翁 雷，白顯毅

（江南計算技術(shù)研究所，無錫 214083）

0 引言

濕熱環(huán)境是引起電子產(chǎn)品失效的常見環(huán)境之一。美軍在二戰(zhàn)期間運到亞洲參戰(zhàn)的機載電子設備，其失效原因多為亞洲熱帶多雨的潮濕環(huán)境[1]。一般自然界中最潮濕和炎熱的區(qū)域是在熱帶和亞熱帶地區(qū)，而根據(jù)美國海軍20世紀50年代對全球氣候的調(diào)查，亞洲地區(qū)濕熱環(huán)境最為嚴酷[2]，電子設備在這一地區(qū)最容易受到濕熱環(huán)境的影響。

因此，在電子設備的研制和生產(chǎn)中，人們十分重視防潮設計和應用濕熱試驗的手段來發(fā)現(xiàn)防潮設計缺陷和驗證防潮設計對合同要求的符合性，各種通用環(huán)境試驗標準（如 GJB 150/150A）中均有濕熱試驗方法分標準。GJB 150A是剪裁標準，提倡根據(jù)裝備環(huán)境剖面、任務剖面等信息對標準進行剪裁，指導用戶根據(jù)裝備的實際情況來選擇試驗方法、試驗順序和試驗程序，并參照裝備技術(shù)條件確定試驗條件及試件工作狀態(tài)，從而制定最佳試驗方案。該標準還細化了試驗條件的允差及試驗前、試驗中、試驗后的信息，進一步明確規(guī)定了試驗后的數(shù)據(jù)處理細則，增加了試件安裝、環(huán)境效應和失效判據(jù)、試驗報告、結(jié)果分析、監(jiān)控和監(jiān)測等內(nèi)容。

GJB 150A中的濕熱試驗方法相對于GJB 150發(fā)生了較大的變化。本文將在GJB 150A濕熱試驗的應用中，針對溫濕度剖面、試驗剪裁和特殊要求等問題進行探討。

1 濕熱環(huán)境效應

在裝備的貯存、運輸、使用中，溫度和濕度是最常見且通常相伴存在的環(huán)境因素。從美國 Hughes航空公司對電子產(chǎn)品失效情況的統(tǒng)計與綜合分析可以獲知，引起裝備故障的各種環(huán)境中，溫度和濕度占到60%，遠遠高于其他環(huán)境（如圖1所示）。

圖1 各種環(huán)境應力引起裝備失效的比例Fig. 1 The invalidation proportions of equipment under various environment stresses

濕熱環(huán)境對裝備的影響大部分是溫度和濕度綜合作用的結(jié)果。溫濕度的變化會使裝備及其材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)凝露、吸附、吸收、擴散等物理現(xiàn)象，從而導致金屬氧化或電化學腐蝕、加速化學反應等表面效應；會引起材料吸潮膨脹、物理強度降低和電氣絕緣性能降低等材料性質(zhì)改變；會產(chǎn)生凝露和游離水從而引起電氣短路、熱傳導特性變化等[3]。這些由濕熱引起的環(huán)境效應對裝備的劣化有著重要的影響，因此對濕熱環(huán)境效應的研究有助于判斷裝備是否需要進行濕熱試驗。同時，通過濕熱試驗引發(fā)的凝露、吸附、擴散等物理現(xiàn)象（如表1所示）不但復現(xiàn)了溫濕度對裝備的影響，還加速了設計缺陷的暴露。

表1 溫濕度引起的物理現(xiàn)象Table 1 Physical phenomena related with temperature and humidity

2 濕熱試驗的發(fā)展歷程

濕熱試驗是考核裝備耐濕熱大氣影響能力的一種試驗方法[3]。其發(fā)展歷程是一個從復雜到簡單，從模擬自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境到加速環(huán)境影響效應的過程。

濕熱試驗早期主要是以模擬裝備在貯存、運輸和使用中的濕熱環(huán)境及其長期影響為目的，但是這種模擬實際上并不能完全真實地反映裝備受到的濕熱影響。

隨著濕熱試驗方法的不斷應用，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)根據(jù)裝備類型劃分試驗程序比較煩瑣而且作用不明顯，因此在美軍標810C之后的國內(nèi)外相關(guān)標準中不再考慮裝備的類型和結(jié)構(gòu)特點[4]。修改后的標準中，濕熱試驗程序被劃分為自然環(huán)境循環(huán)程序、誘發(fā)環(huán)境循環(huán)程序和加速試驗程序。前兩者分別是模擬裝備在自然濕熱氣候和人員活動或裝備工作過程中的氣候環(huán)境的長期影響，循環(huán)試驗參數(shù)可以采用典型的濕熱日循環(huán)數(shù)據(jù)。但這兩種程序試驗時間長，可操作性差，因此很難被廣泛采用。加速試驗程序中的試驗條件不會出現(xiàn)在自然界中，因此該試驗程序不復現(xiàn)實際的溫濕度環(huán)境，而是復現(xiàn)溫濕度的影響。

目前，美軍標810F等標準采用的濕熱試驗去除了自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境循環(huán)程序，保留并改良了以發(fā)現(xiàn)潛在的設計缺陷為目的的加速試驗程序。實踐表明：這種試驗程序效果明顯，可操作性好。

3 GJB 150A濕熱試驗方法的應用

GJB 150A等效采用了美軍標810F中相應的濕熱試驗方法，是剪裁標準，也只有一個加速試驗程序。對于使用人員來說，則需要考慮其研究的設備是否需要進行濕熱試驗，是否采用GJB 150 A中這個唯一的加速試驗程序，進行濕熱試驗時應采用什么樣的試驗順序和試驗設備等一系列問題，因而需要對相關(guān)信息和數(shù)據(jù)進行收集和剪裁。下面參考某型號計算機防火墻的濕熱試驗，探討應用GJB 150A濕熱試驗方法時常見的幾個問題。

3.1 裝備壽命期溫濕度剖面

依據(jù)GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》，一個合理可行的溫濕度剖面要充分考慮裝備在裝卸、運輸期間預計的狀態(tài)，可能遇到的環(huán)境及其有關(guān)的地理位置和氣候特性等8項內(nèi)容[5]。溫濕度剖面一般由裝備研制人員根據(jù)裝備實際情況制定，并結(jié)合裝備的耐濕熱適應性要求，為濕熱試驗方案提供剪裁信息。在構(gòu)成剖面圖的各種信息中，壽命期狀態(tài)、環(huán)境和工作載荷是最重要的內(nèi)容[6]，圖2所示某型號計算機防火墻的壽命期的溫濕度剖面就是通過這些內(nèi)容涵蓋了該防火墻所有可能出現(xiàn)的溫濕度情況。

圖2 某型號計算機防火墻溫濕度剖面Fig. 2 Temperature and humidity profile of a computer firewall

3.2 裝備耐濕熱環(huán)境的適應性要求

裝備耐濕熱環(huán)境的適應性要求在裝備研制之初就應由使用方或承制方確定，它不僅是作為試驗剪裁的依據(jù)，還是承制方開展耐濕熱適應性設計的依據(jù)[7]。耐濕熱適應性設計的措施主要有兩種：一種是減緩濕熱環(huán)境的嚴酷度，比如在貯存中采用防濕包裝或進行干燥處理，選擇受濕熱影響小的運輸途徑等；另一種是提高裝備自身的耐濕熱能力，比如選用耐濕熱材料或采用密封性設計等。

驗證裝備耐濕熱環(huán)境適應性要求的主要方法是濕熱試驗，包括設計定型時的濕熱鑒定試驗、批生產(chǎn)階段的環(huán)境驗收試驗和環(huán)境例行試驗。由于壽命期狀態(tài)、環(huán)境和工作載荷等綜合條件的復雜多樣性，耐濕熱適應性要求的量值是比較難確定的。一般來說，獲取溫濕度量值主要有以下幾種途徑：1）根據(jù)裝備的使用或安裝平臺，獲取溫濕度實測數(shù)據(jù)；2）當不能獲取實測數(shù)據(jù)時，也可以根據(jù)安裝在相似平臺的相似裝備的實測數(shù)據(jù)或其他經(jīng)驗數(shù)據(jù)來剪裁獲得；3）直接引用GJB 1172中的溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.3 試驗方法剪裁

GJB 150A濕熱試驗只有一個試驗程序，一般不需要對試驗程序進行剪裁，剪裁的主要內(nèi)容是試驗方法（即確定是否要進行濕熱試驗）和試驗順序的選擇[8-9]。

需采用GJB 4239中規(guī)定的方法，根據(jù)在裝備壽命期內(nèi)出現(xiàn)的濕熱環(huán)境、裝備結(jié)構(gòu)材料特點和受到濕熱環(huán)境影響可能性，確定是否需要進行濕熱試驗。下面以某型號計算機防火墻為例具體說明。

該計算機防火墻主要是由鋁合金機箱、印制電路板、集成電路組件和直流輸出電源等組成，用于青島和杭州地區(qū)。其中青島處于暖溫區(qū)，杭州處于亞濕熱區(qū)，因此杭州地區(qū)的濕熱環(huán)境對該設備的影響更顯著。實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，部署在杭州地區(qū)的防火墻出現(xiàn)較多故障，故障診斷發(fā)現(xiàn)其中大部分是多雨潮濕引起的，這種濕熱環(huán)境造成了某個塑封半導體器件的腐蝕，在更換了器件以后，故障消失。在意識到濕熱環(huán)境的嚴重影響以后，盡管進行了耐濕熱設計和相關(guān)工藝的改進，但是冷凝等濕熱應力引發(fā)的效應仍然對設備的印制電路板、集成電路等造成影響，可能會引起電路板離子遷移、材料吸收膨脹等失效模式。因此，該類型防火墻的設計必須考慮耐濕熱環(huán)境的能力，并通過試驗來發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，以改進設計和驗證其耐濕熱環(huán)境的適應性是否符合規(guī)定的要求。

同其他試驗一樣，濕熱試驗順序的選擇也要遵循壽命期剖面或任務剖面順序的原則，但是因濕度對裝備影響方式的多樣性以及濕度引發(fā)的各種物理現(xiàn)象，對同一試件進行濕熱試驗前要分析各種試驗之間的相互影響，將易受影響的試驗放在濕熱試驗之前進行。另外，溫濕度還可與鹽霧、砂塵、霉菌等其他環(huán)境綜合，產(chǎn)生腐蝕和破壞等有害作用，因此，一般經(jīng)受過鹽霧、砂塵、霉菌等試驗的試件不宜再進行濕熱試驗。

試驗條件的剪裁重點是循環(huán)周期數(shù)和試件的技術(shù)狀態(tài)。濕熱試驗采用的是溫度在30～60 ℃之間變化、相對濕度95%的加速試驗（如圖3所示），以24 h為一個循環(huán)周期，最少10個周期[3]。當需要反映特殊裝備耐濕熱環(huán)境的能力時，可延長試驗持續(xù)時間。盡管60 ℃和95%的相對濕度不會出現(xiàn)在實際平臺環(huán)境中，但是在發(fā)現(xiàn)潛在缺陷方面卻有顯著的效果。

圖3 濕熱循環(huán)控制Fig. 3 Damp heat cycle control

試件的技術(shù)（結(jié)構(gòu)）狀態(tài)對試驗過程中溫濕度環(huán)境對試件的作用強度、溫濕度穩(wěn)定以及穩(wěn)定時間等都有一定的影響，因此試驗時應盡量滿足試件的實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.4 濕熱試驗的特殊要求

1）試件工作與性能檢測要求

為防止試件在已失效的情況下繼續(xù)試驗造成資源浪費，性能檢測一般要求在每5個循環(huán)結(jié)束前的4 h內(nèi)進行一次性能檢測，當4 h內(nèi)不能完成時，可延長低溫保持時間直至檢測完畢。同時，如需開箱或?qū)⒃嚰瞥鱿潴w檢測，應確保試件工作性能檢測在30 min內(nèi)完成，否則應將試件在30 ℃、相對溫度95%條件下保持1 h再檢測。

2）試驗通風干燥要求

濕熱試驗在完成初始檢測后，要在(23±2)℃、相對濕度（50±5）%下保持24 h，其目的是保證每次參與試驗的試件具有相同的初始溫濕度條件，使測得的裝備性能具有可比性，避免因條件不一致造成檢測結(jié)果的爭議。

4 結(jié)束語

GJB 150A自發(fā)布以來日益受到重視，但是其剪裁標準的特點給使用人員帶來諸多困擾，本文著重對GJB 150A濕熱試驗方法在使用中常見的幾個關(guān)鍵問題進行了探討，但由于裝備和實際試驗的復雜性，要在具體操作中熟練掌握還比較困難，需要逐步深入地研究。在試驗實施中還要特別關(guān)注以下幾項內(nèi)容，否則試驗難以獲得顯著的效果。

1）濕熱試驗中由于溫度交替變化，試驗箱內(nèi)的水蒸氣壓力也將隨之發(fā)生變化，因此試驗箱應設置排氣孔，以防箱內(nèi)壓力急劇升高；2）試驗中需防止箱壁的冷凝水滴落到試件上，以免引起濕熱影響以外的物理效應，對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾；3）除水以外，還應防止試件受到其他物質(zhì)的腐蝕，以免引起試件的劣化或影響試驗結(jié)果；4）保證試驗后的檢測與試驗前的初始檢測具有相同的大氣環(huán)境，以便與基線數(shù)據(jù)比較，判別試件是否失效。

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