低氣壓環(huán)境下的電子元器件可靠性解析

一、低氣壓環(huán)境

在地球引力作用下，空氣依附在地球周?chē)?，形成大氣層，大氣層從地面一直向上延伸到?shù)百公里高空。地球的引力使空氣具有一定重量形成大氣壓力，在某高度上的大氣壓力，是該點(diǎn)以上垂直于地面的單位面積上整個(gè)空氣柱的重量。大氣壓是各向同性的，即在某一點(diǎn)上，不管在哪個(gè)方向上測(cè)量大氣壓都是相等的。大氣壓力的大小主要取決于海拔高度，隨高度的增加，大氣壓力逐漸降低，大氣逐漸變得稀薄。高度接近于5.5km處，大氣壓力降低到大約海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的一半;接近16km處的大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)海平面值的1/10;在接近31km處的大氣壓力為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的1/100.大氣壓力的降低，必然對(duì)高海拔地區(qū)使用的電工電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響。我國(guó)約有50%的地球表面積高于海平面1000m,約有25%的面積高于海平面2000m.壓力梯度越大，壓力改變得越快，元器件損壞的機(jī)會(huì)就越多。

二、低氣壓環(huán)境對(duì)電子元器件的影響

1.對(duì)散熱產(chǎn)品影響

電工電子產(chǎn)品中有相當(dāng)一部分是散熱產(chǎn)品，如電機(jī)、變壓器等，這些產(chǎn)品在使用中要消耗一部分電能，使其變成熱能，使產(chǎn)品溫度升高。散熱產(chǎn)品的溫升隨大氣壓的降低而增加。表1列出了小型三向異步電動(dòng)機(jī)溫升隨海拔高度的變化。

由表1可以看出：散熱產(chǎn)品的溫升隨海拔高度的增加(大氣壓力的降低)而增加。

溫升與海拔高度大致成線性關(guān)系，如圖1所示。其斜率取決于本身結(jié)構(gòu)、散熱情況、環(huán)境溫度等因素。

散熱產(chǎn)品的熱耗散可以分成3種形式：

傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。大量散熱產(chǎn)品的散熱主要依靠對(duì)流，即依靠產(chǎn)品周?chē)目諝饬鲃?dòng)來(lái)散熱，對(duì)流散熱一般又可分為強(qiáng)迫通風(fēng)散熱和自然對(duì)流散熱。自然對(duì)流散熱是依靠產(chǎn)品發(fā)熱產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，造成產(chǎn)品周?chē)諝獾臏囟忍荻?，使空氣流?dòng)散熱。強(qiáng)迫通風(fēng)散熱是通過(guò)強(qiáng)制措施，迫使空氣流過(guò)產(chǎn)品，帶走產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量。對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流散熱來(lái)說(shuō)，在體積流不變情況下，隨高度增加，大氣壓將伴隨著空氣密度降低?？諝饷芏冉档蛯⒅苯佑绊憦?qiáng)迫對(duì)流散熱的效果。這是由于強(qiáng)迫對(duì)流散熱是依靠氣體的流動(dòng)帶走熱量的。一般電機(jī)用的冷卻風(fēng)扇，是保證流過(guò)電機(jī)的體積流量不變，當(dāng)高度增加時(shí)，由于空氣密度下降，即使體積流量不變，氣流的質(zhì)量流量將隨之降低。

2.對(duì)電子元器件性能的影響

高度增加氣壓降低，對(duì)電子元器件的性能也會(huì)產(chǎn)生影響。特別是以空氣作為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，低氣壓對(duì)其影響更為顯著。在正常大氣條件下，空氣是絕好的絕緣介質(zhì)，許多電器產(chǎn)品采用空氣作為絕介質(zhì)。當(dāng)這些產(chǎn)品用于高海拔地區(qū)作為械設(shè)備時(shí)，由于大氣壓力降低，常常在電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的電極附近產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。更嚴(yán)重的是有時(shí)會(huì)發(fā)生空氣間隙擊穿，這意味著設(shè)備的正常工作受到破壞。

三、低氣壓環(huán)境下電子元器件的可靠性控制

1.元器件的合理選用

根據(jù)元器件在電路中的使用特性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并合理選用元器件，是元器件可靠性的基礎(chǔ)。電子元器件的可靠性控制點(diǎn)應(yīng)前移，從源頭抓起，即從設(shè)計(jì)選用、優(yōu)選廠家、壓縮品種、可靠性試驗(yàn)、提高質(zhì)量等級(jí)抓起，使那些用代價(jià)換來(lái)的預(yù)防措施在源頭就發(fā)揮作用，而不能總是處于補(bǔ)救措施狀態(tài)。并且，應(yīng)該從元器件可靠性物理分析角度，系統(tǒng)地進(jìn)行失效信息的收集與分析、失效分析、破壞性物理分析、密封器件內(nèi)部氣氛分析、失效模式及機(jī)理與工藝的相關(guān)性分析、失效模式與影響分析等元器件的質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)等，將元器件質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)融入元器件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)元器件的可靠性增長(zhǎng)。

2.元器件的監(jiān)制、試驗(yàn)和驗(yàn)收

元器件的生產(chǎn)、試驗(yàn)和驗(yàn)收，是保證元器件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是航天產(chǎn)品元器件可靠性的關(guān)鍵控制點(diǎn)，其過(guò)程控制的好壞決定了元器件的固有質(zhì)量。電子元器件按功能劃分，有電子元件、分立器件和微電路等;按采購(gòu)渠道劃分，有進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)元器件之分;按產(chǎn)品成熟性劃分，有貨架產(chǎn)品和新品器件。不同元器件有不同的控制要求，在下廠監(jiān)制和驗(yàn)收、到貨檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)有不同的處理方法和程序。因此，應(yīng)將元器件分門(mén)別類(lèi)地進(jìn)行劃分，規(guī)定各類(lèi)元器件的監(jiān)制方式、特殊試驗(yàn)要求和驗(yàn)收辦法，并明確相應(yīng)的程序和執(zhí)行單位或部門(mén)。

3.破壞性物理分析

元器件DPA(破壞性物理分析)的主要目的是要防止有明顯或潛在缺陷的元器件裝機(jī)使用。除用于元器件的質(zhì)量鑒定外，在航天產(chǎn)品中，還用于元器件的驗(yàn)收、裝機(jī)前元器件的質(zhì)量復(fù)查、元器件超期復(fù)驗(yàn)以及元器件的失效分析。在一般產(chǎn)品上，DPA通常用于已裝機(jī)元器件的質(zhì)量驗(yàn)證。在航天產(chǎn)品上，DPA必須在元器件裝機(jī)以前完成，因此，需明確航天產(chǎn)品用元器件進(jìn)行DPA的時(shí)機(jī)、DPA的試驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)施DPA的機(jī)構(gòu)、DPA的數(shù)據(jù)記錄要求和DPA結(jié)果的處理方法。

4.元器件的失效分析方法

元器件失效分析的主要任務(wù)是對(duì)失效的元器件進(jìn)行必要的電、物理、化學(xué)的檢測(cè)，并結(jié)合元器件失效前后的具體情況及有關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行分析，以確定元器件的失效模式、失效機(jī)理和造成失效的原因。通過(guò)失效分析可以發(fā)現(xiàn)失效元器件的固有質(zhì)量問(wèn)題，也有可能發(fā)現(xiàn)元器件因不按規(guī)定條件使用而失效的使用質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)向有關(guān)方面反饋，促使責(zé)任方采取糾正措施，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。相對(duì)來(lái)說(shuō)，失效模式的確定比較簡(jiǎn)單，而確定失效機(jī)理的難度較大，分析人員必須掌握元器件的設(shè)計(jì)、工藝和有關(guān)的理化知識(shí)，并有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。此外，還要具備較復(fù)雜的儀器、設(shè)備。在明確失效機(jī)理后，還必須找出失效原因，才能避免重復(fù)失效，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。但根據(jù)失效機(jī)理確定失效原因，往往涉及失效現(xiàn)場(chǎng)和責(zé)任人等具體情況，確定起來(lái)有相當(dāng)大的難度。因此，首先要確定進(jìn)行失效分析的單位，規(guī)定提交失效分析的程序和失效信息，以及產(chǎn)品研制各階段失效元器件的失效信息記錄要求等，然后，根據(jù)失效分析的結(jié)論，對(duì)引起失效的原因進(jìn)行歸零處理。若為設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)和生產(chǎn)廠家一起找出問(wèn)題所在并進(jìn)行改進(jìn);若為操作失誤，必須嚴(yán)格操作規(guī)范，避免引入人為的失誤。從而達(dá)到失效分析的目的，使器件制造和生產(chǎn)操作更上一個(gè)臺(tái)階。

5.元器件質(zhì)量信息的管理

在元器件選用、采購(gòu)、監(jiān)制和驗(yàn)收、篩選和復(fù)驗(yàn)以及失效分析質(zhì)量保證環(huán)節(jié)中，存在大量的元器件質(zhì)量信息，例如，選用目錄外元器件的規(guī)格、型號(hào)、生產(chǎn)廠商、質(zhì)量等級(jí)以及在航天產(chǎn)品上的使用情況;國(guó)內(nèi)新品器件的研制廠家及新品器件使用情況;進(jìn)口器件的質(zhì)量保證情況;元器件失效分析報(bào)告和處理情況等。

綜上所述，低氣壓會(huì)使電子元器件的性能受到很大影響，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致直接損壞。

低氣壓環(huán)境條件對(duì)元器件的影響在正常大氣條件下是無(wú)法模擬的，必須按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。為此，一定要加強(qiáng)環(huán)境條件試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就開(kāi)始考慮環(huán)境變化對(duì)產(chǎn)品的影響，增強(qiáng)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，從而提高產(chǎn)品的可靠性。