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环境因素对电子设备的影响 上

2021-03-16 13:17:21

环境因素对电子设备的影响

在各类环境条件下,电子设备及所用的材料、零部件、元器件都可能发生腐蚀和其它环境效应,降低设备的使用可靠性。

随着电子设备向微电子化、高集成化和高密度装配方向发展,以及电子线路的高阻抗和放大特性,金属稍有腐蚀,对整机电气性能和机械性能等的影响更为明显。

金属腐蚀的直接影响为电导、磁导、电感、电容、电子发射、电磁屏蔽等参量的变化。其间接影响如金属表面氧化、玷污导致电位器出现噪声、开关元件接触不良、引线虚焊。在铝波导谐振腔内,银镀层与铝基体之间容易发生腐蚀,当腐蚀产物的颗粒落入腔体内会产生杂乱信号,银镀层变色后会引起高频损耗增大,从而引起其他性能的变化。电子器件对表面腐蚀等形成的噪声、漂移和各种失效十分敏感。氧化使金属导电率降低,或接点之间打火。因灰尘吸潮、霉菌生长使导体间导通而引起短路,因吸潮使电极绝缘电阻下降等。

在许多情况下,环境因素的单独效应并不明显、当两个或多个环境因素同时作用时,其综合效应就显著得多,例如高湿与生物环境条件,化学或机械活性物质条件的综合作用等。环境因素对产品的影响程度视具体情况而定,例如在贮存环境中,产品受包装或仓库条件的保护,不会受到淋雨和太阳辐射环境的影响,随着贮存时间延长,起作用慢的因素如臭氧和盐雾会变得比其它因素更为重要。在运输过程中,机械因素是重要的,慢作用因素不会或几乎不会有任何影响。在使用过程中,由于产品充分暴露于自然和诱发环境中,不仅起作用的因素更多,其严酷程度也更高。

因此,设计人员和工艺人员应了解和掌握各种环境的特性及其对产品的影响规律,开展三防设计,实施工艺防护,不断提高产品的环境适应性,满足装备的实战要求。


影响电子设备三防性能的主要环境因素有:

A、温度

温度导致元器件物理损伤、参数漂移或引起性能下降,可以改变材料性能和几何尺寸并增加化学活性。化学侵蚀、腐蚀及其它有害过程都会因高温的作用而加快,许多绝缘材料在高温下会放出有机气体,改变本身的电气特性,并对邻近零部件、元器件产生腐蚀作用。具体影响如下:

1.高温效应

a. 设备过热导致电路稳定性下降、元器件损坏、着火、低熔点焊锡缝开裂、焊点脱开,缩短设备寿命。

b. 因热老化,使橡胶、塑料裂纹和膨胀,绝缘失效。

c. 材料膨胀系数不一,使不同的零件粘结。

d. 降低润滑剂黏度,或润滑剂外流使连接处丧失润滑特性。

e. 改变材料的局部或全部尺寸。

f. 引起机械性故障或破坏完整性,包装、衬垫、密封、轴和轴承变形、粘结或失效。

g. 变压器和机电组件过热。

h. 改变继电器和磁动/热动装置的通断范围。

i. 金属氧化,接点接触电阻增大,金属材料表面电阻增大。

高温对电子设备也有有利的一方面,如高温可以防止冷凝、驱赶湿气、保证设备的可靠性,高于40摄氏度的高温还有抵制或灭杀微生物的作用。

2. 低温效应

低温几乎对所有材料都有有害的影响,因物理性能发生变化,使其功能受到暂时的或永 久性的损伤,具体影响如下:

a. 材料发硬发脆,结构强度减弱,电缆损坏,蜡变硬,橡胶变脆。

b. 温度瞬变过程因材料或零部件膨胀系数的差异使零件互相咬死。

c. 润滑剂黏度增加,流动性降低,减少或散失润滑特性。

d. 元器件性能变化,如铝电解电容损坏,石英晶体不震荡,蓄电池容量降低。

e. 结构失效,增大滑动件的磨损,衬垫、密封垫弹性消失,引起泄露破裂、开裂、脆裂、冲击强度降低。

f. 减震支架的刚性增加。

g. 受约束的玻璃产生静疲劳。

h. 水冷凝和结冰。

i. 穿保护服的操作人员,其灵活性、听力、视力降低。

3. 温湿度的并存作用

温度和湿度的并存作用往往是影响电子设备性能、引起腐蚀的主要原因。当大气相对湿度等于或低于65%时,在任何温度下金属不容易腐蚀;当相对湿度大于65%时,即便在洁净大气环境,金属也会生锈。实验室实验结果表明,铁的腐蚀临界湿度为65%,锌的腐蚀临界湿度为70%。

温度下降,而相对湿度升高,则发生凝露。例如,在湿热地区,夜间温度较低,导致水汽凝结,而在温度,寒冷的夜晚可能引起湿气结霜。如25摄氏度、相对湿度50%情况下,当温度急降到10摄氏度时,水汽会凝结成液态水,影响甚至破坏设备电气性能,或加速金属和非金属材料的腐蚀。


B、潮湿

设备和工程材料腐蚀过程中,水往往是主要的腐蚀物质。水是一种电解质,而且能溶解大量的离子,从而引起金属腐蚀;水还可以离解成H+和OH-,PH值的不同对金属的腐蚀具有明显的影响;在一 定条件下,水还原的氢或氢原子渗入高强度钢和钛合金材料内,促进材料氢脆和应力腐蚀开裂。

产品在大气条件下存放或工作时发生的大气腐蚀,实质上是水膜下的电化学腐蚀。因此,无论潮湿是湿气、蒸汽还是液态水等形式,它总要侵蚀金属和非金属,促进微生物的生成,潮湿是引起电子设备腐蚀的主要因素。

潮湿对电子设备的环境效应:

a. 金属氧化或电化学腐蚀降低机械强度,或因腐蚀或润滑剂变质使活动零部件卡住。

b. 有机材料吸湿后降低或丧失机械强度,或膨胀而失去形状稳定性。

c. 绝缘材料电性能和热性能降低,如介电常数、点火电压、绝缘电阻,损耗角正切值增加等。

d. 表面有机涂层化学或电化学破坏。

e. 加速电化学反应。

f. 玻璃或塑料光学元件的透射能力降低。

g. 提供微生物繁殖条件,对玻璃、金属、有机材料产生侵蚀。

h. 设备内元器件、印制板、连接器等,可因密封破坏形成电泄露路径、降低介电强度和绝缘,或造成短、断路。


C、盐分

盐是地球上普遍存在的化学物之一,大气中,地面上,江河湖海里都有它的踪迹。所有的军用装备在它的寿命周期内都有可能暴露在某种形式的盐分环境中,当盐分与潮湿空气结合形成盐雾时,其中所含的氯离子活性强,对金属保护膜有穿透作用,加速点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀,影响设备性能。

溶解在水中的盐分是电子设备加速腐蚀的另一个重要因素,特别是沿海地区和海洋环境,海洋含有3.5%~3.9%的盐,其严酷度达到较大值。空气中含盐量与离海岸距离成反比。

在零件加工、部件组装、整机装配以及运输存放过程中,产品都要与人接触,人的汗水既含盐分又含尿素、乳酸,均为腐蚀性质,也可引起各种腐蚀。

电子设备裸露在盐雾环境中的效应大体可以分为腐蚀效应、电效应和物理效应三类:

1.腐蚀效应

a. 电化学腐蚀。

b. 加速应力腐蚀。

2. 电效应

a. 盐的沉积使电子设备损坏。

b. 产生导电层。

c. 腐蚀绝缘材料及金属。

3. 物理效应

a. 机械部件及组合件活动部分阻塞或卡死。

b. 由于电解作用导致漆层起泡。


D、微生物和动物

微生物侵蚀一般是指真菌、细菌及霉菌的危害。菌类以水、氧和氢为养料,不仅棉、毛织物和皮革可以作为菌类的养料,合成材料如层压板、灌封材料、包封树脂等也可以成为菌类的养料。

菌类生长改变设备的物理性能,损害设备使用功能。微生物的影响包括:

1.损害效应

对材料的直接破坏和间接损害:

a. 设备表面在制造、贮存、使用时会沉积汗迹、灰尘等污染物,促进霉菌生长,即使底材是耐霉材料也能引起底层材料的损坏。有机材料强度降低、损坏,活动部分受阻塞。霉菌吸附水分导致其它形式的腐蚀,如电化腐蚀。

b. 霉菌代谢的有机酸能造成金属腐蚀和氧化,光学透镜表面薄膜侵蚀,塑料和其它材料发暗或剥蚀。

c. 生长在易长霉材料上的霉菌与邻近抗霉材料相接触造成间接损坏。

2. 物理影响

a. 对电气和电子系统,霉菌的直接或间接破坏作用,能损坏电气和电子装置,霉菌跨越绝缘材料表面繁殖生长时破坏或降低绝缘强度,引起短路,影响精密调节电路的电气性能。

b. 对光学装置的损害主要由间接破坏作用引起,长霉能影响光线通过,阻塞可动部分,使不潮湿的表面变为潮湿,表面性能下降。

c. 从健康与审美的因素考虑,设备长霉能引起过敏等健康上的问题,或使人感到不愉快,用户不乐意使用。

d. 破坏密封、引入潮气。

e. 微生物生长形成扩展堆积物,造成保护层破坏、松动、裂缝和起泡。

f. 起泡时,下面的微生物堆积,形成半渗透膜,引起金属表面的缝隙腐蚀。

g. 霉菌通过消耗固态和气态物质,破坏金属表面的电化学平衡,去除抗蚀的钝化膜。

3. 昆虫的影响

在热带、湿热地区,白蚁、昆虫等会带来如下的影响:

a. 毁坏结构。

b. 破坏绝缘。

c. 引起短路。


E. 臭氧和腐蚀气体

1.臭氧

臭氧在常温下为蓝色的爆炸性气体,有特臭,是已知较强氧化剂,具有广谱杀菌作用、毒性和腐蚀性,可以损坏多种物品,加速绝缘材料的氧化,降低绝缘性能,发生跳弧、破裂、裂纹、脆化、粒化等现象,机械强度下降,影响功能。

2. 工业废气

随着工业化的发展,全世界大气中含有的有害物质总量是十分惊人的。

受工业废气污染,容易形成酸雨,一般农村雨水的PH值为6.5,沿海地区为6.9,工业区为4.8,大工业区为4.2或4.0。据报道,1997年广东省因酸雨造成的直接经济损失超过40亿元。在含有工业废气污染的环境中,雨水、云雾、雪、露、霜和灰尘内都带有较大浓度的腐蚀介质,二氧化硫和其它硫酸盐明显的加速金属材料的大气腐蚀,硫的氧化物,使银变色发黑,增加导电接点之间的电阻,甚至引起打火,硝酸盐可以加速金属表面腐蚀等。

3. 有机气氛腐蚀

设备、包装所用的木材、塑料、橡胶、油漆、胶粘剂等非金属材料在不同的时间内,会散发出微量甲酸、乙酸、醛、酚、氨等挥发物,引起金属及镀层的腐蚀。气氛腐蚀比一般的大气腐蚀要严重的多,在30摄氏度、相对湿度1 00%条件下,乙酸含量的质量分数大0.05ppm就能大大加速锌的腐蚀,达到0.05~10ppm时,导致镁、锌、钢严重腐蚀,镍、铜、铝的轻微腐蚀。在密闭空间内,还容易形成腐蚀气氛源,黑色及有色金属处于甲醛、甲酸污染的空间内,其腐蚀产物是可溶的,腐蚀能够连续进行。


F. 辐射

1.太阳辐射

在地面和低大气层中使用或无遮蔽贮存的设备,太阳辐射所产生的效应有:

(1)热效应
太阳光谱的红外部分可以产生热效应,其热吸收量或放射量与被照射物体表面的粗糙程度和颜色有关。除了不同材料之间的膨胀有差异外,太阳辐射强度的变化还可以导致设备的各个部件以不同的速率膨胀或收缩,引起严重的应力和降低结构的完整性。太阳辐射的热效应有:

a. 活动机件卡死或松动。

b. 焊接口和胶粘零件强度降低。

c. 强度和弹性发生变化。

d. 联动装置准确度下降或失灵。

e. 密封完整性降低。

f. 元器件性能发生变化。

g. 电接触过早动作。

h. 色标部件褪色。

i. 合成橡胶和聚合物的性能变化。

j. 涂层和其它保护层起泡和脱落。

k. 封装化合物软化。

(2)光化学效应

太阳辐射造成的某些损坏可归因于光谱的其它成分,尤其是紫外部分。其反应速率随温度升高而加快。非金属尤其是有机物和合成材料易受太阳辐射的影响,天 然和合成橡胶会受到短波长辐射的光化学作用性能迅速劣化,塑料失去光泽,油漆龟裂、褪色,聚合物的强度和韧性降低等。

2. 核辐射

核环境会产生中子、β、γ射线,某些中子及γ射线还会穿透屏蔽物,加速中子会引起永 久性损坏,二次辐射的中子及γ射线会引起瞬时效应。


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