Główne obciążenia środowiskowe powodujące awarię produktu elektronicznego

Podczas procesu pracy produktów elektronicznych, oprócz naprężeń elektrycznych, takich jak napięcie i prąd odbiorników elektrycznych, naprężenia środowiskowe obejmują również cykle wysokiej temperatury i temperatury, wibracje i uderzenia mechaniczne, wilgoć i mgłę solną, zakłócenia pola elektromagnetycznego itp. wpływem powyższego stresu środowiskowego produkty mogą ulec pogorszeniu, zmianie parametrów, korozji materiału itp., a nawet ulec uszkodzeniu.

Po wytworzeniu produktów elektronicznych, począwszy od kontroli, inwentaryzacji, transportu, użytkowania i konserwacji, wszystkie one podlegają wpływom środowiska, powodując ciągłą zmianę właściwości fizycznych, chemicznych, mechanicznych i elektrycznych produktu. Proces zmian może być powolny lub powolny. Przejściowe, wszystko zależy od rodzaju stresu środowiskowego i wielkości stresu.

1. Stres temperaturowy

Produkty elektroniczne wytrzymują obciążenie temperaturowe w każdym środowisku. Wielkość naprężenia temperaturowego zależy od rodzaju środowiska, struktury produktu i stanu pracy. Naprężenie temperaturowe obejmuje naprężenie temperaturowe w stanie ustalonym i naprężenie zmieniające się.

Naprężenie temperaturowe w stanie ustalonym odnosi się do temperatury reakcji produktów elektronicznych, gdy są one eksploatowane lub przechowywane w środowisku o określonej temperaturze. Gdy temperatura reakcji przekroczy granicę, jaką może wytrzymać produkt, komponent produktu nie będzie mógł pracować w określonym zakresie parametrów elektrycznych, co może spowodować zmiękczenie i odkształcenie materiału produktu lub zmniejszenie właściwości izolacyjnych, a nawet przegrzanie i spalić. W tym czasie produkt jest poddawany działaniu wysokich temperatur. Przeciążenie i przeciążenie wysokotemperaturowe mogą spowodować awarię produktu w krótkim czasie; gdy temperatura reakcji nie przekracza określonego zakresu temperatur roboczych produktu, wpływ naprężenia temperaturowego w stanie ustalonym objawia się efektem długotrwałym, a temperatura Długoterminowe skutki spowodują stopniowe starzenie się materiałów produktu i elektryczne parametry wydajności wahają się lub przekraczają tolerancje, co ostatecznie prowadzi do awarii produktu. W przypadku produktu stres temperaturowy, któremu podlega w tym czasie, jest długotrwałym stresem temperaturowym. Naprężenie temperaturowe w stanie ustalonym, któremu podlegają produkty elektroniczne, wynika z obciążenia temperaturą otoczenia produktu oraz ciepła generowanego przez jego własny pobór mocy. Na przykład z powodu awarii układu chłodzenia lub wycieku ciepła w wysokiej temperaturze z urządzenia temperatura elementu przekroczy górną granicę dopuszczalnej temperatury, a element wytrzyma wysokie temperatury. Nadmierny stres; gdy temperatura środowiska przechowywania jest stabilna przez długi czas, produkt poddawany jest długotrwałemu stresowi temperaturowemu. Graniczną odporność produktów elektronicznych na wysoką temperaturę można określić za pomocą etapowego testu pieczenia w wysokiej temperaturze, a żywotność produktów elektronicznych pracujących w długotrwałych temperaturach można ocenić za pomocą testu trwałości w stanie ustalonym (przyspieszenie w wysokiej temperaturze).

Zmieniające się naprężenie temperaturowe odnosi się do naprężeń termicznych na powierzchni styku materiału spowodowanych zmianami temperatury, gdy produkt elektroniczny znajduje się w zmieniającym się stanie temperatury, ze względu na różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej każdego materiału funkcjonalnego produktu. Gdy temperatura zmieni się drastycznie, produkt może pęknąć na styku materiału i ulec uszkodzeniu. W tym czasie produkt poddawany jest nadmiernemu naprężeniu spowodowanemu zmianą temperatury lub szokowi temperaturowemu; gdy temperatura zmienia się stosunkowo powoli, efekt zmiany naprężenia temperaturowego objawia się długoterminowo. Powierzchnia styku materiału w dalszym ciągu wytrzymuje naprężenia termiczne powstające pod wpływem zmian temperatury, a w lokalnych mikroobszarach mogą wystąpić uszkodzenia mikropęknięcia. Uszkodzenia te stopniowo kumulują się, ostatecznie prowadząc do pęknięć lub uszkodzeń powierzchni styku materiału produktu. W tym czasie produkt poddawany jest długotrwałym zmianom temperatury. Naprężenie lub stres związany z cyklem temperaturowym. Zmieniające się obciążenie temperaturowe, jakiego doświadczają produkty elektroniczne, wynika ze zmian temperatury otoczenia, w którym produkt się znajduje, oraz jego własnego stanu przełączania. Na przykład podczas przechodzenia z ciepłego pomieszczenia do zimnego na zewnątrz, przy silnym nasłonecznieniu, nagłych opadach deszczu lub zanurzeniu w wodzie, szybkich zmianach temperatury statku powietrznego z ziemi na dużą wysokość, przerywaną pracą w zimnych strefach otoczenia oraz skierowaniem statku powietrznego w stronę słońca i zmiany zachodzącego słońca w przestrzeni. Zmiany, lutowanie rozpływowe i przeróbki modułów mikroukładów itp., produkt poddawany jest szokowi temperaturowemu; okresowe zmiany naturalnej temperatury klimatu, przerywane warunki pracy, zmiany temperatury roboczej samego systemu sprzętu i zmiany głośności połączeń sprzętu komunikacyjnego powodują, że sprzęt zmienia się pobór mocy, produkt poddawany jest obciążeniom związanym z cyklem temperaturowym. Test szoku termicznego można zastosować do oceny odporności produktów elektronicznych na nagłe zmiany temperatury, a test cyklu temperaturowego można zastosować do oceny zdolności przystosowania produktów elektronicznych do długotrwałej pracy w zmiennych warunkach wysokiej i niskiej temperatury.

2. Naprężenia mechaniczne

Naprężenia mechaniczne, którym podlegają produkty elektroniczne, obejmują wibracje mechaniczne, wstrząsy mechaniczne i stałe przyspieszenie (siła odśrodkowa).

Mechaniczne naprężenie wibracyjne odnosi się do naprężeń mechanicznych wytwarzanych przez produkty elektroniczne poruszające się ruchem posuwisto-zwrotnym wokół określonej pozycji równowagi pod działaniem zewnętrznych sił środowiskowych. Drgania mechaniczne dzieli się ze względu na przyczynę ich powstawania na drgania swobodne, drgania wymuszone i drgania samowzbudne; zgodnie z zasadami ruchu drgań mechanicznych dzieli się je na drgania sinusoidalne i drgania losowe. Te dwie formy wibracji mają różną siłę niszczącą produkty. To drugie jest bardziej destrukcyjne. Większy, dlatego większość ocen testów wibracyjnych uwzględnia losowe testy wibracyjne. Wpływ wibracji mechanicznych na produkty elektroniczne obejmuje odkształcenia, zginanie, pęknięcia, złamania itp. spowodowane wibracjami. Produkty elektroniczne, które przez długi czas były poddawane naprężeniom wibracyjnym, spowodują pękanie materiałów konstrukcyjnych z powodu zmęczenia i powodują mechaniczne uszkodzenia zmęczeniowe; jeśli tak się stanie, rezonans prowadzi do pęknięcia spowodowanego nadmiernym naprężeniem, powodując natychmiastowe uszkodzenie strukturalne produktów elektronicznych. Naprężenia wibracyjne mechaniczne, jakie przenoszą produkty elektroniczne, wynikają z obciążeń mechanicznych środowiska pracy, takich jak rotacja, pulsacja, oscylacja i inne obciążenia mechaniczne środowiska występujące w samolotach, pojazdach, statkach, pojazdach powietrznych i naziemnych konstrukcjach mechanicznych, szczególnie podczas transportu, gdy produkt nie jest w stanie użytkowym. Jako elementy montowane w pojazdach lub w powietrzu, są one nieuchronnie poddawane podczas pracy mechanicznym naprężeniom wibracyjnym. Przystosowalność produktów elektronicznych do powtarzających się drgań mechanicznych podczas pracy można ocenić za pomocą testów wibracji mechanicznych (zwłaszcza testów wibracji losowych).

Mechaniczne naprężenie udarowe oznacza naprężenie mechaniczne spowodowane pojedynczą bezpośrednią interakcją między produktem elektronicznym a innym obiektem (lub elementem) pod wpływem zewnętrznych sił otoczenia, powodującą nagłą zmianę siły, przemieszczenia, prędkości lub przyspieszenia produktu w blyskawiczny. Stres. Pod wpływem naprężeń mechanicznych produkty mogą uwolnić i przenieść znaczną energię w bardzo krótkim czasie, powodując poważne uszkodzenia produktu, takie jak nieprawidłowe działanie produktów elektronicznych, natychmiastowe rozwarcie/zwarcie oraz pękanie i pękanie konstrukcja montażowa i pakująca. Czekać. W odróżnieniu od skumulowanych uszkodzeń spowodowanych długotrwałymi wibracjami, uszkodzenia produktów spowodowane uderzeniami mechanicznymi polegają na skoncentrowanym uwolnieniu energii. Dlatego wielkość próby udarności mechanicznej jest duża, a czas trwania impulsu udarowego krótki. Szczytowa wartość uszkodzenia produktu jest główna. Czas trwania impulsu wynosi tylko kilka milisekund do kilkudziesięciu milisekund, a wibracje po głównym impulsie szybko zanikają. Wielkość tego mechanicznego naprężenia udarowego jest określona przez szczytowe przyspieszenie i czas trwania impulsu udarowego. Wielkość szczytowego przyspieszenia odzwierciedla wielkość siły uderzenia przyłożonej do produktu, natomiast wpływ czasu trwania impulsu uderzenia na produkt jest powiązany z częstotliwością drgań własnych produktu. powiązany. Mechaniczne naprężenia udarowe, którym podlegają produkty elektroniczne, wynikają z drastycznych zmian stanu mechanicznego sprzętu i sprzętu elektronicznego, takich jak awaryjne hamowanie i uderzenia pojazdów, zrzuty i katastrofy samolotów, uruchomienie ognia artyleryjskiego, eksplozje energii chemicznej i eksplozje nuklearne, eksplozje rakiet itp. Silne uderzenia mechaniczne, nagła siła lub nagły ruch podczas załadunku, rozładunku, transportu lub prac na miejscu również spowodują, że produkt wytrzyma uderzenia mechaniczne. Testy udarności mechanicznej można wykorzystać do oceny zdolności adaptacji produktów elektronicznych (takich jak struktury obwodów) do jednorazowych uderzeń mechanicznych podczas użytkowania i transportu.

Naprężenie stałego przyspieszenia (siły odśrodkowej) odnosi się do siły odśrodkowej generowanej przez ciągłą zmianę kierunku ruchu nośnika, gdy produkty elektroniczne pracują na poruszającym się nośniku. Siła odśrodkowa to wirtualna siła bezwładności, która sprawia, że ​​obracający się obiekt oddala się od środka obrotu. Siła odśrodkowa ma taką samą wielkość i ma przeciwny kierunek do siły dośrodkowej. Gdy siła dośrodkowa utworzona przez wypadkową siłę zewnętrzną i skierowana w środek okręgu zniknie, obracający się obiekt nie będzie już się obracał. Zamiast tego wylatuje w tym momencie wzdłuż stycznego kierunku trajektorii obrotu i w tym momencie produkt ulega uszkodzeniu. Wielkość siły odśrodkowej jest powiązana z masą, prędkością i przyspieszeniem (promieniem obrotu) poruszającego się obiektu. W przypadku elementów elektronicznych, które nie są mocno zespawane, elementy odlecą w wyniku oderwania połączeń lutowniczych pod wpływem siły odśrodkowej, co powoduje odrzucenie elementów. Awaria produktu. Siła odśrodkowa, na którą działają produkty elektroniczne, wynika z ciągle zmieniającego się stanu pracy sprzętu elektronicznego i sprzętu w kierunku ruchu, na przykład zmiany kierunku poruszających się pojazdów, samolotów, rakiet i pocisków itp., co powoduje, że sprzęt elektroniczny i wewnętrzne elementy wytrzymujące siły odśrodkowe inne niż grawitacja. Czas jego działania waha się od kilku sekund do kilku minut, na przykład rakiety i pociski. Po zakończeniu zmiany kierunku siła odśrodkowa zanika, a siła odśrodkowa działa ponownie po ponownej zmianie kierunku, co może wytworzyć długotrwałą ciągłą siłę odśrodkową. Trwałość konstrukcji spawanej produktów elektronicznych, zwłaszcza wielkogabarytowych elementów do montażu powierzchniowego, można ocenić poprzez badanie stałego przyspieszenia (badanie odśrodkowe).

3. Stres wilgoci

Stres wilgoci odnosi się do stresu wilgoci, któremu podlegają produkty elektroniczne podczas pracy w środowisku atmosferycznym o określonej wilgotności. Produkty elektroniczne są bardzo wrażliwe na wilgoć. Gdy wilgotność względna otoczenia przekroczy 30% RH, materiały metalowe produktów mogą ulec korozji, a parametry wydajności elektrycznej mogą dryfować lub przekraczać tolerancje. Na przykład w długotrwałych warunkach wysokiej wilgotności właściwości izolacyjne materiałów izolacyjnych zmniejszą się po wchłonięciu wilgoci, powodując zwarcia lub porażenia prądem elektrycznym o wysokim napięciu; w przypadku stykowych elementów elektronicznych, takich jak wtyczki, gniazdka itp., gdy wilgoć przylgnie do powierzchni, łatwo nastąpi korozja i utworzy się warstwa tlenku. , powodując wzrost rezystancji urządzenia stykowego, a w ciężkich przypadkach obwód zostanie zablokowany; w bardzo wilgotnym środowisku mgła lub para wodna spowodują pojawienie się iskier podczas działania styków przekaźnika, które przestaną działać; chipy półprzewodnikowe są bardziej wrażliwe na parę wodną, ​​a gdy para wodna pojawi się na powierzchni chipa, jeśli przekroczy ona normę, korozja przewodów Al stanie się niezwykle szybka; aby zapobiec korozji elementów elektronicznych przez parę wodną, ​​stosuje się technologię hermetyzacji lub hermetycznego pakowania, aby odizolować elementy od atmosfery zewnętrznej i zanieczyszczeń. Naprężenie wilgoci, któremu podlegają produkty elektroniczne, pochodzi z pary wodnej przyczepionej do powierzchni materiałów w środowisku pracy sprzętu elektronicznego i sprzętu oraz pary wodnej, która przenika do komponentów. Wielkość naprężenia wilgoci jest powiązana z poziomem wilgotności otoczenia. Południowo-wschodnie obszary przybrzeżne mojego kraju to obszary o dużej wilgotności. Szczególnie wiosną i latem wilgotność względna osiąga maksymalnie ponad 90% RH. Wpływ wilgoci jest nieuniknionym problemem. Przystosowanie produktów elektronicznych do użytku lub przechowywania w warunkach wysokiej wilgotności można ocenić za pomocą testów wilgotnego ciepła w stanie ustalonym i testów odporności na wilgoć.

4. Stres związany z mgłą solną

Naprężenie mgły solnej odnosi się do naprężenia mgły solnej, któremu podlega powierzchnia materiału, gdy produkty elektroniczne pracują w środowisku dyspersji atmosferycznej, składającym się z drobnych kropelek zawierających sól. Mgła solna na ogół pochodzi ze środowiska klimatu morskiego i środowiska klimatycznego śródlądowego słonego jeziora. Jego głównymi składnikami są NaCl i para wodna. Obecność jonów Na+ i Cl- jest podstawową przyczyną korozji materiałów metalowych. Kiedy mgła solna przylgnie do powierzchni izolatora, jego opór powierzchniowy zostanie zmniejszony. Po wchłonięciu roztworu soli przez izolator jego opór objętościowy zmniejszy się o 4 rzędy wielkości. Kiedy mgła solna przylega do powierzchni ruchomych części mechanicznych, wzrasta wytwarzanie produktów korozji. Jeśli współczynnik tarcia jest zbyt duży, ruchome części mogą nawet utknąć; chociaż zastosowano technologię hermetyzacji i hermetycznego pakowania, aby uniknąć korozji chipów półprzewodnikowych, zewnętrzne styki urządzeń elektronicznych nieuchronnie często tracą swoją funkcję z powodu korozji mgły solnej; drukowanie Korozja na płytce PCB może spowodować zwarcie sąsiednich przewodów. Narażenie na mgłę solną, na jakie narażone są produkty elektroniczne, wynika z mgły zawierającej sól w środowisku atmosferycznym. Na obszarach przybrzeżnych lub na statkach i okrętach wojennych atmosfera zawiera dużo soli, co ma poważny wpływ na opakowania komponentów elektronicznych. Przystosowanie pakietów elektronicznych do mgły solnej można ocenić poprzez przyspieszenie korozji w teście mgły solnej.

5. Stres elektromagnetyczny

Naprężenie elektromagnetyczne odnosi się do naprężenia elektromagnetycznego, jakie produkty elektroniczne wytrzymują w polu elektromagnetycznym, gdzie pole elektryczne i pole magnetyczne zmieniają się interaktywnie. Pole elektromagnetyczne obejmuje dwa aspekty: pole elektryczne i pole magnetyczne, których charakterystykę reprezentuje odpowiednio natężenie pola elektrycznego E (lub przemieszczenie elektryczne D) i gęstość strumienia magnetycznego B (lub natężenie pola magnetycznego H). W polu elektromagnetycznym pole elektryczne i pole magnetyczne są ze sobą ściśle powiązane. Zmienne w czasie pole elektryczne będzie powodować pole magnetyczne, a zmienne w czasie pole magnetyczne będzie powodować pole elektryczne. Pole elektryczne i pole magnetyczne pobudzają się nawzajem, powodując ruch pola elektromagnetycznego, tworząc fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne mogą samorozprzestrzeniać się w próżni lub materii. Pole elektryczne i pole magnetyczne oscylują w fazie i są do siebie prostopadłe. Poruszają się w postaci fal w przestrzeni. Poruszające się pole elektryczne, pole magnetyczne i kierunek propagacji są do siebie prostopadłe. Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni to prędkość światła (3×10^8m/s). Zwykle fale elektromagnetyczne, na których skupiają się zakłócenia elektromagnetyczne, to fale radiowe i mikrofale. Im wyższa częstotliwość fal elektromagnetycznych, tym większa jest zdolność promieniowania elektromagnetycznego. W przypadku komponentów elektronicznych zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) pola elektromagnetycznego są głównym czynnikiem wpływającym na kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) komponentu. To źródło zakłóceń elektromagnetycznych wynika z wzajemnych zakłóceń pomiędzy wewnętrznymi elementami elementu elektronicznego i zakłóceń pochodzących z zewnętrznego sprzętu elektronicznego. Może mieć poważny wpływ na wydajność i funkcjonalność elementów elektronicznych. Na przykład, jeśli elementy magnetyczne wewnątrz modułu zasilania DC/DC powodują zakłócenia elektromagnetyczne w urządzeniach elektronicznych, będzie to miało bezpośredni wpływ na parametry wyjściowego napięcia tętnienia; wpływ promieniowania o częstotliwości radiowej na produkty elektroniczne przedostanie się bezpośrednio do obwodu wewnętrznego przez powłokę produktu lub zostanie przekształcone w nękanie przewodzone przedostające się do produktu. Zdolność elementów elektronicznych do przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym można ocenić za pomocą testów kompatybilności elektromagnetycznej i testów skanowania pola elektromagnetycznego w bliskim polu.