，到達(dá)目的地后部分不能正常使用、將近一半以上的備用電子設(shè)備儲(chǔ)備在倉(cāng)庫(kù)時(shí)就已經(jīng)失效的問(wèn)題，由此引起美軍的極大重視。經(jīng)調(diào)查確認(rèn)，大多數(shù)設(shè)備的失效問(wèn)題是起因于亞洲熱帶多雨潮濕環(huán)境下濕熱應(yīng)力的混合作用。

2.1 濕熱環(huán)境所導(dǎo)致的一般失效事例

高溫高濕條件作用于試驗(yàn)樣品上，可以引發(fā)水汽吸附、吸收和擴(kuò)散等問(wèn)題。許多材料在吸濕后膨脹、性能變壞、引起物質(zhì)強(qiáng)度降低及其它主要機(jī)械性能的下降，吸附了水汽的絕緣材料會(huì)引起電性能下降及絕緣性能降低等。濕熱環(huán)境引起的失效問(wèn)題可以匯總成表1。

2.2 塑封半導(dǎo)體器件腐蝕而引起的失效現(xiàn)象

在硅片上集成有大量電子元件的集成電路芯片及其元件通過(guò)導(dǎo)線連接起來(lái)構(gòu)成電路。鋁和鋁合金常被當(dāng)作集成電路的金屬導(dǎo)線使用。從進(jìn)行集成電路塑封工序開(kāi)始，水汽便有可能通過(guò)環(huán)氧樹脂滲入，引起鋁金屬導(dǎo)線產(chǎn)生腐蝕進(jìn)而產(chǎn)生開(kāi)路現(xiàn)象。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行了各種改進(jìn)，包括：采用不同的環(huán)氧樹脂材料，改進(jìn)塑封技術(shù)以及提高非活性塑封膜，但是，隨著日新月異的半導(dǎo)體電子器件小型化發(fā)展，塑封鋁金屬導(dǎo)線腐蝕問(wèn)題至今仍然沒(méi)有得到徹底的解決。濕氣滲透路徑一般歸結(jié)為：水汽滲入塑封殼的表面，水汽滲入環(huán)氧樹脂及引線的表面，最終水汽到達(dá)芯片的表面，滲透到晶片表面的水汽會(huì)引起鋁化學(xué)反應(yīng)。

表1 濕熱環(huán)境所引起的主要失效現(xiàn)象

在實(shí)際環(huán)境中，單純作為水的水分量并不足以產(chǎn)生故障，但只要有其它因素存在，因?yàn)樗哂信c其它因素容易結(jié)合、使周圍的物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，往往就會(huì)導(dǎo)致電氣、電子產(chǎn)品發(fā)生故障。

在實(shí)際的市場(chǎng)環(huán)境中，由于構(gòu)成產(chǎn)品的材料相互間熱膨脹系數(shù)的不同而導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)上的扭曲變形，從而引發(fā)電氣、電子產(chǎn)品的故障。其結(jié)果是，造成膨脹率不同的材料的界面就會(huì)產(chǎn)生空隙。即使是同一種材料，所使用的密封材料自身也會(huì)發(fā)生龜裂的現(xiàn)象。通過(guò)這些空隙在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的水分，或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間從整體所滲入的水分，就會(huì)從連接通路的構(gòu)成材料的表面溶解進(jìn)各種各樣的污染物質(zhì)，或者滲透到達(dá)內(nèi)部的電氣回路。這樣就與回路的構(gòu)成材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電流和電場(chǎng)、磁場(chǎng)也會(huì)助長(zhǎng)這個(gè)反應(yīng)。而且這個(gè)反應(yīng)受溫度的影響很大。這種單純的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)按先后、或同時(shí)反復(fù)作為復(fù)合應(yīng)力作用的結(jié)果可以解釋導(dǎo)致產(chǎn)品功能老化、發(fā)生故障的原因。也就是說(shuō)，可以認(rèn)為是物理原因和化學(xué)原因交替或同時(shí)進(jìn)行作用，加速了產(chǎn)品的老化，導(dǎo)致故障產(chǎn)生。因此，可根據(jù)故障機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中除去含有缺陷的產(chǎn)品，達(dá)到降低偶發(fā)故障期間的故障率，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的目的。

2.3 溫度冷熱沖擊而引起的失效現(xiàn)象

為了保證電子產(chǎn)品具有更高的可靠性水平，隨著產(chǎn)品耐濕性能的提高，除了相對(duì)固定式的溫度濕度試驗(yàn)外，對(duì)溫度冷熱沖擊試驗(yàn)的要求也越來(lái)越多，具體表現(xiàn)在：

1）為減少成本，采用新材料，新工藝；

2）整機(jī)的小型化使得元器件更加容易受熱；

3）加工過(guò)程中元器件可能會(huì)受到嚴(yán)重的熱應(yīng)力影響，例如：當(dāng)采用焊錫焊接時(shí)；

4）由于產(chǎn)品精度的要求，元器件連續(xù)地受到更大的熱應(yīng)力影響；

5）隨著便攜式電子產(chǎn)品的普及，產(chǎn)品使用環(huán)境變得更加復(fù)雜、苛刻；

6）可靠性要求及水平越來(lái)越高。

冷熱溫度沖擊不同于普通濕熱環(huán)境，它是通過(guò)冷熱溫度沖擊來(lái)發(fā)現(xiàn)常溫狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的潛在故障問(wèn)題。決定冷熱溫度沖擊試驗(yàn)的主要因素有：試驗(yàn)溫度范圍、暴露時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、試驗(yàn)樣品重量及熱負(fù)荷等。

在國(guó)外，冷熱溫度沖擊試驗(yàn)經(jīng)常作為產(chǎn)品出廠前的一種篩選試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行100%的全數(shù)檢查。同時(shí)，冷熱沖擊試驗(yàn)也作為加速可靠性試驗(yàn)的一種方式被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段。無(wú)論何種情況，試驗(yàn)?zāi)康亩际菫榱嗽谳^短的時(shí)間內(nèi)確認(rèn)產(chǎn)品特性的變化，以及由于構(gòu)成元器件的異種材料熱膨脹系數(shù)的不同而造成的故障問(wèn)題。這些變化可以通過(guò)將元器件迅速交替地暴露于超高溫和超低溫的試驗(yàn)環(huán)境中觀察到。發(fā)現(xiàn)設(shè)備或零部件在設(shè)計(jì)上與制造上的隱患，降低產(chǎn)品故障率的方法。這就是冷熱溫度沖擊試驗(yàn)要求日益增加的重要原因。

以下幾點(diǎn)是實(shí)際生產(chǎn)或使用環(huán)境中存在的，且具有代表性的冷熱溫度沖擊環(huán)境，這些冷熱沖擊環(huán)境常常是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要原因。

a）溫度的極度升高而導(dǎo)致焊錫回流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

b）啟動(dòng)馬達(dá)時(shí)周圍器件的溫度急速升高，關(guān)閉馬達(dá)時(shí)周圍器件會(huì)出現(xiàn)溫度驟然下降的現(xiàn)象。

c）設(shè)備從溫度較高的室內(nèi)移到溫度相對(duì)較低的室外，或者從溫度相對(duì)較低的室外移到溫度較高的室內(nèi)。

d）設(shè)備可能在溫度較低的環(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；或是在溫度較低的環(huán)境中切斷電源，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度。

e）設(shè)備可能會(huì)因?yàn)榻涤甓蝗焕鋮s。

f）當(dāng)航空器起飛或者降落時(shí)，航空器機(jī)載外部器材可能會(huì)出現(xiàn)溫度的急劇變化。

環(huán)境試驗(yàn)在發(fā)展初期主要是模擬地球上的自然環(huán)境來(lái)展開(kāi)的。但是，現(xiàn)在的環(huán)境試驗(yàn)早已脫離了當(dāng)初模擬試驗(yàn)的范疇，基本上被認(rèn)為是人為的加速試驗(yàn)。所以也有人把加速試驗(yàn)定義為 “以縮短試驗(yàn)時(shí)間為目的，比基準(zhǔn)更嚴(yán)格的條件下進(jìn)行試驗(yàn)”。

但是，認(rèn)為能承受比基準(zhǔn)條件更嚴(yán)格的產(chǎn)品，即認(rèn)為其在使用環(huán)境下具有高可靠性，則顯得過(guò)于輕率了。事實(shí)上，即使能承受最為嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件的產(chǎn)品，在普通的環(huán)境下發(fā)生故障的例子也?？梢?jiàn)到。例如：聚酯等酯類樹脂在僅僅受到常溫應(yīng)力作用時(shí)，即使在150℃下其壽命也有數(shù)萬(wàn)小時(shí)。其吸水率范圍為0.1%左右，即使吸水，其物性也是基本不變的。但是溫度和濕度同時(shí)作用時(shí)，如在20℃100%RH的條件下，有27年壽命的產(chǎn)品；在35℃100%RH的條件下其壽命僅為3天。另外，在加水分解時(shí)，存在金屬離子和堿離子；在聚丙烯的酸化分解時(shí)，如果存在遷移元素的銅和顏料，這些分解物起到了加速觸媒的作用，在短時(shí)間內(nèi)就可發(fā)生被分解物質(zhì)。

因此，不能完全相信在進(jìn)行加速試驗(yàn)時(shí)，單單對(duì)試驗(yàn)施加嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件就顯得足夠了。必須要正確把握試驗(yàn)應(yīng)力的內(nèi)容，應(yīng)對(duì)個(gè)別應(yīng)力的組合效果進(jìn)行分析。除溫度外，潮濕也是導(dǎo)致電子設(shè)備失效的主要環(huán)境應(yīng)力之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

從定性的觀點(diǎn)觀察產(chǎn)品的故障現(xiàn)象，一般是在產(chǎn)品所使用的材料物質(zhì)固有的老化原因和從外部來(lái)的物理的、化學(xué)的要因相組合時(shí)開(kāi)始發(fā)生。產(chǎn)品受到自身及周圍的各種環(huán)境的影響，老化速度能加速，在反應(yīng)物質(zhì)消耗并產(chǎn)生穩(wěn)定的生成物的過(guò)程中，產(chǎn)品自身的性能降低或停止。造成故障的因素是多種多樣的，其中溫度和濕度（水分）為起因的現(xiàn)象是電氣、電子產(chǎn)品的可靠性課題研究者最基本的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。

環(huán)境試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)性工作是在試驗(yàn)條件下，觀察產(chǎn)品的耐性，使產(chǎn)品的弱點(diǎn)早期曝露，對(duì)其弱點(diǎn)進(jìn)行改良，當(dāng)然，改良后的確認(rèn)試驗(yàn)的必要性還是不可少的。

[1]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編[G].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.