孫佳佳，張延偉，王智彬，龔 欣（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

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空間站常用元器件的霉菌敏感性研究

孫佳佳，張延偉，王智彬，龔 欣
（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

摘要：為研究空間站常用元器件的霉菌敏感性，選取空間站常用11大類元器件，針對(duì)霉菌對(duì)元器件的可能影響進(jìn)行深入分析?；诳臻g站特定霉菌環(huán)境設(shè)計(jì)了加速試驗(yàn)方案，研究建立了基于元器件損傷程度的敏感等級(jí)分類方法，獲取了不同元器件對(duì)霉菌的敏感性結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的敏感部位，為后續(xù)空間站用元器件質(zhì)保工作的完善奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空間站；元器件；霉菌；試驗(yàn)研究

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0　引言

空間站的建立對(duì)我國空間技術(shù)的進(jìn)步，乃至國民經(jīng)濟(jì)生活各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重大而深遠(yuǎn)的意義[1-2]，是我國空間實(shí)力的重要表征。不同于其他短期載人航天器，空間站載人艙內(nèi)須建立滿足航天員長期生存要求的適宜環(huán)境，這樣的環(huán)境也利于微生物滋生，而滋生的微生物會(huì)對(duì)航天員及空間電子設(shè)備造成不良影響，其中霉菌會(huì)侵蝕電子設(shè)備元器件進(jìn)而影響其相關(guān)功能、性能，如造成絕緣下降、電接觸不良、密封失效及結(jié)構(gòu)支撐能力減弱等，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引發(fā)設(shè)備或系統(tǒng)失效等災(zāi)難性事故[3-4]。據(jù)報(bào)道，國際空間站運(yùn)行期間，曾多次出現(xiàn)微生物影響事件[4-6]，例如2001年在俄羅斯艙內(nèi)，由于霉菌對(duì)電子部件的侵蝕造成煙感器故障[7]。針對(duì)國際空間站存在的霉菌問題，國外已開展了一系列有關(guān)航天材料抗菌防霉的試驗(yàn)研究，取得了多項(xiàng)研究成果[8-10]，但多針對(duì)于不同材料的耐霉性；有關(guān)元器件產(chǎn)品的霉菌試驗(yàn)及評(píng)價(jià)研究開展較少，且部分標(biāo)準(zhǔn)的具體判定依據(jù)由于技術(shù)保密原因尚未獲得。

目前我國針對(duì)空間站霉菌的研究主要集中在對(duì)航天員的影響方面，尚未系統(tǒng)開展空間站環(huán)境中霉菌對(duì)元器件的影響研究；空間站系統(tǒng)所使用的電子元器件有十幾萬只，其中絕大多數(shù)為國產(chǎn)，缺乏耐霉菌性能的數(shù)據(jù)，無法確定其在空間站環(huán)境中受霉菌影響的程度，給空間站的安全有效運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)我國空間站工程開展常用元器件的霉菌敏感性研究是十分必要的。

為此，本文基于空間站特定霉菌環(huán)境開展了元器件分類選擇及霉菌菌種選擇等試驗(yàn)方法研究，設(shè)計(jì)了相關(guān)的加速試驗(yàn)參數(shù)；從霉菌生長的程度及其對(duì)元器件性能影響程度出發(fā)，創(chuàng)造性地建立了元器件霉菌敏感等級(jí)的評(píng)定方法；通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的代表性分類分析，得到了最終的元器件霉菌敏感性結(jié)果。

1　空間站典型元器件選擇

空間站上元器件使用量大且種類多樣，基于霉菌對(duì)元器件的可能影響，將空間站常用11大類元器件按照封裝形式和材料不同開展霉菌敏感性研究；通過調(diào)研國際上相關(guān)研究結(jié)果，明確霉菌對(duì)元器件的影響主要包括絕緣性能下降、結(jié)構(gòu)支撐能力減弱、密封失效及電性能異常等問題，而這些影響與元器件的封裝類型及材料構(gòu)成密切相關(guān)。為方便后續(xù)開展元器件的霉菌敏感性研究，詳細(xì)梳理了不同類別元器件封裝類型及構(gòu)成材料，如表1所示。

表1　空間站常用元器件密封及材料類型Table 1　The categories of component encapsulations and materials in space station applications

基于封裝及材料相似性原則，密封集成電路可以替代密封半導(dǎo)體分立器件、光電器件、繼電器、濾波器等器件，其中高密度管腳密封集成電路管腳間距小，更易受到霉菌影響；阻容元器件的包封料可以替代非密封集成電路、非密封半導(dǎo)體分立器件的環(huán)氧樹脂類塑封料；連接器絕緣基座可以替代開關(guān)、熔斷器、磁性元件的工程塑料類塑封料；連接器接觸件及密封集成電路管腳可以替代元器件金屬類管腳。為了提高試驗(yàn)效率，確定線纜、連接器、阻容元器件及高密度管腳密封集成電路為研究對(duì)象。其中線纜常用的材料有PE、PTFE、FEP、X-ETFE等，連接器常用的材料有PPS、PBT、PC、銅及銅合金等，阻容元器件常用的材料有環(huán)氧樹脂、高溫阻燃漆、PP壓敏膠帶等，高密度管腳密封集成電路常用的材料有鐵鎳合金、可伐合金等，詳細(xì)的元器件規(guī)格和封裝材料種類如表2所示。

表2　研究選用的代表性元器件規(guī)格種類Table 2　Specifications and categories of typical components in the investigation

2　試驗(yàn)條件及方法確定

2.1霉菌種類選擇

據(jù)報(bào)道，迄今為止，國際空間站上發(fā)現(xiàn)了歸屬于12類的真菌35種，其中最主要的有曲霉菌、青霉菌、酵母菌和孢霉菌[11]。曲霉菌中黃曲霉、雜色曲霉及黑曲霉約占曲霉菌總菌種數(shù)量的50%；研究人員曾經(jīng)從國際空間站中被腐蝕的高分子材料中分離出包括球毛殼霉、雜色曲霉等真菌聚生體[12]，因此研究時(shí)需要考慮其對(duì)空間站元器件用高分子材料的影響；短柄帚霉雖在國際空間站發(fā)現(xiàn)的真菌菌種中數(shù)量占比很小，但其對(duì)硅橡膠具有特定影響，研究時(shí)需要考慮。我國對(duì)載人空間飛行器內(nèi)部的霉菌進(jìn)行了檢測(cè)分析，所得菌種與國際空間站中檢測(cè)到的菌種基本一致[11]。

參考GJB 150.10第4章節(jié)第3條款中對(duì)菌種的要求[13]，結(jié)合研究選定元器件材料類型，明確對(duì)試驗(yàn)材料存在影響的霉菌種類，具體內(nèi)容如表3所示。霉菌可以侵蝕、分解相應(yīng)的元器件材料，并將其作為自身生長所需養(yǎng)分，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)元器件性能劣化。

表3　影響試驗(yàn)元器件的霉菌種類Table 3　The categories of mould that influences the components under test

為使試驗(yàn)所用霉菌種類更真實(shí)地反映空間站菌種的實(shí)際情況，更有針對(duì)性地影響研究選定的元器件組成材料類型，研究所用霉菌菌種應(yīng)為影響選定元器件組成材料的霉菌種類與空間站實(shí)有霉菌種類的交集，因此將黃曲霉、雜色曲霉、黑曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉及短柄帚霉6種霉菌混合后，應(yīng)用至所有試驗(yàn)元器件中開展研究。

2.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

參考GJB 150.10的相關(guān)試驗(yàn)條件[13]，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)。

霉菌營養(yǎng)生長的溫度范圍因霉菌的種類不同而有所不同，多數(shù)霉菌營養(yǎng)生長的溫度范圍為10～35℃，在此范圍內(nèi)溫度升高，霉菌生長加快[14]，對(duì)相關(guān)元器件材料的影響速率加快。為了適當(dāng)提高霉菌影響速率同時(shí)保證試驗(yàn)溫度波動(dòng)不會(huì)對(duì)霉菌生長造成影響，霉菌試驗(yàn)設(shè)計(jì)為溫度加速試驗(yàn)，最終試驗(yàn)溫度確定為(30±5)℃。

相對(duì)濕度低于65%時(shí)，除個(gè)別霉菌菌種外，多數(shù)霉菌的孢子停止萌發(fā)，不再生長，而當(dāng)相對(duì)濕度大于65%時(shí)，濕度增大，霉菌生長加快；且在空間站艙內(nèi)有霉菌生長的地方，附近已有凝露或形成液滴，環(huán)境濕度已接近100%，在允許存在一定波動(dòng)的情況下，最終試驗(yàn)的相對(duì)濕度確定為(95±5)%。

霉菌發(fā)芽、分解含碳分子以及降解相關(guān)材料的最短時(shí)間周期為28d[13]，考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性，將試驗(yàn)時(shí)間確定為28d。

2.3元器件霉菌敏感等級(jí)建立

GJB150.10第5章節(jié)第3條款中給出了材料的霉菌生長等級(jí)規(guī)定[13]，主要是表征材料本身對(duì)霉菌的敏感性。而作為有一定功能和性能的元器件，其對(duì)霉菌的敏感性不僅表現(xiàn)在其所用材料的霉菌生長程度上，同時(shí)也表現(xiàn)在元器件功能、性能受影響的程度上。因此，針對(duì)元器件的霉菌敏感性評(píng)價(jià)可以從上述兩方面，采用定性與定量分析相結(jié)合的方式進(jìn)行，具體內(nèi)容如表4所示。

表4　元器件霉菌敏感等級(jí)的評(píng)定方法Table 4　The method for evaluating the grades of mould influence

2.4試驗(yàn)程序及檢測(cè)方法說明

接種前，將試件按要求安裝在溫濕度等條件符合設(shè)計(jì)要求的霉菌試驗(yàn)箱內(nèi)，放置在合適的支架上至少4h；通過噴霧器將混合孢子懸浮液噴灑在棉布對(duì)照條上，以及試件的內(nèi)外表面進(jìn)行接種，然后開始28d的的試驗(yàn)培養(yǎng)；在試驗(yàn)7d后后，若對(duì)照條90%以上的表面出現(xiàn)霉菌生長，則試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行至結(jié)束，否則判定本次試驗(yàn)無效。試驗(yàn)結(jié)束后，在不破壞試件狀態(tài)的前提下立即進(jìn)行檢測(cè)與記錄，使用立體顯微鏡觀察試驗(yàn)后試件上的霉菌生長情況；使用絕緣耐壓測(cè)試儀測(cè)試耐壓性，使用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試絕緣電阻，綜合獲得試件的絕緣耐壓試驗(yàn)結(jié)果；使用線性切割機(jī)、拋磨機(jī)及掃描電子顯微鏡對(duì)出現(xiàn)明顯霉菌侵蝕的試件進(jìn)行制樣顯微檢查，明確霉菌的侵蝕深度。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

按照表4所述的霉菌敏感等級(jí)評(píng)定方法，以已選定的4個(gè)空間站用典型元器件類別為代表，分析霉菌對(duì)元器件的影響情況。

1）以線纜為代表的的元器件受霉菌影響情況

選取16種型號(hào)規(guī)格線纜進(jìn)行試驗(yàn)，其中材料種類為PTFE、X-ETFE及FEP的5種型號(hào)規(guī)格線纜絕緣皮表面生長霉斑，霉斑生長面積小于樣品總表面積的10%，如圖11所示；其余11種纜表面未見明顯霉菌生長。顯微觀察可見線纜表面受霉菌侵蝕而凹凸不平；電測(cè)試結(jié)果顯示線纜的絕緣耐壓性能未發(fā)生明顯改變，符合1級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于部分線纜絕緣皮本身厚度較薄，霉菌長期侵蝕可能導(dǎo)致絕緣皮厚度持續(xù)減薄甚至穿透，嚴(yán)重影響線纜絕緣耐壓性能，所以將其敏感等級(jí)提升1級(jí)，最終評(píng)定霉菌敏感等級(jí)為2級(jí)。

圖1　線纜絕緣皮試驗(yàn)前后霉菌生長情況對(duì)比Fig. 1Mould growth of cable insulations before and after the experiment

2）以連接器為代表的元器件受霉菌影響情況

選取10種型號(hào)規(guī)格連接器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后連接器絕緣基座表面依材料不同生長出不同程度的霉斑、霉點(diǎn)，其中材料為PC、PPS及PBT的4種型號(hào)規(guī)格連接器絕緣基座表面的的霉菌生長面積小于樣品總表面積的10%，如圖2所示；其余6種連接器表面未見明顯霉菌生長。試件表面受霉菌侵蝕而凹凸不平；絕緣耐壓性能未發(fā)生明顯改變，符合1級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2　試驗(yàn)后絕緣基座長霉情況外觀Fiig. 2　The appearance of mould growth of the insulation base after the experiment

本次試驗(yàn)發(fā)發(fā)現(xiàn)連接器殼殼體表面存在在多處輕微腐蝕蝕，后續(xù)發(fā)展展可能影響結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及保保護(hù)作用，符合1級(jí)霉菌敏感感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。連接器藍(lán)色色標(biāo)識(shí)（主要成分分為環(huán)氧油墨墨）上均存在在霉點(diǎn)（如圖圖3所示），但標(biāo)標(biāo)識(shí)上的霉點(diǎn)點(diǎn)較輕，不影影響連接器關(guān)關(guān)鍵性能，符合1級(jí)霉菌敏感感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。未發(fā)現(xiàn)電連接接器接觸件存在在明顯霉菌生生長，符合00級(jí)霉菌敏感感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3　試驗(yàn)后連接器藍(lán)色標(biāo)識(shí)長霉情況外觀Figg. 3　The appearance of mould growth on the blue logo of the conneector after the experiment

3）以阻容元器件為代表的元器件受霉菌影響情況

選取12種型號(hào)規(guī)格阻容元器件進(jìn)行試驗(yàn)，其中材料為PP壓敏膠帶、高溫阻燃漆及環(huán)氧樹脂的7型號(hào)規(guī)格阻容元器件包封料表面出現(xiàn)霉菌生長情況，霉菌生長面積占樣品總表面積的10%～30%，如圖4所所示；其余5種阻容元器件表面未見明顯霉菌生長。受試驗(yàn)時(shí)間所限，霉菌侵蝕程度不深，但后續(xù)發(fā)展可能影響元器件的結(jié)構(gòu)支撐及包封保護(hù)功能；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)霉菌誘誘發(fā)管腳輕微腐蝕，后續(xù)發(fā)展可能影響元器件的電連接與結(jié)構(gòu)支撐可靠性。綜合分析認(rèn)為，整體情況符合2級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最終評(píng)定霉菌敏感等級(jí)級(jí)為2級(jí)。

圖4　試驗(yàn)后包封料長霉情況外觀Fig. 4　The appearance of mould growth on the plastic packaging materials after the experiment

4）以高密度管腳密封集成電路為代表的元器件受霉菌影響情況

選取7種型號(hào)規(guī)格高密度管腳密封集成電路進(jìn)行試驗(yàn)，其中霉菌生長僅搭接1種QFP封裝器件的部分相鄰管腳，如圖5所示。電測(cè)顯示，QFP封裝器件兩相鄰搭接管腳間的絕緣電阻由1010?下降至106～107?，下降明顯，符合2級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5　器件的管腳搭接狀態(tài)Fig. 5　The state of overlapping pins of the device

本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)QFP封裝器件金屬蓋板受霉菌腐蝕影響表面出現(xiàn)霉點(diǎn)、腐蝕空洞及分層現(xiàn)象，符合1級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。考慮霉菌長期作用存在穿透金屬蓋板的風(fēng)險(xiǎn)，將影響器件密封性，造成嚴(yán)重危害，因此將其敏感等級(jí)提升1級(jí)，最終評(píng)定霉菌敏感等級(jí)為2級(jí)。霉菌誘發(fā)管腳輕微腐蝕，后續(xù)發(fā)展可能影響器件的電連接與結(jié)構(gòu)支撐可靠性，符合1級(jí)霉菌敏感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此外，發(fā)光是光電器件不同于普通集成電路的特有功能，霉菌在光窗表面聚集生長會(huì)影響光電器件的正常發(fā)光特性，后續(xù)發(fā)展可能造成器件的關(guān)鍵功能失效，因此評(píng)定霉菌敏感等級(jí)為2級(jí)。

通過綜合分析上述代表性元器件的試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)空間站用元器件功能及材料相似性分類原則，獲得空間站常用11大類元器件對(duì)霉菌的敏感等級(jí)（霉菌影響等級(jí)），具體內(nèi)容如表5所示。

表5　空間站常用元器件霉菌敏感等級(jí)Table 5　The grades of mould sensitivity of components in space station applications

表5　（續(xù)）

4　結(jié)論及展望

本文通過分析霉菌對(duì)元器件的可能影響，對(duì)空間站常用11大類元器件進(jìn)行歸類劃分，依據(jù)空間站特定霉菌環(huán)境，選取了4類具有代表性的典型元器件進(jìn)行霉菌試驗(yàn)，建立了霉菌敏感等級(jí)分類判斷標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)了易受霉菌影響的敏感部位，闡釋了敏感部位長期處于霉菌環(huán)境中可能發(fā)生的問題及其對(duì)元器件功能、性能的影響，最終獲得了空間站常用元器件的霉菌敏感等級(jí)，明確了5大類對(duì)霉菌較敏感的元器件。值得注意的是，實(shí)際空間站上存在一定的空間輻照及空間微重力環(huán)境，可能改變霉菌的危害性[4,15-16]，影響霉菌對(duì)元器件材料的侵蝕能力[17]，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際情況與上述試驗(yàn)結(jié)果有所差異，但文章中建立的元器件霉菌敏感性評(píng)價(jià)方法可為后續(xù)開展空間環(huán)境的全面影響研究提供參考。

為了降低霉菌導(dǎo)致的元器件可靠性風(fēng)險(xiǎn)，全面提升空間站常用元器件的耐霉性，針對(duì)敏感等級(jí)為2級(jí)及以上的元器件，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行深入研究，在空間站用元器件質(zhì)保方面制定針對(duì)性的霉菌試驗(yàn)考核方法，指導(dǎo)空間站元器件的選用與改進(jìn)，以保障元器件的正常工作，確保空間站長期安全有效運(yùn)行。

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（編輯：閆德葵）

The mould sensitivity of components in space station applications

Sun Jiajia, Zhang Yanwei, Wang Zhibin, Gong Xin
(China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China)

Abstract:Eleven kinds of components in the space station application are selected to investigate the mould sensitivity, and the possible influence of the mould on the components. According to the specific mould environment in space stations, the accelerated testing is designed and carried out. The grades of the mould sensitivity are determined based on the damage extent of the mould in the components, and the experimental results are discussed. The result of sensitivity for the components in the mould environment and their sensitive parts may serve as a reference for improving the quality assurance of the components used in space stations.

Key words:space station; components; mould; experimental study

作者簡介：孫佳佳（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇沼詈娇茖W(xué)與技術(shù)；E-mail: castsjj516@163.com。指導(dǎo)教師：張延偉（1972—），男，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事元器件可靠性研究工作。

基金項(xiàng)目：中國航天宇航元器件工程中心自主研發(fā)項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-03-24

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.012

中圖分類號(hào)：Q939.11；V416.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1673-1379(2016)02-0178-06