電子裝備故障的原因分析

1.引言

目前，電子產(chǎn)品在武器裝備中的重要性越來越高，對電子產(chǎn)品的可靠性要求也在隨之不斷提高。電子裝備現(xiàn)場實際使用結(jié)果表明，電子產(chǎn)品的故障率仍然是影響武器裝備及戰(zhàn)備完好性的主要因素之一。因此，研究電子產(chǎn)品故障與環(huán)境應(yīng)力間的關(guān)系，對于確定裝備中電子產(chǎn)品的可靠性試驗方法、有重點地加強產(chǎn)品的可靠性設(shè)計將起到極大的技術(shù)支持作用。國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，對于一般的電子產(chǎn)品，溫度、振動和濕度對其的影響最大，分別占環(huán)境引起故障數(shù)的40%、27%和19%,因此考慮這三個因素的作用已經(jīng)覆蓋了86%以上的環(huán)境對產(chǎn)品可靠性的影響。但是，國外的這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)對于我國電子裝備的符合性如何，我國電子裝備對哪些環(huán)境因素更為敏感，電子裝備中那些部位在那種環(huán)境因素作用下更易發(fā)生故障等均沒有進行過較為系統(tǒng)的研究。本文結(jié)合國內(nèi)可靠性試驗的故障數(shù)據(jù)對電子裝備故障與環(huán)境應(yīng)力間的對應(yīng)關(guān)系進行了統(tǒng)計，對故障規(guī)律進行了歸納，對故障機理進行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了實驗室以最佳費效比開展可靠性試驗的建議。

2.電子裝備故障機理分析

2.1 溫度循環(huán)誘發(fā)故障的機理

這種應(yīng)力和應(yīng)變在缺陷處最大，它起著應(yīng)力集中的作用。這種循環(huán)加載使缺陷長大。最終可大到能造成結(jié)構(gòu)故障并產(chǎn)生電性能故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全開裂，引起開路。熱循環(huán)是使釬焊接頭和印制電路板上電鍍通孔等產(chǎn)生故障的首要原因。持續(xù)時間受溫度循環(huán)次數(shù)控制，每次循環(huán)。應(yīng)力應(yīng)變方向變化一次，循環(huán)次數(shù)也是應(yīng)力應(yīng)變方向的變化次數(shù)。溫度變化范圍越大，電子裝備產(chǎn)品內(nèi)受到的應(yīng)力，應(yīng)變范圍越大，產(chǎn)品內(nèi)缺陷發(fā)展為故障所需的應(yīng)力應(yīng)變次數(shù)（也即循環(huán)次數(shù)）越少。

溫度循環(huán)激發(fā)出的主要故障模式如下：

（1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大；

（2）使粘接不好的接頭松弛；

（3）使螺釘連接或鉚接不當?shù)慕宇^松弛；

（4）使機械張力不足的壓配接頭松弛；

（5）使質(zhì)量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路；

（6）粒子污染。

2.2 高溫誘發(fā)故障的機理

在高溫的環(huán)境條件下，電子設(shè)備一般會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。過熱是電子設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因之一。故障是使設(shè)備性能退化的化學或物理變化引起的。因為隨著溫度的增加，電子、原子、分子的運動速度加快，使得電子設(shè)備的性能發(fā)生變化。隨著設(shè)備的老化，這些變化逐漸出現(xiàn)；當達到一定階段時。就引起嚴重的故障。到產(chǎn)品產(chǎn)生故障的時間受這些化學或物理變化的過程的速率控制，而這一速率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)。在高于一般室內(nèi)環(huán)境溫度（約20℃-25℃）范圍內(nèi)條件下，故障率大致按指數(shù)規(guī)律隨溫度的升高而增加。

高溫激發(fā)出的主要的故障模式如下：

（1）不同材料膨脹系數(shù)不一致使零件粘結(jié)在一起；

（2）潤滑劑粘度降低。潤滑劑外流使連接處損失潤滑能力；

（3）包裝、村墊、密封、軸承和軸發(fā)生變形、粘結(jié)和失效，引起機械性的故障或破壞完整性；

（4）溫度梯度的不同和不同材料膨脹不一致使得電子電路的穩(wěn)定性隨之改變；

（5）有機材料退色、裂開或出現(xiàn)裂紋；

（6）變壓器和機電組件過熱；

（7）繼電器和磁動或熱動裝置的接通/斷開范圍變化。

2.3 低溫誘發(fā)故障的機理

低溫的影響與高溫相反，由于電子、原子、分子運動速度減小。導(dǎo)致物質(zhì)收縮、流動性降低、凝結(jié)交硬。又因為冶煉、軋制、設(shè)計形狀，切削刨傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內(nèi)應(yīng)力，使構(gòu)件出現(xiàn)明顯脆性（冷脆現(xiàn)象）。

低溫激發(fā)出的主要故障模式如下：

（1）材料發(fā)硬變脆；

（2）各種材料收縮不一致和不同零部件膨脹率的差異使零件互相咬死；

（3）潤滑劑粘度增加，流動能力降低，使?jié)櫥饔脺p?。?/p>

（4）電子元器件（晶體管、電窯器等）的性能發(fā)生變化；

（5）變壓器和機電部件的性能發(fā)生改變；

（6）破裂和開裂、脆裂、沖擊強度改變，強度降低；

（7）受約束的玻璃產(chǎn)生靜疲勞。

2.4 振動誘發(fā)故障的機理

隨機振動是在很寬的頻率范圍內(nèi)對產(chǎn)品施加振動。產(chǎn)品在不同的頻率上同時受到應(yīng)力，使產(chǎn)品的許多共振點同時受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時共振。從而使安裝不當?shù)脑芘で?，碰撞等而損壞定額概率增加。振動應(yīng)力對揭示那些對反復(fù)的結(jié)構(gòu)變形或相對運動敏感的缺陷是有效的。電路板或?qū)Ь€接頭是在重復(fù)性應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致?lián)p壞性裂紋增長的例子。

振動激發(fā)出的主要的故障模式如下：

（1）結(jié)構(gòu)部件、引線或元件接頭產(chǎn)生疲勞，特別是類適于導(dǎo)線上有微裂紋、微觀裂紋和類似的缺陷；

（2）電纜磨損，如在松弛的電纜結(jié)處存在類似于尖緣那樣的缺陷時；

（3）制造不當?shù)穆葆斀宇^松弛；

（4）安裝加工不當?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路片離開插座；

（5）匯流條及其連到電路板上的釬焊接頭受到高應(yīng)力引起的釬接頭薄弱點失效；

（6）與可敬相對運動的部件橋形連接的元件引線沒有充分消除應(yīng)力而造成損壞，例如電路板前板的發(fā)光二極管或在背板散熱箱的功率晶體管；

（7）已損壞或安裝不當?shù)拇嘈越^緣材料中出現(xiàn)裂紋。

2.5 濕度誘發(fā)故障的機理

潮濕環(huán)境的影響是指產(chǎn)品或材料在潮濕條件下發(fā)生外觀或物理、化學和電性能方面的劣化并導(dǎo)致設(shè)備功能性失效綜合作用。在工作環(huán)境中有各種大氣污染物質(zhì)可能強化潮濕氣候的影響，例如各種腐蝕性氣體與潮濕的共同作用將加劇金腐蝕的速度，而某些容易吸收水分的塵埃將助長試驗樣品表面凝露或水氣吸收，從而加劇表面絕緣性能的下降。又如某些材料表面受潮后長霉，這種霉菌濕潤之后又會影響表面電阻下降，這些都會影響產(chǎn)品工作性能。

濕度激發(fā)出的故障模式主要有：

（1）表面吸收。當隱患與表面沾污有關(guān)時，吸收引起故障的機理是特別重要的。

（2）毛細凝露。當隱患與斷裂、縫隙和細孔有關(guān)時，毛細凝露是故障的主要機理。若水分以這種方式穿透表面保護層并作用于要保護的材料時，則很可能出現(xiàn)故障。

（3）通過松散材料的擴散是第三種故障機理。它通常不直接與隱患有關(guān)或很少有關(guān)。

這種機理是很慢的，要幾天到數(shù)月。

3.電子裝備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)看來，振動、溫度和濕度對電子裝備的可靠性影響很大。但是，對于一個產(chǎn)品的不同部件，它們對這三種應(yīng)力的響應(yīng)是不一樣的?，F(xiàn)把這三種應(yīng)力的作用范圍歸納如下：

3.1 振動

重復(fù)應(yīng)力或相對運動敏感的缺陷在振動應(yīng)力下最易暴露。例如：電路板或?qū)Ь€插頭是在重復(fù)應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致破壞性裂紋增長。

振動應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）部件之間由于焊接不牢而斷開；

（b）部件安裝不當時在振動的情況下引起開路；

（c）振動使得某些產(chǎn)品（如電機、電源）不能正常工作而導(dǎo)致故障；

（d）在產(chǎn)品裝配時由于存在拉伸或剪切應(yīng)力而導(dǎo)致故障。

3.2 溫度

熱應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）由于在高溫環(huán)境中不能充分冷卻或在低溫條件下同步不匹配造成的性能下降；

（b）低溫使得某些元器件的性能不穩(wěn)定而造成故障；

（c）由于熱膨脹系數(shù)不匹配，在熱應(yīng)力循環(huán)作用下產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

3.3 濕度

濕度應(yīng)力主要誘發(fā)的故障模式如下：

（a）產(chǎn)品受潮后性能退化；

（b）產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積到一定程度后在低溫狀態(tài)下結(jié)霜，導(dǎo)致產(chǎn)品開路；

（c）產(chǎn)品內(nèi)部濕度累積割一定程度后導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部電路板爬電。

這三種應(yīng)力的作用時間也有一定的規(guī)律：

（1）溫度應(yīng)力引起的故障暴露最早；

（2）振動應(yīng)力引起的故障，在一定的時間累積后工藝故障、加工故障和元器件故障先后出現(xiàn)；

（3）濕度應(yīng)力和綜合應(yīng)力引起的故障由于需要一定的時間累積，所以暴露的相對較晚；

（4）60%的缺陷可以在前160h的綜合環(huán)境試驗中暴露，并且可以大量暴露由溫度引起的元器件故障和振動引起的工藝故障。

4.結(jié)束語

根據(jù)本文的分析結(jié)果，建議在今后設(shè)計電子裝備的可靠性試驗方案時可以考慮先進行一定時間的綜合環(huán)境試驗，這一時間可以根據(jù)不同產(chǎn)品的具體情況，考慮元器件的質(zhì)量水平、加工工藝水平等因素加以確定，如選擇200h、300h等。利用這一綜合環(huán)境試驗暴露與溫度、濕度相關(guān)的故障、與溫度濕度綜合應(yīng)力相關(guān)的故障以及與振動相關(guān)的早期故障。這一綜合環(huán)境試驗時間完成后，可以僅對產(chǎn)品進行振動試驗，按振動加速原理采取加速試驗方式進行試驗。這樣。既可以達到暴露產(chǎn)品故障的目的，同時還可以極大地縮短試驗時間，從而提高可靠性試驗的費效比。