环境应力筛选中湿度控制的研究

吴豪，李建刚，江思杰

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

引言

环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，其目的在于发现和排除产品的早期失效，使其在出厂时便进入随机失效阶段，以固有的可靠性水平交付用户使用。环境应力筛选中温度应力可筛选出80%的缺陷，环境应力筛选得到广泛应用，并已成为产品研制生产的一项非常重要的工艺手段，是产品质量控制、检查和测试过程的延伸。目前环境应力筛选使用广泛的标准是GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》[1]，该标准的4.5款详细阐述了环境应力筛选所用的试验箱应满足的几大要求，其中第六项条款上明确提出了温度、湿度的控制，标准中4.4.1条也规定了温度的偏差为目标值±2 ℃，但是，湿度的控制范围未明确具体的目标参数要求，只是提出样品上不出现凝露。而且在温度循环应力筛选试验中，筛选度计算公式如下：

式中：

R=TU-TL—温度变化范围；

TU、TL—上限温度、下限温度；

v—温度变化速率；

N—温度循环次数；

e=2.718 28表示自然对数的底。

从公式可以看出，筛选度只与上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率有关，并没有考虑因为温度的变化而造成凝露对筛选度的影响，因此，工程人员都没有注重湿度的影响因素，如何较好的践行实施环境应力筛选工作就是我们环境工程人员需要解决的问题。

本文以环境应力筛选为对象，分析环境应力筛选中凝露现象的产生与危害，研究如何通过湿度控制来避免或减少环境应力筛选过程中出现凝露现象，提出了一种基于干空气自动补偿增压的解决方案，并通过大量现场试验数据验证了该方案的可行性。

1 环境应力筛选中凝露现象的产生及危害

1.1 环境应力筛选中凝露现象的产生

在武器装备、军民产品、元器件、板级与单元级模块的环境应力筛选中，温度快速上升时很容易导致产品上出现凝露等物理现象，并因此产生：吸附现象、吸收现象、扩散现象、呼吸现象。凝露现象的产生与产品所用材料、腔体大小、升降温速率、相对湿度、箱内气压和空气流速等因素都有关系。当试验箱中环境温度升高时，由于热惯性，产品表面的温度低于环境温度，当湿热的环境空气遇到低于露点的产品表面时，空气中的水汽就会凝结在表面形成露滴。如果产品密封，当试验箱中环境温度降低时，产品外壳内壁温度比腔体内空气温度降温快，腔体内湿热空气也会在产品外壳内壁凝结成露滴。由于大多产品不是完全密封的，凝露现象一般出现在升温阶段。

1.2 环境应力筛选中凝露现象的危害

通常情况下，单纯的凝露水不足以导致产品故障，但在环境应力筛选试验箱中，凝露水会与其他因素融合产生物理/化学作用，从而影响产品的安全质量，如金属氧化/电化学腐蚀、有机和无机表面覆盖层的化学或电化学破坏、摩擦系数的改变导致粘结或粘附、因吸收效应导致的材料膨胀、物理强度降低、电气短路等，引起的典型失效故障如表1。

图1为应力筛选时产生失效的示例。在环境应力筛选中，控制凝露现象的发生是避免因非被试品因素产生凝露而造成故障的基本要求。

2 环境应力筛选中湿度的控制

2.1 温度箱内防凝露的方法分析

在环境应力筛选中，导致被试品表面出现凝露的根本原因是被试品表面的温度低于温度箱内空气的露点。那么，要防止被试品表面出现凝露现象，有以下几种可能的途径：

①改善箱内气体的循环，使被试品在温度箱中的温度始终与箱内气体的温度变化同步，且被试品的温度与箱内气体的温度之差很小，不足以让被试品表面出现凝露现象。

②采取合适的措施，使箱内气体的露点上升速率滞后于被试品表面的温度上升速率，使箱内气体的露点始终低于被试品表面的温度，防止被试品表面出现凝露现象。

表1 湿度环境对产品的典型影响

图1 应力筛选时产生失效示例

③控制箱内气体的绝对湿度，使箱内气体的露点始终低于箱内气体的下限温度，从而避免被试品表面出现凝露现象。

在以上的控制途径中，途径①的困难很大，因为被试品的材料、体积、质量、结构都千差万别，不同被试品的热惯性差别很大，在箱内气体温变速率确定的条件下，要保证所有被试品的温变速率与箱内气体的温变速率相同，且被试品与箱内气体的温度差很小，这在工程上很难实现。而采取途径②和途径③具有一定的可行性，当我们设法降低箱内气体的绝对湿度时，可以有效地降低箱内气体的露点，以保证被试品的温度高于箱内气体的露点，防止被试品表面出现凝露现象。

经过对环境应力筛选实验的长期观察，我们发现影响温度箱内气体露点变化的因素主要有以下两点：

①环境湿度：当环境湿度较大时，箱内容易出现凝露现象。

②箱体的密封性：箱体的密封性越好，环境湿度对箱内气体的影响越小。

环境湿度是不可控因素，由于工作的需要或工程的原因，箱体很难做到绝对的密封。一般的温度箱内外不可避免有气体交换，这是一般的温度箱防凝露的困难所在。为了克服环境湿度通过箱体缝隙对箱内气体露点的影响，本文认为，以一定的流量向箱体内补充干燥空气，使箱内气压大于箱外大气压，阻止箱外水蒸气进入箱内，控制箱内湿度，从而保证箱内气体的露点低于被试品表面温度。

2.2 温度箱内气体绝对湿度的影响因素

影响箱内气体露点的根本因素是箱内气体的相对湿度和气体的气压。但箱内气体的绝对湿度为零或很低时，箱内气体在温度下限以上将不会出现凝露现象。而箱内绝对湿度与箱内气体的初始含水量、干空气的补充速度、箱内外的气体交换速度等因素都有关系。下面具体分析箱内气体绝对湿度的几个影响因素：

2.2.1 干空气的置换速度

设：进入温度箱内的干燥空气可以瞬时间与箱内原有气体均匀混合，f1为任意时刻绝对含湿量（g/kg），f0为初始绝对含湿量（g/kg），v为箱体体积，Q为干燥空气的进气量（m3/s），t为时间（s）。则：箱内气体含湿量f1的变化量满足以下的微分方程：

解方程（1）可得：

考虑箱内干燥空气与原有气体混合需要一定的时间以及其它因素，可以将式（2）修正为：

式中：

τ—修正系数，它与干空气的流量、箱体大小及结构、箱体的密封性能因素有关。

可见，一定体积的温度箱，通过干燥空气置换的方法来降低箱内气体含湿量时，箱内气体的含湿量是按指数规律变化的，箱内气体含湿量越低，含湿量降低的速率越慢；要尽快降低箱内气体的绝对湿度，应加大干空气的进气量Q。

2.2.2 、箱内气温的变化

箱内气温的变化在箱内产生两方面的影响：改变箱内气压、改变箱内气体的相对湿度。这两方面的影响最终都将影响箱内外水蒸气的交换。

设：加速箱体是密封的，P0为箱内初始气压（设为大气压），箱内容积气体的初始质量为m0，T0初始温度，则，一定容积V0内的气体，气压P与气体质量m、温度T的关系为：

由式（4）得：

当箱内气体降温，即ΔT＜0时，Δm＞0。因此，必须向箱内补充至少Δm质量的同温度的干空气，才能使箱内的气压大于外界大气压P0。

由以上分析可知：当箱内气温降低时，要防止箱外水蒸气进入箱内，必须往箱内充入足量的干空气，充入的干空气量满足：

2.2.3 、箱内气体流速的变化

箱内气体流速的变化影响箱内气压分布的不均匀，它可以使箱内局部区域产生相对于箱外大气压的负压区，使箱外水蒸气加速进入箱内。

忽略箱内气体密度的变化，则箱内气体流速v与气压P的关系为：

于是，气体流动引起的气压变化ΔP2为：

可见，在箱内气体流速较快的地方，气压较低，容易在该区域出现气压小于大气压的负压区。因此，箱内中心区域的静气压P应满足这样才能保证箱内气体不会出现低于外界大气压的负压区，从而防止外界空气经缝隙进水蒸气入箱体内。

2.3 温度箱内气体湿度控制的实验及其结论

假设筛选的上下限温度为-10～+50 ℃，要保证温度箱内不出现凝露，必须保证2个条件：

①试验初期状态的试验箱内空气露点温度高于-10 ℃，绝对含水量为1.59 g/kg，即在常温条件下达到温度25 ℃，相对湿度8 %[2]。

保证试验初期状态的试验箱内空气露点温度高于-10 ℃，一般采用向试验箱内注入干燥空气，干燥空气机处理后的空气干燥度一般可以达到25 ℃，相对湿度1 %，绝对含水量0.19 g/kg，露点温度可以达到-35 ℃，根据式（2）或式（3）估算补充干空气所需的时间[2]。

②在试验期间保证箱内的空气和外面的空气没有交换，避免试验箱外含水量高的湿空气进入箱内，从而保证箱内气体的绝对含水量控制在一定限制以下。

为满足条件②，需要保证试验箱内的气压永远高于环境大气压，影响气压变化的主要因素有温度变化、温度箱内的风速，以及外界干燥空气的补充速度。通过干空气的补充来调节箱内气体，可以利用式（5）和式（7）来进行估算一定温变速率和气体流速条件下，补充干空气的流量大小。

为了验证本文理论分析的有效性和可行性，我们在在1 m3的常规快速温度变化箱和进行密封处理的低气压箱中进行了以下实验：

1）注入干空气置换实验及其效果

干燥空气机处理后的空气干燥度为25 ℃，相对湿度0.01 %，以160 L/min的速率向1 m3快速温度湿度变化湿热试验箱箱内注入处理后的干燥空气置换试验箱内的湿空气，2 h后也只能达到30 ℃，15 %RH（见图1，露点温度为0 ℃），理论上30 min内可以达到25 ℃，相对湿度0.1 %。

造成干燥空气置换不充分有两个原因，一是干燥空气进入箱体后没有得到充分混合就排出，因为这是一个渐次混合-排出的循环过程，导致延迟了干燥时间；二是箱体的密封不好，干燥空气的流量小不足以使得有间隙的地方都能向外排出，有的间隙地方还会向箱内流动，而要大流量的干燥空气是比较困难，所以第二种原因是影响的主要因素，要解决这个问题先分析下箱体的结构，箱体存在着较多不密封的因素：

①防止气压升高的压力平衡孔；

②加湿水系统的管路；

③预留进行检测的引线孔；

④轴流风机的轴处的密封；

⑤制冷蒸发器的管路处的密封；

⑥门的密封。

图1 仅达到30 ℃，15 %RH

排除上述因素影响后，以低气压箱结构按照上述条件1 h后达到常温27 ℃，相对湿度0 %（见图2），说明箱体的密封的好坏直接影响到初始状态的干空气处理效果。

2）增加箱内气压法防止箱外水蒸气进入箱内的实验验证

在试验前干燥空气置换掉试验箱内的湿空气，还需要保证试验箱外的湿空气不再进入到试验箱内，这样，可以确保试验箱内的露点温度足够高而不至于产生凝露现象，这需要试验箱内存在气流交换的间隙地方气压永远高于环境大气压，一组循环过程中没有注入和注入干空气提升箱内的压力的对比图见图3和图4。

数据表明，露点温度得到大幅下降，所以，不会在筛选试验中产生凝露现象。

3 环境应力筛选中湿度控制的工程设计

经过长期的试验分析与研究，要防止环境应力筛选试验中凝露问题需要在两个方面进行改进设计：

3.1 试验箱门的密封结构设计

按照低气压箱的结构模式进行密封和强度的设计，强度可以降低，同时，门处只是考虑到了负压时门的密封性好，正压时门的密封性很差。所以，需要对其门的密封进行结构设计，减少注入的干燥空气的流失，预防箱内压力难以保持正压造成内外空气的交换。

3.2 湿度控制设计

考虑到在升温的时候需要减压保持箱内的压力不至于过高，还需要有排气的位置，避免压力过高损坏产品，在降温的时候需要增压保持箱内的压力不至于过低，这就需要补充干燥空气，避免压力过低将箱外的湿空气吸进箱内导致湿度升高[3]。经验值认为试验箱内压力高于试验箱外压力2 kPa对装备产品没有影响。因此，试验箱箱体设计有可以控制的防止压力升高/降低的压力平衡装置2个，一个用于高温降到低温过程时补充干燥气体，一个用于低温升到高温时排放膨胀气体。

在压力平衡装置箱体端处增加压力传感器，在控制面板上扩展压力测试界面，并设定容差范围，超出容差时给电磁阀通断信号，进行排气/充气，保障压力一直高于环境大气条件压力2 kPa。

在试验箱内加装配置温度湿度一体化传感器，在控制面板上扩展湿度测试界面，在进行试验前的干燥空气预处理时，可以观察到试验箱内的湿度情况能够达到常温状态下，湿度为0，延迟30 min后有声响提示，工作人员只有观察干燥处理达到时才开始进行试验，并且，在试验过程中可以实时监测到试验箱内的温度湿度情况，确保试验箱内的空气干燥。

图2 达到27 ℃，0 %HR

图3 10 ℃，15 %露点温度仅能达到-5 ℃

图4 -10 ℃，3.4 %，露点温度为-40 ℃，绝对含水0.054 g/kg

3.3 增加一台空压机和空气干燥处理机

处理的能力可以达到100 L/min，绝对含水量近似为0，在预处理时通过电磁阀控制置换试验箱内的湿空气，在试验过程中箱内压力达不到时补充干燥空气提高箱内压力，均在控制器中编程控制，具有干燥空气注入湿度达到0并延时1 h后，提示可以进行正式试验，试验过程中通过压力检测信号控制电磁阀的开关，达到保证箱内正压的功能。

4 结论

本文以环境应力筛选试验箱中的凝露问题为研究对象，以本中心现有试验条件为基础，分析环境应力筛选试验中凝露现象的产生与危害，通过理论阐述与公式推导对如何改进环境应力筛选试验中的凝露现象展开研究，结合机械工艺与自动化技术实现试验箱结构与控制上的改进，从而避免或减少环境应力筛选过程中凝露现象的发生，并应用到本中心环境应力筛选试验中。