湿度显示卡在防水试验中的应用

李 西，陈显顾，詹 炀

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

引言

目前，防水试验在数字电子产品可靠性测试中扮演重要角色。在防水试验中，传统的简单目测已无法满足对产品防水结构失效的分析要求。传统的目测仅能简单判断产品进水与否，试验后检查往往仅能显示积水的最终位置，无法准确定位试验中水滴所经过的电子元器件，以致无法确定危害程度，这对失效产品的日后整改带来巨大困难，因此准确对产品内部进水路径进行监测显得日益重要。利用湿度显示卡遇水变色的特点，测试人员能够准确定位进水路径与分析防水结构失效的原因。

1 IP防水试验概述

在当前验证产品防水性能的试验中，GB 4208/ IEC 60529是当前最广为应用的防水试验标准之一。GB 4208/IEC 60529标准中规定第二位特征数字表示外壳防止由于进水而对设备造成有害影响的防护等级。对不同的防护等级(表1)，标准中规定了对应的试验方法与判定条件。

表1 IP防水等级含义[1]

2 产品主要使用的防水结构和设计

产品主要使用的防水结构方法有打防水乳胶、塑胶注塑和O型密封圈等方法进行密封。O型密封圈是最普遍采用的一种防水方式。O型圈为截面为圆环形的密封圈，被应用于各种腔体零件的密封。通常情况，O型密封圈由人造橡胶所制成，在特殊情况中，O型密封圈也可由PTFE或热塑性材料代替[2]。O型密封圈的主要用途是制造密封环境，对气体或液体进行腔室的隔绝。

O型圈密封设计通常是由O型圈与凹槽所组成。O型圈为人造橡胶制的圆截面圈体。凹槽通常是对金属或其他硬质材料切削所制成，用以容纳橡胶O型圈，以此形成密封环境[2]（见图1）。

3 湿度显示卡布置的设计方法

3.1 湿度显示卡介绍与应用

湿度显示卡为能够显示当前环境湿度状况的卡片，用户可通过湿度显示卡颜色的变化来判断当前湿度状况。当环境状况湿度达到湿度卡标示显示湿度值时，湿度卡颜色可由干燥色转变为吸湿色（湿度显示卡见图2）。

图1 典型的O型圈密封结构剖面图

图2 湿度显示卡

根据湿度显示卡变色特点，灵活运用湿度显示卡可显著改善防水试验的效果。湿度显示卡运用于防水试验的特点有：

1)可观测性：对结构复杂的设备，通常结构深处的进水难以直接通过目测发现。通过湿度显示卡的设置，能够通过直接设置显示卡于不易观察处，通过显示卡颜色的变化替代传统的目测。

2)朔源性：传统的目测仅能发现试验后样品积水位置，通常试验后大部分进水位都积聚于样品底部，难以判定样品进水位置与流经的电子元器件，对试验的朔源与结果的判定造成困难。通过湿度显示卡位置的合理设定，能够直观地对进水路径进行寻迹与初始失效位置的朔源定位。

3)易用性：湿度显示卡的使用具有良好的易用性。使用过程简便、快捷，能够在短时间内完成对试验样品的制备。

3.2 湿度显示卡布置原则

湿度显示卡的位置设置需首先对样品的防水特性及内部结构进行分析。显示卡的布置位置需要着重考虑对样品进水敏感的位置，较为常见的位置是外壳进水后会影响设备正常操作或破坏安全性的元器件、可能导致沿爬电距离引起漏电起痕的绝缘部件、可能导致短路的线路、各种带电部件等。

布置湿度显示卡的关键位置：

1)关键导电元器件：关键导电元器件对设备正常工作与安全性起直接影响，通常此类元器件包括电子芯片、内部供电电池，负责设备主要功能的相关器件等（图3，设置湿度显示卡用于观察设备内部电池进水情况）。

图3

2)供电电路接口：供电电路接口进水易导致设备短路，由于水的张力影响，水滴易积聚于接线口孔隙深处而不被发现，因此对其周边部位设置湿度显示卡即可容易观察是否存在水滴经过或流入缝隙（见图4，设置湿度显示卡于电路输入端子）。

3)外壳密封边缘处：外壳密封边缘设置湿度显示卡，主要用途为观察设备外壳接口密封情况。此处设置湿度显示卡能方便观察到密封胶条失效的具体位置，同时也是判断样品腔体是否进水的关键依据。外壳密封边缘处湿度显示卡的数量应设置较高的密度，使得密封胶条失效位置的判断更加精准（见图5）。

4)外部引线口：外部出线口应放置湿度显示卡进行观察。样品外部出线口通常会因线材的尺寸与或使用中受力等原因而出现缝隙。尤其进行IP等级强喷水试验时，引线口处的绝缘塑胶与线体表面或机体外壳的压力不够，喷水易使之间产生缝隙而造成腔体进水（见图6）。

3.3 使用湿度显示卡的注意事项

1)使用过程中，应正确使用镊子等夹持物对湿度显示卡进行操作，切勿直接用手对显示卡进行夹取。敏感的显示卡易被手中的汗液等物质所污染。

图4

图5

2)湿度显示卡使用过程中，应注意使用环境的温湿度。环境湿度过大易导致显示卡提早由干燥色转变为吸湿色，造成观测困难或试验结果偏差。

3)湿度显示卡应牢固粘贴在产品上，防止因搬运或试验过程中的振动导致显示卡可能出现的移位。

4)应根据环境温湿度选择具有合适湿度感应范围的显示卡。过低的标示值易导致湿度显示卡过于敏感或提前变色，同时对显示卡的使用环境提出了过于严酷的环境要求。通常使用湿度标示值于40%RH～60%RH的显示卡。

4 实例应用

4.1 产品防水结构分析

本次试验用样品采用O型密封圈防水结构，试验过程着重考察O型圈防水性能。O型密封圈镶嵌在金属凹槽内，通过盖板对O型密封圈的挤压来实现腔体密封。通过分析O型密封圈的材质与结构特点，总结出O型密封圈密封不良的原因如下：

1)高温：O型密封圈橡胶于高温条件下发生老化，导致密封圈发生变形、弹性下降、软化等质量下降[3]。

2)压力不均：固定盖板螺丝扭矩不同，盖板下压力不均，导致O型圈变形程度不一。O型圈变形量不同易导致孔隙产生，致使防水结构失效。

3)设计与加工：O型密封圈密封效果很大程度上取决于正确的规格选定与密封结构的加工质量，错误的设计或劣质加工均会对防水性能造成影响，例如规格尺寸的选择、材质选择、加工精度、橡胶质量等。[4]

图6

4.2 试验流程

1)环境条件控制：本次试验湿度显示卡选用50%RH等级，因此对腔体进行显示卡布置时需对环境温湿度进行严格控制。如条件许可，可在恒温/恒湿室中进行。根据本次采用的显示卡的感应等级，环境温度控制在20℃～25℃，环境湿度需控制在50%RH以下。

2)湿度显示卡布置：本次试验验证重点为O型圈防水结构，因此需将湿度显示卡沿O型圈卡槽位置进行排布，放置的位置应尽可能贴近O型密封圈，根据样品尺寸大小，合理分配湿度显示卡的排列密度。本次试验共使用显示卡14个，均匀分布于样品O型圈卡槽周边（见图7）。

3)盖板锁紧：为防止盖板压力不均导致样品的O型圈密封效果不良，使用扭矩电批，使用同样扭矩对样品对称位置的螺钉依次拧紧。

4)防水试验：本次防水试验按照GB 4208-2008 的IPX5等级进行。标准试验喷嘴在所有可能的方向向样品外壳喷水，喷嘴内径为6.3 mm，水流量为（12.5±0.625）L/min，主水流的中心部分为离喷嘴2.5mm处直径约为40mm的圆，喷嘴至外壳表面距离为2.5m，试验样品外壳喷水时间为1min/面，共6min（见图8）。

图8

5)样品检查：试验后，应将样品外壳表面积水清除干净，用适当压力的风枪将缝隙内的水滴轻轻吹出，以免这些水滴影响环境湿度或开盖时进入样品内腔。将样品移入温湿度受控的环境中，温度应控制在20℃～25℃范围，湿度为50%RH以下[5]。开启防水盖板，观察湿度显示卡的变色情况，以及样品内腔内有无积水。若显示卡未变色，说明该显示卡未沾染水份；若变色明显，则表明该位置进水。检查发现，显示卡未变色，也未发现积水，表明样品O型密封圈密封效果良好。

5 结束语

本文对湿度显示卡在防水试验中的应用做出了介绍。湿度显示卡在防水试验中的应用具有可观测性、朔源性、易用性的特点。通过对试验样品进行内部结构与防水特性的分析，合理地使用湿度显示卡，可以显著改善防水试验效果。

[1] GB 4208-2008，外壳防护等级(IP代码)[S].

[2] EPM, The seal man’s o-ring handbook .

[3] Dictomatik, global o-ring size reference guide.

[4] Eriks, Precision o-ring manual , 2002 .

[5] IEC 60529:2001，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].