非密封性分系统热循环试验中的防结露问题

The Problem of Moisture Deposition in Thermal Cycle Test for Unsealed Subsystem
摘 要： 电工和电子分系统在热循环试验中没有采取防结露措施或措施不当，导致温度循环过程中空气中的水汽凝结在分系统内部加电工作的组件上，使组件的漏电增加、性能变坏，从而导致分系统出现故障。通过对某分系统在热循环试验中失效组件
的分析，发现导致组件失效的原因是试验中防结露措施不当造成的，从而对热循环试验中的防结露保护措施提出了改进方法。?
关键词： 组件；分系统；热循环试验；失效分析；结露?
中图分类号： TP 21
文献标识码： A???
Abstract：When the unsealed electronic and electoric subassemblies or subsystems
are tested in thermal cycle test，moisture deposition in the working units shall
be prevented.Or it can cause the surface leakage current increase and
metal corrosion and other failure.?
Keywords：unit；subsystem；thermal cycle test；moisture deposition??

1 前 言?
美军标MIL－STD－1540 C和国军标GJB 1027均规定军用电工和电子部件或分系统根据研制的不同阶段要进行鉴定热循环试验和验收热循环试验。鉴定热循环试验的目的是鉴定组件或分系统在鉴定温度范围内的工作能力；验收热循环试验的目的是使组件或分系统经受热循环环境来检测出材料、加工和制造质量的缺陷。这两项试验都是为了对产品进行温度应力筛选，暴露出因零件、材料和制造工艺中潜在缺陷造成的早期故障而实施的。在美军标MIL－STD－1540 C和国军标GJB 1027中对这两项试验均有规定，同时在补充要求中提到“在非密封性分系统试验时，应采取措施避免在低温时组件表面和内部产生水汽冷凝”。
因此在热循环试验中要采取措施防止在低温时组件表面和内部产生水汽冷凝，如果在试验中没有采取相应措施或所采取的措施不当，就会导致试验容器内部有水汽凝结在加电工作电路板上，导致组件漏电增加或短路，严重时甚至会导致电路烧毁；凝露还可能造成电子设备的绝缘电阻下降、漏电增加，严重时甚至会出现飞弧和击穿等现象；同时在电、潮湿和温度的共同作用下还会引起电化学反应和金属化腐蚀，从而导致部件或分系统内部组件金属化系统的失效。本文从对一个非密封性分系统在热循环试验中失效组件的分析入手，复现了失效现象，分析了组件失效的原因，从而指出在热循环试验中采取有效措施防止水汽凝结在加电工作的电路板上的重要性和改进措施。?
2 案例分析?
2.1 分析背景?
2000年7月，航天科技集团公司某厂某重点航天型号遥控终端分系统进行热循环试
验时，发现试验箱温度由低温(-15 ℃)到高温(65 ℃)转换过程中，试验箱内温度约为-10 ℃时，分系统出现故障，输出误码，经进一步检查证实是由于双4位移位寄存器C 423输出时有时无造成的，当试验箱温度升高到50 ℃时分系统和C 423输出特性均恢复正常，重复上述温度循环过程，再次出现相同故障，因此判断组件C 423失效，把C 423拆下后进行失效分析。同时了解到被试分系统为非密封性结构，试验时采用在分系统外面加密封性塑料薄膜的办法，防止试验箱内水汽凝结到分系统内部。?
2.2 分析过程?
从分系统上拆下的C 423为北京宇翔电子公司生产的“七专”等级的双4位移位寄存器，为了查找失效原因对C 423进行了如下检查和测试：?
（1）外观检查，没有发现与分系统上出现的故障现象有关的缺陷存在。?
（2）对器件进行了常温测试（25 ℃），测试结果表明器件功能和参数均正常。考虑到器件在温度变化过程中出现故障，因此对器件分别进行高温(125 ℃)、低温(－55 ℃)测试，测试结果表明器件高温参数和低温参数均正常。因此排除器件特性在高温下和低温下性能变坏的可能。?
（3）为了判断外界气氛是否对器件内部芯片性能产生影响，对器件进行密封性检查，器件精、粗检漏均合格，因此判断外界水汽不会对器件内部芯片性能产生影响。?
（4）为了判断器件内部是否存在可动金属多余物对器件性能产生影响，对器件进行颗粒碰撞噪声检测，没有发现器件腔体内部存在可动金属多余物，因此排除了器件内部存在可动金属多余物造成器件短路的可能性。?
（5）对器件所在电路板的设计、安装等情况进行检查，没有发现设计或安装造成的缺陷导致器件失效的情况。?
（6）温度循环模拟试验模拟分系统热循环试验过程，同时为了使器件可能存在的缺陷暴露得更加充分，采用由低温-55 ℃到高温+125 ℃热循环试验，试验箱温度变化率采用同分系统热循环试验用试验箱相同的温度变化率0.1 ℃／秒。?
①在未进行防结露保护的情况下，从低温(-55 ℃)到高温(125 ℃)循环过程中对器件进行实时测试，试验箱温度变化速率为0.1 ℃／秒，测试速率为3次／秒。在由低温到高温的过程中，当试验箱温度变到-13 ℃时，器件参数变坏，1、6、7、9、14、15脚漏电增加，同时器件功能出现时好时坏现象，输出时有时无(这时观察到试验箱内被测试器件表面有结霜现象)。这种输出时有时无现象一直持续到温度升高到45 ℃，这时观察到器件表面的结露已经蒸发干净，器件功能和参数均恢复正常。上述试验复现了器件在分系统上热循环试验过程中出现的故障。?
②把器件在125 ℃试验箱内烘烤15分钟，使其表面的水分完全蒸发掉后，在进行防结露保护的情况下，重复上述热循环试验，器件功能和参数完全正常。?
③把上述没有采取防结露措施的热循环试验中的不同温度下各管脚漏电数值和器件在防结露措施下的常温漏电进行比较，在没有采取防结露措施的情况下进行热循环试验，器件的表面漏电明显增加，详细对比数据见表1。?
3.3 失效原因分析?
首先我们了解到分系统试验的试验箱内没有采取控制空气湿度的措施，其湿度同外界
自然环境中的空气湿度相当，试验现场在靠近沿海的上海，试验时间为7月份，当时自然环境中空气湿度较大。用户在分系统热循环试验中进行了防结露、防结霜保护，具体措施是采用密封塑料袋把分系统包裹起来。这种防结露措施主要是防止在温度循环过程中外部水汽进入分系统内部，从而防止结露造成分系统故障。但因为分系统为非密封性结构，内腔体积约为200 mm×200 mm×200 mm。热循环试验顺序为常温——低温（-15 ℃）——高温(65 ℃)——常温。?
表1 器件在不同试验温度下的漏电对比?
1脚漏电 7脚漏电 9脚漏电 14脚漏电 15脚漏电
未进行防结露保护－55 ℃ IIL=－23.7nAIIH=0 nA IIL=－23.7 nA?IIH=0 nA IIL=0 nA?IIH=12 nA IIL=－23.7 nA?IIH=0 nA IIL=－23.7 nA?IIH=－11.7 nA
未进行防结露保护－13 ℃ IIL=－11.7nAIIH=－12 nA IIL=0 nA?IIH=－12 nA IIL=－48.5 nA?IIH=1.48 nA IIL=－280 nA?IIH=219 nA IIL=－48.4 nA?IIH=48.8 nA
未进行防结露保护125 ℃ IIL=0 nA?IIH=0 nA IIL=－12.1 nA?IIH=－12.1 nA IIL=0 nA?IIH=0 nA IIL=0 nA?IIH=0 nA IIL=－12.1 nA?IIH=－12.1 nA
防结露保护下的常温测试 IIL=0 nAIIH=0 nA IIL=－12.1 nA?IIH=0 nA IIL=0 nA?IIH=0 nA IIL=0 nA?IIH=0 nA IIL=－12.1 nA?IIH=－12.1 nA
?
由于分系统为非密封性结构，分系统内部的空腔内存在较多水汽，在用塑料薄膜密封前分系统没有采取措施除去内部水汽，虽然密封塑料薄膜有效地防止了系统外部水汽进入，但同时也阻止了内部水汽的排出。因此，导致在试验过程中分系统腔体内部的水汽在低温下凝结在电路板的各组件上(结露或结霜)。在热循环试验中，在由高温到低温的循环过程中，随着温度不断降低，腔体内部的水蒸气凝结在组件表面上，形成以水为介质的漏电通道，组件表面漏电增加、参数变坏，从而导致分系统出现故障，随着温度进一步降低，凝结在组件表面的水逐渐结霜或变成冰，组件表面的漏电通道消失，组件和分系统性能恢复正常。
在由低温到高温的循环过程中，随着温度不断升高，凝结在组件表面的霜(或冰)在外部温度升高和工作组件内部发出热量的共同作用下逐渐溶化形成水，凝结在加电工作的组件上，从而导致加电状态下的组件表面漏电增加、参数变坏，分系统出现故障，随着温度进一步上升，凝结在组件表面的水汽不断蒸发，器件表面漏电消失，参数恢复正常。由于分系统外面包裹有防止外部水汽进入分系统内部的密封塑料薄膜，内部的水汽在高温下也无法排除分系统，因此再重复上述温度循环过程，分系统重复出现上述故障。?
2.4 分系统热循环验证试验?
在进行热循环试验前分系统在50 ℃下烘烤60分钟，充分排除分系统内部的水汽，而后用密封性塑料薄膜包裹分系统，重复热循环试验过程，分系统没有出现任何故障。?
3 结 论?
由于分系统热循环试验中采取的防结露措施不当，导致在热循环试验中机箱内部产生结露现象，结露可能引起加电工作的组件漏电增加和金属化系统的腐蚀速度加快，从而使分系统出现故障，在严重时还可能导致组件烧毁、击穿等致命故障。采用密封塑料薄膜作为防结露措施是一种较为经济实用的方法，但对存在较大腔体的非密封性结构的分系统进行热循环试验时，在热循环试验之前应采取高温预烘烤等措施，排除分系统内部腔体中的水汽，防止机壳内部产生结露组件造成损伤。另外还可以采用在容器内充满干燥空气或氮气方法防止内部水汽冷凝，而且最后半个循环应为热循环，进一步减少分系统内部水汽残留。不过，这种方法对热循环试验箱的密封性有一定的要求。