PCB板做环境试验的失效机理

PCB板做环境试验的失效机理PCB板中温湿度测试2008/11/25一、PCB板中温湿度测试综合试验箱由制冷系统、加热系统、控制系统、湿度系统、空气循环系统和传感器系统等组成，系统方框图如图7-2所示，所述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面简单介绍几个主要系统的工作原理和工作过程。1.制冷系统制冷系统是综合试验箱的关键部分之一。一般来说，综合试验箱的制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷。机械制冷采用蒸气压缩式制冷，该制冷方式是人工制冷中应用广泛而又经济的制冷方式之一。蒸气压缩式制冷型式有：（1）单级制冷；（2）多级制冷；（3）复合式制冷。蒸气压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成。由于试验时的温度低温要达到-50℃，单级制冷难以满足要求，因此综合试验箱的制冷方式一般采用复合式制冷。2加热系统综合试验箱的加热系统相对制冷系统而言，是比较简单的。它主要由大功率电阻丝组成。由于综合试验箱要求的升温速率较大（一般都要求在上升2℃/min），因此综合试验箱的加热系统功率都比较大。3控制系统控制部分是综合试验箱的核心，它决定了试验箱的升降温速率、精度等重要指标。现有综合试验箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相结合的控制方式。4湿度系统湿度系统分为加湿和除湿两个子系统。综合试验箱的加湿方式一般采用蒸气加湿法，即在试验箱内直接用电阻丝对水进行加热，从而使水蒸气来加湿。这种加湿方法加湿能力强，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。但是次试验箱内必须注意保持清洁，否则容易造成加湿盘的污染。综合试验箱的除湿方式有机械制冷除湿和干燥器除湿两种：（1）机械制冷除湿的除湿原理是将空气冷却到露点温度以下，使大于饱和含湿量的水气凝结析出，这样就降低了湿度。（2）干燥器除湿是利用气泵将试验箱内的空气抽出，并将干燥的空气注入，同时将湿空气送入可循环利用的干燥器进行干燥，干燥完后又送入试验箱内，如此反复循环进行除湿。现在大部分综合试验箱采用前一种除湿方法。后一种的除湿方法，可以使露点温度达到0℃以下，适用于有特殊要求的场合，但费用较高。5.传感器系统综合试验箱的传感器主要是温度和湿度传感器。温度传感器应用较多的是铂电阻，也有采用热电偶。湿度的测量方法有干湿球温度计法和固态电子式传感器直接测量法两种。其中干湿球法测量精度不高，现在的综合试验箱正逐步地以固态传感器代替干湿球来进行湿度的测量。6.空气循环系统空气循环系统一般由离心式风扇和驱动其运转的电机构成，其中有固定转速的和自动调节转速的两种。固定转速的如果要调节试验箱内的温度，是通过调节电阻丝的发热来控制的，它的控制相对风扇可以自动控制的比较简单。7.温湿度控制温湿度控制主要表现在温湿度的精确度，基本上普通的温湿度试验箱温度可上下2℃，湿度可上下10个百分点。相对来说比较好的温湿度试验箱能够实现温度上下0.5℃，湿度上下5个百分点。对于普通的测试，或者国际标准来讲前面的试验箱就可以满足要求。8.PCB板中温湿度测试和失效在温湿度环境测试中都会碰到温度变化率的问题，如果温度变化快则会变成温度冲击，而温度变化慢了又造成测试时间太长，不符合经济效益。一般来讲，温度变化率定为20℃/h。同时这样的一个温度变化率也将利于从低温到高温是出现的凝结水的影响效应。低温条件下不能直接把PCB板取出，以放置产生凝结水导致短路等现象发生。一般低温低湿条件可以不考虑，主要原因是失效在此条件下产生得比较少，还有就是能失效低温低湿的设备相对来说要贵很多，如非必要可以不做。再有就是每次用温湿度控制箱进行测试时必须要做的事是在测试前后把温湿度控制箱的温度和湿度调到一个固定的设定值，以确保温湿度控制箱的工作正常并延长使用寿命，具体的温湿度值是23℃和50%。（一）PCB板中高温高湿操作1目的通过在高温条件下来测试电路的稳定性，评价产品暴露于高温高湿期间发生的性能随时间退化的效应，检测印制电路板和元气的散热情况。2条件温湿度条件为温度40℃、湿度90%。推荐的测试时间为24h，这样可以全面了解电路散热水平。3影响（1）电路工作不稳定或者短路；（2）不同材料的膨胀不一致，导致电路板发生虚焊或者焊接裂化；（3）固定电阻阻值改变；（4）温度梯度不同和不同材料的胀差使电子线路的稳定性发生变化。（二）PCB板中温湿度循环1目的通过顺序改变元器件环境，施以低温和高温来检测其缺陷。检验印制电路板的电子迁移问题，芯片的物理实效问题以及塑料件的外表面的喷漆强度。2条件温度的范围为-40℃~125℃（工业用）或-65℃~150℃（军用）。推荐的循环次数为20次，最小是10次。温度极限处的保持时间至少为10min。温度循环后，可将温度降至25℃测量元器件的电特性参数，并与其技术指标比较。这种方法可以测定元器件对温度极限的耐受力以及交替面对这种极限值时的反应。3影响（1）导线联结，晶片底层粘连，晶片破裂；（2）热膨胀系数不匹配、密封及塑料封装；（3）喷漆的脱落、雾化和起泡等。（三）PCB板中高温储存1目的（1）评价装备稳定长期暴露于高温期间发生的性能随时间退化的效应，因为这种情况下可能包括一些叠加效应。（2）评价处在由于太阳辐射在装备内部产生明显的温度梯度高温环境的装备。（3）调查电子零部件、机器的热性变化，调查有源元件在高温下的动作或者通电后的劣化特性，调查润滑特性的劣化。这种试验可以暴露出如潮湿、金属化处理、硅片内部、离子污染、表面、氧化和接触方面的缺陷。2条件高温储存可使元器件面临比老化测试更高的温度，且无需对元器件施加电源。试验温度约为60℃,高温持续时间为48h。3影响促进氧化、扩散等的化学反应，引起膨胀、软化、蒸发、氧化、粘度低下、龟裂、扩散、液体泄漏等。（1）不同材料的膨胀不一致；（2）材料尺寸全部和局部地改变；（3）固定电阻阻值改变；（4）温度梯度不同和不同材料的胀差使电子线路的稳定性发生变化；（5）变压器和机电部件过热；（6）有机材料裂解或龟裂；（7）合成材料的放气；（8）继电器以及磁作动或过热装置的吸合与释放范围变化。（四）PCB板中低温操作1目的调查电子零部件、机器的耐寒性和低温储藏特性。观察由于结冰造成体积膨胀后的特性劣化、功能及性能劣化、由于收缩行程的机械特性。低温试验用于评价在储存和工作期间，低温条件对装备安全性和性能的影响。2条件低温操作可以检验元器件在低温下的特性。试验温度约为-20℃，持续时间为48h.3影响由于膨胀、收缩造成的热性的、机械性的变形，软化、脆化的促进，润滑性的低下，密封的失效，龟裂，水分的结冰。低温几乎对所有地基本材料都有不利的影响。对于暴露于低温环境地装备，由于低温会改变其组成材料的物理特性，因此可能会改变对其工作性能造成暂时或永久的损害。所以只是装备将暴露于低于标准环境地温度下，就要考虑进行低温试验，并且要考虑以下典型问题，以帮助确定试验方法是否适用于受试装备。（1）材料的硬化和脆化；（2）不同材料的收缩不一致；（3）电子器件（电阻、电容等）性能改变；（4）破裂、开裂和脆裂，冲击强度改变，强度降低；（5）变压器和机电部件地性能改变。（五）PCB板中热冲击1目的热冲击可评估元器件对极限温度和循环处于极限温度时的耐受力。观察由于热膨胀系数不同引起的尺寸变化，以及伴随而来的材料特性的密闭性的变化。这种测试可以发现如表面断裂、分层、封装破裂、电特性改变和填充物泄漏等问题。2条件热冲击测试分为工作和非工作状态两种。工作状态下相对于非工作状态下的要求是要低一些的，其中必须要注意的是温度变化的时间，美军规中提到温度变化时间除非有特别要求，一般不超过1min。如果不能实现则需要用液体来做，但是这又要注意试验产品是否具有防水能力，否则就不能采用。3影响由于膨胀收缩造成的变形、剥离、龟裂，由于内部水分的蒸发引起的龟裂、疲劳、加工面的开裂以及机械性的变位造成的电气特性的变化，以及造型零部件等的龟裂、端子密封部的评价、剥离、机械性的变形等。典型的情况如下：（1）装备在热区域和低温环境之间转移；（2）通过高性能运载工具，从高温环境升到高空；（3）温度冲击通常对装备靠近外面地部分影响更严重，离表面越远，温度变化越慢，影响越不显著；（1）运动部件地卡紧或松弛；（2）材料地收缩与膨胀率不同或诱发应变率不一致；（3）零部件变形或破裂；（4）表面涂层开裂；（5）电气和电子元器件地变化；（6）快速冷凝水或结霜引起电子或机械故障；（7）静电过大。（六）PCB板中的湿度1目的调查电子零部件、机器的湿度引起的劣化特性，评价绝缘材料的吸湿特性、储藏、低温度条件下的干燥特性。2条件湿度达到90%，在高温40℃下运行。3影响绝缘度降低，促进腐蚀、电解、结露、膨胀、泄漏电流增加，引起变形、特性变化、弯曲。温湿度测试与引起的主要失效如表7-1所列。（七）PCB板中老化测试老化测试是用来提高电子元器件的可接受性和降低失效率。由于电子产品的生命周期的特性，在产品早期存在早期实效问题，也就是说早期的失效率会相对较高，而后来的随机实效期则实效率较低，而且处于一个比较均衡的状态。正是由于产品早期的失效率问题存在，所以应该在产品到用户手中之前进行老化，从而是产品在用户手中处于一个稳定状态。如图7-3所示。