温湿度因素对电子元器件的影响研究

高明，李颖，荣长军 ,吕振华,范晓磊

（火箭军士官学校，青州 262500）

引言

电子元器件所使用的环境大多是在大气中，温度、湿度、腐蚀性气体、尘埃等多种因素会对其使用寿命产生影响[1]。电子元器件在大气环境下，往往会因潮湿及高温条件而发生大气腐蚀，进而引发电子结构系统发生各种故障，例如如短路、点接触不良等。

1 电子元器件与温湿度因素的内在关联

为了保证形形色色的电器能够正常使用，需要高度重视相关电子元器件的质量与性能问题。电子材料的使用寿命一直是备受人们关注的问题，影响电子材料使用寿命的因素有很多，其中，环境所造成的影响相对较大。外界环境的温度以及湿度条件是影响电子元器件使用寿命，甚至导致其失效的重要原因。电子元器件产品的质量以及性能一直以来都受潮湿、高温环境的影响，从湿度影响角度进行分析，如果环境中水分偏高，湿度较大，则极易导致各种电子元器件产品发生结露，影响其正常使用[2]。在温度因素方面，温度会对腐蚀反应产生一定的积极影响，在一定的湿度条件下，随着环境温度的不断上升，腐蚀反应也会受到影响，反应速度不断加快，进而对电子元器件产品使用寿命产生更为不利的影响[3]。对于各种不同类型的电子元器件而言，外部环境的复杂性会对其性能产生诸多影响。具体来看，相关的影响因素类型十分多样。其中，温度以及湿度是十分重要的影响和因素。不同的电子产品对应的级别不同，所能承受的工作温度与环境温度也存在一定的差异，不同级别电子产品所能承受的工作温度与环境温度统计情况如表1所示。

表1 不同级别电子产品所能承受的工作温度与环境温度统计

因此，电子器件必须储存在洁净、通风、无腐蚀性气体的库房类室内环境中，仓库应是通畅的通道。电子物料存储温度将直接影响电子元器件的品质质量，不同类型的电子元器件仓库存储的温度要求各不相同。另外，采用行规人工管理往往不够方便和及时，很难实时了解仓库温度变化，最好是借助温度控制系统来对仓库进行管理，才能保证环境的稳定。环境温度、湿度会直接影响电子元件的储存寿命及品质，电子元件的库房温度、相对湿度必须符合以下要求：温度：（-5～30）℃，相对湿度：（20～75）%RH。

2 温湿度因素对电子元器件的影响实验研究

2.1 实验设计

在各种电子产品和设备的使用过程中，温度以及湿度会对其使用情况产生十分重要的影响。这一情况下，湿热环境是导致多种电子元器件发生故障甚至导致设备失效的重要环境应力[4]。高温以及高湿条件下，一些电子元器件材料会受到一定的水分，发生膨胀，其性能也会受到影响，同时，该条件下还会引起物质强度降低及其它主要机械性能的下降。另外，高温条件下吸附大量的水气之后，电子元器件的绝缘材料还会出现电性能下降等情况[5]。在本文的研究过程中，为分析温湿度因素对电子元器件的影响，选择设计一定的实验在实验中，选择一定的电子元器件作为实验器件样品，并设置高温高湿条件，将该实验条件作用于试验器件样品，模拟出现实条件下电子元器件在高温高湿环境下的水气吸附、吸收和扩散作用，进而探讨温、湿度因素对电子元器件的影响效果。

2.2 实验器件

在本次实验中，选择以塑封集成运算放大器作为实验电子元器件。具体来看，结合本次研究的目的和实验需求，对市面上的各种塑封集成运算放大器进行综合分析，并最终选择将某型号塑封集成运算放大器作为本次实验的器件（图1）。在实验开始前，对该塑封集成运算放大器进行仔细大检查，保持待实验电子元器件处于拆封后的初始状态，且保持清洁状态，未受到其他污染。检查完毕之后，对该塑封集成运算放大器予以妥善保存，以备后续使用。

图1 某型号塑封集成运算放大器

2.3 实验方法

在室温条件下，对实验所选取的某型号塑封集成运算放大器样品进行测量，记录各项初始电性能参数数据。之后，将实验器件放置在实验箱中进行湿热实验。实验过程中将箱子内的温度设定为60 ℃，相对湿度分别设定为80 %和65 %以及50 %，在上述条件下，分别开展贮存实验。30 min之后将实验样品取出进行检测，检测项目以及测试方法如表2所示。

表2 某型号塑封集成运算放大器湿热实验相关项目测试

2.4 结果与讨论

在60 ℃，相对湿度分别为80 %、65 %以及50 %，贮存时间6 000 h条件下，对待测塑封集成运算放大器进行湿热实验，观察实验结果后发现，60 ℃温度下，在不同相对湿度条件下，实验塑封集成运算放大器的水汽吸收含量也呈现出不同的变化，具体变化情况如图2所示。

图2 不同相对湿度下实验塑封集成运算放大器水汽吸收含量变化情况示意图（温度60 ℃）

从图2的结果可以了解到，在一定的温度条件下，实验塑封集成运算放大器的吸湿呈现出动态变化的过程，并与贮存时间之间存在着一定的关系。在开始阶段，实验塑封集成运算放大器会表现出快速吸收水汽的情况，相应的水汽含量也会随着时间的不断推移表现出迅速增加的变化趋势。但是，在经过一段时间之后，实验塑封集成运算放大器吸收水汽的速度会逐渐下降，水汽含量也会逐渐达到饱和状态。另外，通过对实验结果进行分析还可以了解到，环境中的湿度会显著影响到实验塑封集成运算放大器的吸湿情况。如果保持环境温度条件不便，则环境相对湿度越高，实验塑封集成运算放大器的吸水速率便越快。在达到饱和状态时的，对应的器件饱和水汽含量也性对较高。

根据以上实验结果可以发现该塑封集成运算放大器在湿热环境下贮存的主要失效模式是外引线腐蚀，腐蚀敏感区分别是外引线侧面的断口处、外引线弯曲处、外引线边缘。分析相关原因，主要是因为这些位置表面镀层均存在着一定的缺陷（见图3）。

图3 实验前外引线不同部位表面情况

通过上述实验可以发现，在一定的温度和湿度因素影响下，会导致试验器件发生一定的缺陷。这一背景条件下，在塑封集成运算放大器的实际应用过程中，在其表面会出现毛细管作用以及物理吸附、化学吸附。于是，塑封集成运算放大器所处外界环境中的大气水汽便极易对塑封集成运算放大器的表面产生影响，在器件的针孔位置和裂纹附近等区域产生凝聚，并引起水分子膜的形成[6]。在水汽中含有灰尘、酸、电解质、碱、盐等多种复杂的成分和杂质，这些成分与杂质会对器件产生不良的影响，会导致水的导电率的显著增加。于是，在塑封集成运算放大器的裂纹以及针孔处，镍镀层和Cu合金基体以含有杂质离子的水分子膜为电解液构成了电化学腐蚀原电池，导致使镍镀层不断被腐蚀破坏，进而影响到塑封集成运算放大器的应用效果与使用寿命[7]。

3 结论

总之，通过本文的分析研究可以发现，电子元器件性能与温度以及湿度因素之间存在着十分密切的联系，不同的湿度与温度条件下，会对电子元器件产生一定的影响。在本次封集成运算放大器湿热实验中，在一定的温度条件下，实验塑封集成运算放大器的吸湿呈现出动态变化的过程，并与贮存时间之间存在着一定的关系。同时，实验结果还显示，环境中的湿度会显著影响到实验塑封集成运算放大器的吸湿情况。如果保持环境温度条件不便，则环境相对湿度越高，实验塑封集成运算放大器的吸水速率便越快。在达到饱和状态时的，对应的器件饱和水汽含量也性对较高。另外，分析湿热环境下实验塑封集成运算放大器贮存失效的相关原因，主要与外引线腐蚀相关。同时，相应的腐蚀速度与环境的相对湿度之间也存在着十分密切的联系。