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1环境防护设计2概述一、定义：环境条件是指产品在贮存、运输和工作过程中可能遇到的一切外界影响因素环境条件对产品可靠性起着重要的影响。环境防护设计就是调查环境对产品可靠性影响，以便研究对策，采取有效措施，设计和制造耐环境的产品，提高产品的可靠性，这就是环境防护设计。3二、环境因素造成危害例子：1）在第二次世界大战期间，美国运往远东的航空无线电子设备由于湿热影响，有60%不能工作；2）盟军有8%的飞机在寒冷冬季遇难，原因就是飞机适应不了寒冷气候；3）美国侵朝战争期间，由于武器的包装、运输、贮存不当使武器装备损失高达45%。我国每年高达数十亿元多；4二、环境因素造成危害例子：4）高温高湿、雨淋、尘埃、硫化物等引起金属腐蚀。据估计，在美军电子系统的失效率中，腐蚀损坏约占20%，腐蚀损坏损失约占其总费用的15%-45%；5）英国生产的某种型号雷达，其MTBF为116h，在地中海地区使用为61h，在东南亚湿热气候地区使用仅为18h；5二、环境因素造成危害例子：6）在国民经济的各部门中，由于腐蚀造成的损失也是十分惊人的。根据美国国家标准局（NBS）近来的调查，由于腐蚀使美国每年的损失高达700亿美元，相当于当年国民生产总值的4%；英国在1969年估计每年损失至少是65亿英镑，占国民生产总值的3.5%；前苏联估计每年损失50-60亿卢布，这是一些惊人的数字。6三、环境影响分析电子设备在实际使用过程中，客观环境不是单一的，往往综合地作用于产品，有些成对环境因素作用于产品，其作用是加速的。如高温和湿度，高温将提高湿气浸透速度。而有些是降低其作用。如低温可以减少霉化作用，在0℃以下，霉化现象呈不活动状态；低温可以减小盐雾的侵蚀速度；低温将减少太阳辐射影响。7有些是在有条件情况下起作用。如：加速度和振动，在高温和低气压下，这种综合会增大各种影响。低压和加速度，伴随高温环境，这种综合才是重要的。湿度和低压，其影响程度取决于温度。只有在很低的温度情况下，低温和冲击振动才能起加强作用。8为了提高产品的可靠性，必须在方案论证与确定及设计阶段就考虑产品的环境防护。环境防护的第一步是确定产品的工作环境，第二步是确定在这种环境条件下所用的元器件及材料的性能。若是这种性能不能满足产品可靠性要求或处于临界状态量，就要采取环境防护措施，并且选择耐环境的元器件和材料等。不同环境条件，对电子设备影响程度有所不同。9例一：1971年，美国对机载电子设备全年的故障进行剖析，发现故障的原因如下：由温度引起的故障占22.2%；由振动引起的故障占11.38%；由潮湿引起的故障占10%；由砂尘引起的故障占4.16%；由盐雾引起的故障占1.94%；由低气压引起的故障占1.94%；由冲击引起的故障占1.11%；由其它原因引起的故障占47.3%；1050%以上的故障是由各种环境所致，而温度、振动、湿度三项环境造成电子设备43.58%；的故障率。所以温度、振动、湿度环境必须引起我们极大的注意。为了防护温度、振动、湿度对电子产品的影响，因此应进行热设计、缓冲减振及三防设计。热设计、缓冲减振设计专题讲述。11四、环境条件气候环境条件：温度、湿度、气压、风雨、雪冰、霜、露、沙尘、盐雾、油雾、游离气体；机械环境条件：振动、冲击、离心、碰撞、跌落、摇摆、静力负荷、失重、声振、爆炸、冲击波；辐射条件：太阳辐射、核辐射、紫外线辐射、宇宙线辐射；12四、环境条件生物条件：昆虫、霉菌、啮齿动物；电条件：电场、磁场、闪电、雷击、电晕、放电；人为因素：使用、维修、包装、保管、运输；13五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式高温热老化绝缘失效金属氧化接点接触电阻增大，金属材料表面电阻增大结构变化橡胶、塑料裂纹和膨胀设备过热元件损坏、着火、低熔点焊锡缝开裂、脱开粘度下降、蒸发丧失润滑特性低温增大粘度和浓度丧失润滑特性结冰现象电气机械功能变化脆化结构强度减弱，电缆损坏、蜡变硬、橡胶变脆物理收缩结构失效、增大活动件的磨损、衬垫、密封垫弹性消失元件性能改变铝电解电容器损坏、石英晶体往往不振荡，蓄电池容量降低14五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式高湿度吸收湿气物理性能下降，电强度降低，绝缘电阻降低，电介常数增大电化反应锈蚀机械强度下降电解功能、电气性能下降，增大绝缘体的导电性低气压膨胀容器破裂，爆裂膨胀漏气电气性能变化，机械强度下降空气绝缘绝缘击穿、烁弧。出现电弧、电量放电现象和形成臭氧，电气设备工作不稳定甚至故障强度下降容器破裂，爆裂膨胀散热不良设备温度升高15五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式沙尘磨损增大磨损、机械卡死、轴承损坏堵塞过滤器阻塞、影响功能、电气性能变化静电荷增大产生电噪声吸附水分降低材料的绝缘性能盐雾化学反应增大磨损，机械强度下降、电气性能变化、绝缘材料腐蚀锈蚀和腐蚀电解产生电化腐蚀、结构强度减弱干燥干裂机械强度下降脆化结构失效粒化电气性能变化16五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式风力作用结构失效、影响功能、机械强度下降材料沉积机械影响和堵塞，加速磨损热量损（低速风）加强低温影响热量增（高速风）加速高温影响雨物理应力结构失效，头锥、整流罩淋雨浸蚀吸收水和浸渍增大失热量，电气失效结构强度下降锈蚀破坏防护镀层，结构强度和表面特性下降腐蚀加速化学反应霉菌霉菌吞噬和繁殖有机材料强度降低、损坏，活动部分受阻塞导致其它形式的腐蚀，如电化腐蚀吸附水分光学透镜表面薄膜浸蚀，金属腐蚀和氧化分泌腐蚀液体有机材料强度降低、损坏，活动部分受阻塞导致其它形式的腐蚀，如电化腐蚀17五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式振动机械应力结构失效和强度下降，密封破坏，电器元件封装损坏化学反应加速氧化破裂、裂纹电气或机械性能发生变化脆化机械强度下降粒化影响功能空气绝缘强度下降绝缘性下降，发生条弧现象机械应力疲劳晶体管外引线、固体电路的管脚、导线折断电路中产生噪声金属构件断裂、变形、结构失效，联结器、继电器、开关的瞬间断开、电子插件性能下降。陀螺漂移增大，甚至产生故障，加速度表精度降低，输出脉冲数超过预定要求。导头特性和引信装置的电气功能下降。粘层、键合点脱开，电路瞬间短路，断路18五、环境影响和故障模式环境因素主要影响典型故障模式冲击机械应力结构失效，机件断裂或折断，电子设备瞬间短路噪声低频影响与振动相同，高频影响设备元件的谐振电子管、波导管、速调管、磁控管、压电元件、薄壁上的断电器，传感器活门、开关、扁平的旋转天线等均受影响，结构可能失效真空有机材料分解、蜕变、放气、蒸发冷焊放气和蒸发污染光学玻璃。轴承、齿轮、相机快门等活动部件磨损加快，两种金属表面会粘合在一起，产生冷焊现象加速度机械应力结构变形和破坏液压增加漏夜高压机械应力结构失效，密封破裂爆破环境严重机械应力破裂、结构破坏19“三防”设计一、“三防”设计的基本概念：所谓“三防”设计，即防潮湿、防盐雾、防霉菌。防潮湿：潮湿的影响在于，当空气相对湿度大于80%时，很多电子设备中的有机及无机材料构件由于受潮将增加重量，发胀，变形，金属构件腐蚀加速。如果绝缘材料选用及工艺处理不当，则绝缘电阻下降，以致绝缘击穿，性能破坏，造成故障。为保证可靠性应进行潮湿设计。20一、“三防”设计的基本概念防盐雾：盐雾的影响是盐雾与潮湿空气结合时，其中所含的半径很小的氯离子对金属保护膜有穿透作用。盐和水结合能使材料导电，故可使绝缘电阻降低，引起金属电蚀、化学腐蚀加速，使金属件与电镀件受破坏。二氧化硫、氯气、氨气等有害气体与潮湿空气会合便产生酸性、碱性气体。这些气体也有加速金属构件的腐蚀作用，使绝缘性下降。21一、“三防”设计的基本概念防霉菌：霉菌、白蚁等生物类也都在不同情况下对产品产生影响。例如霉菌在一定温度、湿度（一般25℃--35℃相对湿度80%以上）的环境条件，繁殖生长迅速，其分泌物形成的斑点影响产品外观；这些分泌物所含的弱酸会使电工仪表的金属细线腐蚀断，损坏电路功能。尤其在光学仪器上长霉，会是玻璃的反射和透光明显下降，破坏光学性能，所以设计中也进行防霉设计。22二、“三防”设计技术电子设备“三防”技术是一门综合科技，它主要包含“三防”电路设计技术、“三防”结构设计技术、“三防”工艺技术、“三防”试验技术及“三防”检测技术等。同时“三防”又是一项系统工程。在电子设备方案论证与确定时，就应进行系统的“三防”设计方案论证与确定，根据电子设备寿命剖析和任务剖面所经历的环境条件，确定有效的“三防”系统设计方案。在技术设计阶段，在电路设计上应采用“三防”电路设计技术和选用符合“三防”要求的的元器件原材料。23“三防”结构设计注意以下几点：1）在产品研究和设计之前，应根据该工程和设备预期的环境条件和“三防”等级，提出需解决的关键性技术和新材料、新工艺项目，使“三防”设计落实到可靠的材料、工艺基础上，贯彻到产品设计之中。2）正确地选用材料，包括金属材料、非金属材料。3）合理的结构设计和可靠的加工工艺。24“三防”结构设计注意以下几点：4）熟悉金属腐蚀和腐蚀控制方法，掌握了解电偶腐蚀，应力腐蚀和氢脆的基本理论，合理选择金属镀层和化学覆盖层。5）了解野外工作、海上或沿海工作的电子设备恶劣的工作环境，对每个部件的设计、选材、加工、装配、储存等，都要预测所受到的腐蚀程度及防护方法。25“三防”结构设计注意以下几点：6）正确选用有机涂层、尤其是工作在野外、海上电子设备，需选用耐候性好，经优选、认证可靠的涂层及涂装工艺技术；特别要重视零件的前处理工艺底漆和面漆的配合使用技术，这是涂装工艺的关键。7）重视机箱、机柜的面板设计，尽量采用经验证的可靠的新工艺、新材料。8）确定高标准的制造和装配环境，合理周密设计产品包装、运输和储存。26“三防”设计的基本方法常用的四种防护措施：1）材料防护：选用能抵御有害环境因素的新材料，如：铸铁、铸钢、不锈钢、钛合金钢、铝合金、工程塑料等。此外，还有很多更高的防护性新材料，如环氧型、聚脂型、有机硅型、聚酰亚胺型等绝缘及表面防护材料。2）工艺防护：为了进行三防，采用工艺防护措施，如：电镀、油漆、金属及塑料喷涂工艺和采用封闭绝缘工艺。27“三防”设计的基本方法常用的四种防护措施：3）结构防护。若采用材料与工艺防护达不到要求时，则从产品的整体或局部采取结构上的改进措施也十分有效，如对三防有特殊要求的电路、部件、组件、在结构上可以采取密封措施、效果很好。4）隔离防护。有时可以采用设备与有害环境隔离的措施，也可以采用局部隔离。例如，军用电台中放入吸潮的硅胶、放入防霉片等，可以起到潮气与电路隔离的作用。28“三防”设计的基本方法防潮湿设计方法：1）憎水处理：通过一定的工艺处理，以降低产品的吸水性或改变其采水性能，如用硅有机化合物蒸气处理，就可以提高产品的憎水能力。2）浸渍处理：用高强度与绝缘性能好的涂料来填充某些绝缘材料、各种线圈中的空隙、小孔、毛细管等。浸滞处理除可以防潮外，还可以提高纤维绝缘材料的击穿强度、热稳定性，化学稳定性、以提高元器件的机械强度。29“三防”设计的基本方法防潮湿设计方法：3）灌封：用环氧树脂、蜡类、沥青、油、不饱和聚酯树脂、硅橡胶等有机绝缘材料熔化后，注入元器件本身或与外壳间的空间或引线孔的空隙，冷却后自行固化封闭。4）密封装置：密封装置有塑料封装与金属封装两种。塑料封装是把零件直接装入注塑模具中与塑料制成一体。金属封装原则是把零件置于不透气的密封盒中，有的还在盒中注入气体或液体。从长远来看，金属封装的防潮效果比塑封更好。30“三防”设计的基本方法防潮湿设计方法：5）选用防潮材料：选用如铸铁、铸钢、不锈钢、钛合金钢、铝合金、工程塑料等，近年来由研究发展了很多新的防护材料，如环氧型、聚脂型、有机硅型、聚酰亚胺型等。6）表面涂覆：用有机绝缘漆喷涂材料表面，使其不受潮湿侵蚀。7）放置吸潮剂：把硅胶粒等吸潮剂放置于包装箱或设备内部，以便把进入的潮气随时吸掉。31“三防”设计的基本方法防盐雾设计方法：1）电镀：在钢铁零件表面镀上铅锡合金或锌锡合金等，都能防止盐雾侵蚀。2）涂覆：喷涂过有机绝缘涂料的表面，既能防潮，也