導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的主要環(huán)境應(yīng)力

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本篇主要介紹導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的幾種主要環(huán)境應(yīng)力，內(nèi)容節(jié)選自《電子微組裝可靠性設(shè)計（基礎(chǔ)篇）》，本篇的思維導(dǎo)圖如下

電子產(chǎn)品的工作過程中，除了電載荷的電壓、電流等電應(yīng)力外，環(huán)境應(yīng)力還包括高溫和溫循、機械振動和沖擊、潮濕和鹽霧、電磁場干擾等。在上述環(huán)境應(yīng)力的作用下，產(chǎn)品可能出現(xiàn)性能退化、參數(shù)漂移、材料腐蝕等，甚至失效。

電子產(chǎn)品制造出來后，從篩選、庫存、運輸?shù)绞褂谩⒕S修，無不受到環(huán)境應(yīng)力的作用，致使產(chǎn)品的物理、化學(xué)、機械和電性能不斷發(fā)生變化，其變化過程可以是緩慢的，也可以是瞬變的，這完全取決于環(huán)境應(yīng)力的種類和應(yīng)力的大小。

一、 溫度應(yīng)力

在任何環(huán)境下電子產(chǎn)品都會承受溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力的大小取決于所處的環(huán)境類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，溫度應(yīng)力包括穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力和變化溫度應(yīng)力。

穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在某一溫度環(huán)境下工作或貯存時自身的響應(yīng)溫度。當(dāng)響應(yīng)溫度超過產(chǎn)品所能承受的極限時，組件產(chǎn)品將無法工作在規(guī)定的電參數(shù)范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致產(chǎn)品材料軟化變形或絕緣性能下降，甚至過熱燒毀，對產(chǎn)品而言此時承受的是高溫過應(yīng)力，高溫過應(yīng)力在很短的作用時間內(nèi)就能導(dǎo)致產(chǎn)品失效；當(dāng)響應(yīng)溫度未超過產(chǎn)品規(guī)定的工作溫度范圍時，穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力的作用則表現(xiàn)在長時間作用的效應(yīng)上，溫度的長時間作用使產(chǎn)品材料逐漸老化、電性能參數(shù)漂移或超差，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效，對產(chǎn)品而言此時承受的溫度應(yīng)力是長期溫度應(yīng)力。電子產(chǎn)品承受的穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力來自產(chǎn)品所處的環(huán)境溫度載荷和自身功耗產(chǎn)生的熱量，例如，由于散熱系統(tǒng)故障、裝備高溫?zé)崃餍孤?dǎo)致部件溫度超出允許溫度的上限，部件承受的是高溫過應(yīng)力；在貯存環(huán)境溫度長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，產(chǎn)品承受的是長期溫度應(yīng)力?？梢酝ㄟ^步進高溫烘烤試驗確定電子產(chǎn)品的耐高溫極限能力，通過穩(wěn)態(tài)壽命試驗（高溫加速）評價電子產(chǎn)品在長期溫度下工作的壽命。

變化溫度應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品處于變化溫度狀態(tài)時，由于產(chǎn)品各功能材料的熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致材料界面承受因溫度變化所產(chǎn)生的一種熱應(yīng)力。當(dāng)溫度變化劇烈時，可能使產(chǎn)品在材料界面發(fā)生瞬間爆裂而失效，此時產(chǎn)品承受的是溫變過應(yīng)力或稱溫度沖擊應(yīng)力；當(dāng)溫度變化較為緩慢時，變化溫度應(yīng)力的作用表現(xiàn)為長時間的作用效應(yīng)，材料界面不斷承受溫變下產(chǎn)生的熱應(yīng)力，局部微區(qū)可能出現(xiàn)微裂損傷，這種損傷逐漸積累，最終導(dǎo)致產(chǎn)品材料界面開裂或破損失效，此時產(chǎn)品承受的是長期溫變應(yīng)力或稱溫度循環(huán)應(yīng)力。電子產(chǎn)品承受的變化溫度應(yīng)力來自產(chǎn)品所處環(huán)境的溫度變化和自身的開關(guān)工作狀態(tài)。例如，在從溫暖的室內(nèi)搬到寒冷的室外、在強烈的太陽輻射下、突然降雨或浸到水中、飛機從地面到高空的快速溫度變化、寒帶環(huán)境的間斷工作、太空中朝陽和背陽的變化、微電路模塊的再流焊和返工等情況下，產(chǎn)品承受的是溫度沖擊應(yīng)力；在自然氣候溫度的周期變化、間斷工作狀態(tài)、設(shè)備系統(tǒng)本身的工作溫度變化、通信設(shè)備通話量變化導(dǎo)致設(shè)備功耗波動的情況下，產(chǎn)品承受的是溫度循環(huán)應(yīng)力?？梢酝ㄟ^熱沖擊試驗評價電子產(chǎn)品在遭受溫度巨變時的抵抗能力，通過溫度循環(huán)試驗評價電子產(chǎn)品在高低溫交替變化條件下長時間工作的適應(yīng)能力。

二、 機械應(yīng)力

電子產(chǎn)品承受的機械應(yīng)力包括機械振動、機械沖擊、恒定加速度（離心力）三種應(yīng)力。

機械振動應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在環(huán)境外力的作用下圍繞某一平衡位置進行往復(fù)運動所產(chǎn)生的一種機械應(yīng)力。機械振動按其產(chǎn)生的原因分類有自由振動、強迫振動、自激振動；按機械振動的運動規(guī)律分類有正弦振動、隨機振動，這兩種振動形式對產(chǎn)品產(chǎn)生的破壞力不同，后者破壞力度更大，因此振動試驗考核大部分采用隨機振動試驗。機械振動對電子產(chǎn)品的影響包括由振動引起產(chǎn)品的變形、彎曲、裂紋、斷裂等，長期處于振動應(yīng)力作用下的電子產(chǎn)品，將使結(jié)構(gòu)界面材料因疲勞而出現(xiàn)開裂，發(fā)生機械疲勞失效；若發(fā)生共振則導(dǎo)致過應(yīng)力開裂失效，使電子產(chǎn)品發(fā)生瞬間結(jié)構(gòu)破壞。電子產(chǎn)品承受的機械振動應(yīng)力來自工作環(huán)境的機械載荷，例如，飛機、車輛、船舶、空中飛行器和地面機械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、脈動、振蕩等環(huán)境機械載荷，特別是在產(chǎn)品非工作狀態(tài)下的運輸中和作為車載或機載部件在工作狀態(tài)下的運行中都難免承受機械振動應(yīng)力?？梢酝ㄟ^機械振動試驗（特別是隨機振動試驗）評價電子產(chǎn)品在工作過程中受到重復(fù)性機械振動的適應(yīng)能力。

機械沖擊應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在環(huán)境外力的作用下與另一物體（或構(gòu)件）發(fā)生單次相互直接作用，導(dǎo)致產(chǎn)品在瞬間發(fā)生力、位移、速度或加速度的突然變化所產(chǎn)生的一種機械應(yīng)力，在機械沖擊應(yīng)力的作用下，產(chǎn)品能在極短的時間內(nèi)釋放轉(zhuǎn)移相當(dāng)大的能量，使產(chǎn)品遭受嚴(yán)重破壞，如導(dǎo)致電子產(chǎn)品誤動作、瞬間開路/短路以及組裝封裝結(jié)構(gòu)的開裂、斷裂等。與振動的長時間作用所帶來的累積損傷不同，機械沖擊對產(chǎn)品的破壞表現(xiàn)為能量的集中釋放，所以機械沖擊試驗量級較大、沖擊脈沖持續(xù)時間較短，造成產(chǎn)品破壞的峰值即主脈沖的持續(xù)時間只有數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒，主脈沖之后的振動衰減很快。這種機械沖擊應(yīng)力的大小由峰值加速度和沖擊脈沖持續(xù)時間共同決定，峰值加速度的大小反映了施加給產(chǎn)品的沖擊力的大小，而沖擊脈沖持續(xù)時間的長短對產(chǎn)品的影響則與產(chǎn)品的固有頻率有關(guān)。電子產(chǎn)品承受的機械沖擊應(yīng)力來自電子設(shè)備和裝備機械狀態(tài)的劇烈變化，例如，車輛緊急制動和撞擊、飛機的空投和墜落、炮火的發(fā)射、化學(xué)能爆炸和核爆、導(dǎo)彈爆炸等帶來的強烈機械沖擊力，由于裝卸、運輸或現(xiàn)場工作而造成的突然受力或突然移動也會使產(chǎn)品承受機械沖擊力。可以通過機械沖擊試驗評價電子產(chǎn)品（如電路結(jié)構(gòu)）在使用和運輸中受到非重復(fù)性機械沖擊的適應(yīng)能力。

恒定加速度（離心力）應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在運動的載體上工作時由于載體運動方向連續(xù)變化而產(chǎn)生的一種離心作用力。離心力是一種虛擬的慣性力，它使旋轉(zhuǎn)的物體始終保持著遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的趨勢，離心力與向心力大小相等、方向相反，一旦由合外力形成并指向圓心的向心力消失，旋轉(zhuǎn)物體將不再旋轉(zhuǎn)而是沿此刻旋轉(zhuǎn)軌跡的切線方向飛出，對產(chǎn)品而言此刻便發(fā)生了破壞。離心力的大小與運動物體的質(zhì)量、運動速度和加速度（旋轉(zhuǎn)半徑）有關(guān)，對于焊接不牢固的電子元器件，在離心力的作用下會發(fā)生因焊點脫開而導(dǎo)致的元器件飛離現(xiàn)象，使產(chǎn)品失效。電子產(chǎn)品承受的離心力來自電子設(shè)備和裝備在運動方向上連續(xù)變化的運行狀態(tài)，例如，運行的車輛、飛機、火箭以及導(dǎo)彈變向等，使得電子設(shè)備及內(nèi)部元器件要承受重力以外的離心力作用，其作用時間從幾秒到幾分鐘不等，以火箭、導(dǎo)彈為例，一旦變向完成則離心力消失，再次變向離心力又再次作用，可能形成長期不斷作用的離心力?？梢酝ㄟ^恒定加速度試驗（離心試驗）評價電子產(chǎn)品特別是大體積表貼元件焊接結(jié)構(gòu)的牢固性。

三、潮濕應(yīng)力

潮濕應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在一定濕度的大氣環(huán)境中工作時所承受的潮濕應(yīng)力。電子產(chǎn)品對濕度非常敏感，一旦環(huán)境的相對濕度超過30%RH，產(chǎn)品金屬材料就有可能受到腐蝕，電性能參數(shù)可能漂移或超差。例如，在長期高濕條件下，絕緣材料吸潮后絕緣性能下降，造成短路或高壓電擊；對于接觸性電子元件，如插頭、插座等，其表面附著水分的情況下容易發(fā)生腐蝕，生成氧化膜，使得接觸性器件電阻增大，嚴(yán)重時將造成電路不通；嚴(yán)重潮濕環(huán)境下，霧氣或水汽會使繼電器觸點動作時出現(xiàn)火花，無法再動作；半導(dǎo)體芯片對水汽更為敏感，一旦芯片表面水汽超標(biāo)，其布線Al的腐蝕會變得極為迅速；為避免電子元器件被水汽腐蝕，采取包封或氣密封裝技術(shù)使元器件與外界大氣和污染隔離。電子產(chǎn)品承受的潮濕應(yīng)力來自電子設(shè)備和裝備工作環(huán)境中附著材料表面的水汽和滲入元器件內(nèi)部的水汽，潮濕應(yīng)力的大小與環(huán)境濕度的高低有關(guān)。我國東南沿海地區(qū)是濕度較高的地區(qū)，特別是春夏季節(jié)，相對濕度最高達(dá)到90%RH以上，潮濕影響是一個不可回避的問題?？梢酝ㄟ^穩(wěn)態(tài)濕熱試驗、耐濕試驗評價電子產(chǎn)品在高濕條件下使用或貯存的適應(yīng)性。

四、鹽霧應(yīng)力

鹽霧應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在由含鹽微小液滴構(gòu)成的大氣彌散環(huán)境中工作時材料表面所承受的鹽霧應(yīng)力。鹽霧一般來自海洋氣候環(huán)境、內(nèi)地鹽湖氣候環(huán)境，其主要成分為NaCl和水汽，Na+和Cl-離子的存在是導(dǎo)致金屬材料被腐蝕的根本原因。當(dāng)鹽霧附著在絕緣體表面時，將使其表面電阻降低，而絕緣體吸收鹽溶液后，它的體電阻將降低4個數(shù)量級；鹽霧附著在運動的機械部件表面時，由于腐蝕物的產(chǎn)生增大了摩擦系數(shù)甚至?xí)霈F(xiàn)運動部件被卡死的狀況；盡管采取了包封和氣密封裝技術(shù)以避免半導(dǎo)體芯片的腐蝕，但電子器件的外引腳不可避免經(jīng)常因鹽霧銹蝕而失去作用；印制電路板（PCB）的腐蝕物可以把相鄰的布線短路。電子產(chǎn)品承受的鹽霧應(yīng)力來自大氣環(huán)境中的含鹽霧氣，在沿海地區(qū)或船舶、艦艇上，大氣中含有很多鹽分，這對電子元器件的封裝帶來嚴(yán)重影響?？梢酝ㄟ^鹽霧試驗加速腐蝕的方式評價電子封裝耐鹽霧的適應(yīng)性。

五、電磁應(yīng)力

電磁應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在電場和磁場交互變化的電磁場中所承受的電磁應(yīng)力。電磁場包含電場與磁場兩個方面，其特性分別用電場強度E（或電位移D）和磁通密度B（或磁場強度H）表示。在電磁場中，電場和磁場密切相關(guān)，時變的電場會引起磁場，時變的磁場會引起電場，電場與磁場相互激勵導(dǎo)致電磁場的運動而形成電磁波。電磁波能夠在真空或物質(zhì)中自傳播，電場和磁場同相振蕩且相互垂直在空間以波的形式移動，移動中的電場、磁場、傳播方向三者相互垂直，在真空中電磁波的傳播速率為光速（3×10 ^8m/s）。通常電磁干擾關(guān)注的電磁波是無線電波和微波，電磁波頻率越高電磁輻射能力越大。對電子組件產(chǎn)品而言，電磁場的電磁干擾（EMI）是影響組件電磁兼容性（EMC）的主要因素，這種電磁干擾源來自電子組件內(nèi)部元器件之間的相互干擾和外部電子設(shè)備的干擾，對電子組件的性能和功能可能造成嚴(yán)重影響。例如，DC/DC電源模塊內(nèi)部磁性元件若對電子器件產(chǎn)生電磁干擾，將直接影響輸出紋波電壓參數(shù)；射頻輻射對電子產(chǎn)品的影響會通過產(chǎn)品外殼直接進入內(nèi)部電路，或被接口線端轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)騷擾，進入產(chǎn)品內(nèi)部。可以通過電磁兼容性試驗和電磁場近場掃描檢測評價電子組件的抗電磁干擾能力。

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