第4章 环境因素对电子装备可靠性的影响及工艺可靠性加固

4.1 在环境作用下电子产品性能的变化

4.1.1 湿度的影响

大气层空气的湿度随气候特征、地形或与含水媒质的靠近程度而在大范围内变化，湿度是由露、雾、霜、冰和水直接充满周围空间所形成的。

在一个闭合容积内，降低空气温度会增大相对湿度，甚至会引起露水。例如，从空气的绝对湿度随温度变化的关系曲线（见图4.1）可以看出，当温度从A点降低到O点时，相对湿度增大到100%。继续把温度降低到C点会使一部分水汽变成露水，露水的数量由纵坐标的差值决定，且等于5g/m3。相反，提高闭合容积内的温度时，空气湿度将降低。

在海上，甲板上配置的设备不断受到海水中所含盐类的作用，当电子设备放入大海深处时，除化学作用之外，还有水高压作用，除此之外，在海水中工作的仪器还会附上海生植物和动物。海水是导电的，它是能增强接触连接处电化学腐蚀作用的良好介质。当把金属定期放在水中和空气中时，金属被腐蚀的速度与温度相关：温带气候条件下，腐蚀速度将增大1倍或更多；而在热带气候条件下，则将增大3倍。

潮湿能加速金属的腐蚀，改变介质的电气特性，促使材料热分解、水解、长霉，以及引起设备在机、电等方面的损坏。在单位体积的空气中，水的含量取决于空气的温度和压力。空气中水的含量（温度100℃以下）受水蒸气的临界量所限制，超出这个临界量，水蒸气就变成冷凝水状。

水与材料相连接的两种基本形式是：

① 水成为与物质进行化学结合的结构元素，而且除非把材料破坏，否则就不可能把它除去；

② 水未与物质进行化学上的结合，只在物质中占据一些空穴，处在毛细管、裂缝之内或残存在物体的表面和分散在很细的粒子上。

物体从空气中能吸收水分的能力，称为吸湿性。介质可能具有表面的和体积的吸湿性。材料表面吸湿的物理-化学过程称为吸附作用。整个体积吸湿过程称为吸收。材料的多孔性或纤维结构可能是吸收水分的原因。

对于不溶于水的物质，吸附过程是在物体表面的自由价结合时进行的，随后逐渐填满毛细管。当物质内水分的含量，即填充毛细管的程度与空气湿度相适应时，平衡就建立起来了。当空气中相对湿度为100%时，填充量最大。

相对湿度小时，材料表面就形成单分子水层；相对湿度大时，就开始组成多分子水层；相对湿度接近90%RH时，水层厚度就急剧地增加；超过90%RH时，吸附了的水层就处于液体状态。

各种材料的水蒸气吸附作用是不一样的。若材料具有离子结构（如玻璃），则水蒸气的吸附作用就大。极性小或非极性分子组成的材料（如石蜡、氟塑料），则蒸汽的吸附作用显得比较弱。水的极性分子对离子的吸引力比对中性分子的吸引力大得多。水分子对材料表面的这种吸引力，可能比水分子之间的吸引力小也可能大。

●第一种情况：水将在材料表面形成单独的水珠，但不能润湿表面；

●第二种情况：水力图占据绝缘材料表面的最大面积，并将其润湿。

水分润湿材料表面的能力，可用润湿角θ来估计，如图4.2所示。

在材料表面形成的水膜，由于其电阻低以及杂质和污垢的分解，材料表面电阻就将降低。由于大气中的CO、盐和日光对绝缘材料的作用，被材料吸附了的水膜就将变成离子化的水膜。将吸水极少的材料样品置于正常温度下，如相对湿度为100%RH的大气中，在数秒内，样品表面就将形成离子化的导电薄膜；1～5min内，表面电阻就急剧下降。玻璃、石英、滑石和云母等由于其表面具有水分子层，故表面绝缘电阻就比较低。

毛细管的凝聚作用取决于充满空间的蒸汽压力，同时还取决于弯月形液面的曲率。蒸汽的平衡压力就是由它来确定的。

水分子向着蒸汽压力低的地方移动。如果绝缘材料周围的空气湿度增大，并且这时空气中的蒸汽压力高过绝缘材料内水蒸气的压力，则空气中的水分就会透过表面的薄膜，逐渐渗入到压力小的内部。随着材料内水蒸气压力的增大，水分的渗透过程也跟着缓慢下来，当材料内部和外部压力平衡时迁移就停止。

在高湿与高温同时作用下，绝缘材料内水分的平均含量就会增加，其吸湿速度也会加快。由于分子排列不整齐和分子的热振动会造成分子间隙。分子内和分子间的间隙，是有机介质透水性不可消除的原因。

非极性材料吸收的湿气是很少的，其表面不被水所润湿（其表面是疏水的）。因此，其体积电阻率和表面电阻率都较高。

极性材料具有很大的吸水性，有着对水敏感的表面，以及材料中杂质离子的分解作用，故这些材料的体积电阻、表面电阻和绝缘强度都降低了。在分子组成中含有羟基OH的极性材料，其吸湿程度很大。孔状结构的无机介质也具有体积吸湿性。

在聚酚、酰胺和三聚氰胺缩合树脂中，水是化学反应的副产物，需长期干燥才能将其去掉。若这些材料含有剩余水分，就会使介质损耗和介电常数增大。

多数塑料吸收1%的水分就会使长度增加约0.2%；相反，损失1%的水分就会使长度缩短0.2%。当产品中的湿气或挥发物与周围介质发生交换时，聚酚压制品和氨基塑料的尺寸就会随着质量的变化而发生变化。由于扩散系数极小，起初仅仅是产品的表面层参加挥发物的交换。由于产品尺寸不均匀地变化，延伸率小的硬性塑料的整个截面上，会产生很大的内应力。该应力会大大地改变起始的物理机械性能，并使材料发生翘曲，产生表面的很深的裂缝，以致损坏。在产品表面形成的裂缝，会使湿气易于渗透到材料内部，并降低其电绝缘性能。因此，任何塑料散发和吸收挥发物的能力越小，则其使用可靠性就越高，原始的物理机械性能的改变就越小。反之则相反。

固体有机材料的吸湿，是带有部分水溶液的材料内部水蒸气活化扩散的缓慢过程。同一厚度的不同材料，由于平衡状态所达到的时间不同，其吸湿的曲线也各不相同。在转移到高湿地区和温度升高的条件下，吸收水分的极限值就会增大。

玻璃布一类的层压材料具有同样的性能。湿气被吸附在玻璃纤维的表面上，并缓慢地渗透到材料的深处。

浸渍并不能完全防止纤维材料免受湿气的影响，其作用只不过是在某些时间内阻止湿气渗透而已。因此，一般来说，层状材料的绝缘电阻不高和损耗较大。这些材料的电击穿不是取决于其组成元素的耐电强度，而是主要取决于湿气和离子混合物的含量。

水分是借水本身的或附加的压力，透过不透水织物的空隙来扩散，也可能是借织物的润湿，随后沿着毛细管来扩散的。或是二者结合起来。

绝缘材料所吸收的水分会降低介质的绝缘电阻和击穿电压。但介质的电气特性不但取决于所吸收水分的多少，而且还取决于水分在材料内的分布。材料内水分子间互相分离越小，则绝缘电阻和击穿电压降低越大。在一些材料内的水分，会分布成整片的管道状而能使导电电路发生短路。

潮湿会大大地使材料的热绝缘性劣化。水分渗入到材料内部，会将空气从气孔和细胞中排出来。水的热传导系数比空气的热传导系数大24倍，因此，即使材料不太润湿，也能使其热传导系数剧烈地增大。

4.1.2 热和冷的影响

温度的上升会引起物体膨胀，而冷却则会引起物体收缩。均质体则要改变直线尺寸Δl，Δl按下列关系变化

Δl=αtl（T2-T1）

式中 l——物体的直线尺寸；

T2——受热体温度（K）；

T1——物体的初始温度（K）；

αt——线膨胀的温度系数。

在PCBA基板组件的组装中若未考虑直线尺寸的变化，那么由于各部分构件的线膨胀温度系数（CTE）不匹配，就会使基板遭受很大的应力而发生变形、扭曲和焊点断裂。

热冲击是由环境温度急剧改变而经过0℃时构件的温度变化的速度来表征的。结构件材料温度变化的速度取决于材料的热导率。在非均匀结构中，材料的热破坏特别严重。

由于热影响，材料急剧老化而丧失机械性能和电气性能，温度变化时，电容器的电容量变化，绝缘电阻降低，回路的固有电容和Q值及电阻器的电阻值改变。结果，设备的调谐遭受破坏，无线电装置的灵敏度和选择性降低，在温度低于233K时，某些绝缘混合剂和其他绝缘材料会变硬而开裂。

热的影响可能是连续的（经常性的）、周期性的或非周期性的。

设备产生经常性的热影响，是由设备内部及设备与恒定的外界环境建立起来的热交换状态所决定的。这种性质的热过程并不取决于设备元器件的热容量。

周期性的热影响是由重复的短时间的接通设备或设备周围的空气温度的变化，定期的太阳照射和其他周期性的热影响所决定的。周期性的热交换是野外和飞机上使用的设备所具有的特点，在电子设备中是最经常遇到的。

非周期性的热影响，取决于冷或热对设备元器件个别的、比较罕见的影响。譬如在冬天，将设备从温暖的室内拿到室外去就是如此。

由经常性的热影响所引起的产品损坏，主要是由于设备元器件材料的极限容许温度与热影响的数值不符，或是由材料老化而引起的。

由周期性热影响所引起的损坏，通常是由设备元器件的多次变形所产生的。影响的强度取决于最高和最低温度间的差数。

非周期性的热影响所引起的损坏，与设备元器件的温度变化速度（热冲击）有关。

热和冷的作用，首先关系到材料的尺寸变化。在材料相同时，零件的各种尺寸会由于温度的升高而按比例地增加，但零件的形状并不发生变形，只有当零件的材料不均匀和各个部分的温度不一样时，或者在零件上施加机械负荷时，零件才发生变形。

与塑料在一起使用的金属，由于其CTE不一致，不可能使塑料和金属零件一样收缩和膨胀，因而不可避免地会在金属与塑料之间形成槽道。这些槽道就成为水分渗透到压制成的或密封在塑料内的产品中的通道。

在温度剧变的情况下，设备的表面及其内部就会凝聚水分。这些水分通过细微的毛细管，渗透到零件之间的间隙中。在低温时，充满于裂缝、气孔和间隙中的水会发生冻结，使体积增大约10%，并使气孔、裂缝和间隙进一步扩大。

非极性塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚异丁烯、聚四氟乙烯等的电绝缘性能很少受温度影响。极性材料的体积电阻率随温度的升高而剧烈地降低，随温度的降低而升高。

热冲击的稳定性对于陶瓷材料具有重要的意义，陶瓷材料的线热胀系数越小，则其热冲击的稳定性就越高。

热固性塑料在温度剧烈变化时会引起一些微裂缝，这些微裂缝会降低这些塑料的防潮性能。

材料是在大气中使用的，在其他条件下，譬如在缺氧的条件下，对某些材料来说，可以容许将最高温度大大地增高。只有碳原子组成链的有机聚合材料的耐热性较低。在有机化合物的分子中加入硅原子，就会大大提高其耐热性。这是由于硅与碳不同，硅氧化时不产生气态物。

4.1.3 大气压力的影响

地面附近的压力受气候变化的影响，随着高度的增加，大气压力降低。

大气压力的降低将降低空气的电击穿强度。结果，极性相反的接点之间的击穿电压降低，绝缘元件的表面电阻也变坏。低的气压可能引起火花放电、击穿、形成电晕等。此外，在低气压下，空气的热导率降低，设备的散热条件变坏。

4.1.4 日光、灰尘和沙粒的影响

光线对材料的影响，主要是对某些有机材料如塑料、颜料、纺织品产生化学分解。紫外线是氧化反应的一种非常强的催化剂。

灰尘是由直径5～200μm的有机微粒和无机微粒组成的。有机微粒大约占整个灰尘量的25%～35%，它是动植物真菌体、细菌、油粒、毛织物和棉花的最微小残余物。在大气层中，灰尘的浓度随高度增加而急剧降低。在高度为1500m处的灰尘浓度几乎是地面的灰尘浓度的1/10。

落在设备元器件上的灰尘，可能是破坏设备工作的各种各样的原因之一。灰尘中所含的碳酸盐、硫酸盐、氯化物及其他溶解性良好的盐类，从周围空气中吸收水分。由有机粒子形成的灰尘，也很容易吸收水分。这样一来，灰尘就成了导电体。沙尘层在这种条件下构成了附加的电导层而成为表面击穿的原因。

在无线电接收设备，电子元器件上蒙上灰尘后将降低灵敏度。灰尘的介电常数比空气的大。因此，空气电容器片上的灰尘就会增大其电容量，从而降低电路的谐振频率。起分流作用的灰尘层电导率增大也会降低回路频率。

与灰尘一起落到绝缘材料表面上的还有霉菌孢子。它们在灰尘中寻找养料来供自己生长。在良好的条件下，以灰尘状态存在着的培养基，足以使霉菌剧烈地侵蚀产品。甚至一般看来是一些轻微的脏污，如手指印也足以使得这些地方出现霉菌。