高溫環境影響分析及標準測試和設計

魏開利，李飛，卜德平，果仕達

（廣電計量檢測（北京）有限公司，北京 100076）

引 言

要保證產品的可靠性，需要滿足在“規定的條件下”可以正常工作的首要因素，同時必須具有一定的裕量。而所有產品的“規定的條件”主要是其服役周期內經受的環境因素，包括溫度、濕度、振動、霉菌、鹽霧等等。這些環境因素中，高溫對產品的影響是不可忽略的，會導致很多產品發生失效。孟憲磊[1]對DC/DC 電源模塊高溫失效原因進行了分析，通過測試發現環境溫度升高會導致模塊內變壓器磁芯溫度達到局里點附近，使模塊輸出為零；翟國富[2]對繼電器進行了常溫和高溫試驗考核，試驗發現繼電器的動合靜觸點在高溫條件下有燒穿的現象；莊少紅[3]分析了幾種環境應力試驗導致的失效，分析出高溫環境會使金屬材料表面加速氧化；解玉豪[4]通過分析得出鋁化物涂層在高溫環境下容易發生熱氧老化腐蝕，通過添加微量元素而抑制熱氧老化的快速發生；胡敦等[5]對帶電作業EVA絕緣毯的力學性能進行了研究，通過試驗發現EVA 絕緣毯隨著溫度的升高其拉斷力呈現下降趨勢，EVA 絕緣毯隨著溫度升高其回彈性能較差、剛性較弱；王爭東等[6]分析了高壓大功率IGBT 的有機線性灌封材料在高溫環境長時間工作后會變黃、變硬以及變脆，介電性能下降導致；有相關資料表明高溫過熱導致IGBT 失效率高達55 %[7];高溫環境對產品、材料都會帶來一定的影響，尤其是電子產品，有數據統計在軌衛星的空間熱環境導致電子產品失效占比高達49 %[8]。

因此，需要詳細分析高溫環境對產品的影響，并根據相應的標準、規范設計測試方法，確定產品的高溫工作環境的裕量，確定其符合特性，為產品的后期使用及運維提供參考。

1 高溫環境影響分析

高溫環境對產品的影響是指產品在高溫環境中貯存和工作，其自身的功能性能是否滿足產品規范的要求。高溫對材料、組件、產品乃至設備的運行都會帶來影響，輕微會導致產品指標超差，嚴重會導致產品失效，發生火災等重大安全隱患事故?？偟膩碚f，高溫條件可以使得物質內部分子（原子、電子）運動速度加快，動能增加進而導致物體膨脹、物體狀態的變化。而高溫對材料、器件都會產生不利的影響。高溫條件下，對材料影響如下：

1）高溫條件會導致潤滑劑發生氧化進而導致潤滑劑粘度降低，流動性變差；

2）不同材料膨脹系數不一致導致咬死或松動；

3）包裝、襯墊以及密封墊發生變形，導致減振或密封失效；

4）密封或襯墊發生永久性硬化；

5）某些材料的褪色、裂解或裂紋。

高溫除了對材料會產生不利的影響，會導致電氣器件發生一系列的失效模式，詳細見表1。

表1 高溫對電氣元件的影響

高溫環境除了會導致產品發生失效，還會使得某些材料如橡膠類材料、電子器件等壽命縮短，而對于橡膠材料、電子器件等，高溫對壽命的影響一般使用阿倫尼斯模型進行高溫條件下的壽命估計，其模型如下：

式中，

L ─壽命；

A ─與材料相關的常數；

Ea─激活能，單位是電子伏特；

K ─玻爾茲曼常數，k=8.617 1×10-5ev/℃；

T ─絕對溫度，為攝氏溫度加273.15。

2 高溫試驗標準測試及分析

針對產品的高溫試驗，不同行業有不同的標準。只有正確的選用并使用試驗標準，才可保證產品在高溫貯存和高溫使用中可靠性。產品除了要保證產品符合的高溫要求，一般還要對產品進行摸底，確定產品的設計裕量。

2.1 產品高溫極限測試標準及方法

對產品進行摸底試驗一般參考的可執行的標準為GB/T 29309-2012《電工電子產品加速應力試驗規程 高加速壽命試驗導則》。其高溫步進是通過對電子產品施加逐漸增大的應力，在每一個步進值保持規定的時間進行該應力條件下的功能性能測試。該方法可以確定產品的失效模式、產品設計的薄弱環節以及工作應力極限與設計應力極限之間的裕度，提升產品現場使用過程中的可靠性。當通過HALT 試驗發現產品的工作極限與設計極限之間的裕度較少，由于批生產產品生產過程中不能保持著初樣產品嚴格的生產過程控制，在后續的適用過程中批生產產品由于裕度較少從而會發生失效。高溫步進曲線參考圖1 所示。

圖1 高溫步進試驗曲線

2.2 民品高溫試驗標準及分析

民品的高溫試驗一般依據GB/T 2423 和IEC 60068 系列的標準。對于民品的高溫考核，一般要區分非散熱試驗樣品的高溫試驗和散熱試驗樣品的高溫試驗，這兩種類型樣品的試驗程序是不同的。同時，汽車電子類產品的高溫試驗一般參考的是GB/T 28046，標準中也是引用了GB/T 2423 系列標準。

2.2.1 非散熱試驗樣品高溫試驗

非散熱試驗樣品，是指產品工作或帶負載的情況下其表面的溫升也不會超過規定的試驗溫度5 ℃以上，同時非散熱試驗樣品的溫箱內采用高空氣流速。非散熱試驗樣品一般是將樣品以不包裝、不通電、按照正常使用的方式放置于溫箱內，待樣品達到溫度穩定后，進行通電測試。

2.2.2 散熱試驗樣品高溫試驗

散熱試驗樣品與非散熱試驗樣品相反，產品工作或帶負載的情況下其表面的溫升會超過規定的試驗溫度5 ℃以內。散熱試驗樣品的高溫試驗箱內采用低空氣流速，即工作時的氣流速度小于等于0.5 m/s，確保樣品上任一點由于空氣循環而降低5 ℃以上的溫度。散熱試驗樣品高溫試驗過程中可以采取兩種方式，一種是升溫過程中不通電，待樣品達到設定溫度穩定后通電測試；另外一種是全程通電，即在升降溫過程、穩定過程中全程通電。高溫穩定后通電樣品由于通電會有一個短暫的溫升，對樣品影響較大。

2.3 軍品高溫試驗標準及分析

與民品高溫試驗標準不同，軍品高溫試驗中并未對產品進行散熱試驗樣品和非散熱試驗樣品的劃分。軍品高溫試驗分為貯存和工作兩種試驗條件。高溫貯存，分為恒溫儲存48 h 和循環貯存的至少7 個循環（每個循環24 h）的貯存；高溫工作包括恒溫工作2 h（溫度穩定后）和循環工作（至少3 個循環）。同時，軍品高溫試驗規定了樣品的擺放，要求樣品與樣品之間、樣品與溫箱箱壁之間至少距離15 cm。高溫試驗的溫變速率，要求不超過3 ℃/min。

2.4 高溫試驗溫度穩定

無論民品試驗還是軍品的高溫試驗，都要求樣品達到溫度穩定后開始計時。一般來說，樣品的溫度穩定時間為樣品的熱時間常數的3~5 倍，一般區4 倍[9]。樣品的熱時間常數為：

式中，

τ ─時間常數；

G ─質量，g；

C ─熱容，J/K；

S ─散熱面積；

λ─散熱系數，W/cm2·℃。

3 產品的熱設計

高溫條件下，會對產品尤其是對電子產品中的元器件產生重要影響，會導致電子元器件發生失效，從而引發設備發生失效。而進行熱設計的目的是控制電子設備內部所有電子元器件的溫度，使其在設備內所處的環境溫度不超過器件本身最高允許的環境溫度。而電子產品的熱設計主要包括自然冷卻設計、強迫空氣冷卻設計以及液體冷卻設計[10]。下面介紹使用比較廣泛的兩種設計的方法及原理。

3.1 自然冷卻設計

電子設備的自然冷卻適用于小型、安裝密度較高的電子設備內部冷卻。其優點是結構簡單，緊湊，不需要外界動力。自然冷卻主要靠兩個方面，一是采取熱安裝原則；二是采用金屬導熱實現。

采用自然冷卻，板卡上的器件安裝一般遵循以下原則：

1）熱敏元器件應放在設備的冷區<如底部，不可直接放在發熱元器件之上。

2）元器件的布置應按其允許溫度進行分類，允許溫度較高的元器件應放在允許溫度較低的元器作之上。

3）發熱量大的元器件應盡可能靠近溫度最低的表面（如金屬外殼的內表面、金屬底座及金屬支架等）安裝，并應與表面之間有良好的接觸熱傳導。

4）應盡可能減小安裝界面及傳熱路徑上的熱阻。

5）帶引線的電子元器件應盡量利用引線的導熱。熱安裝時應防止產生熱應力,要有消除熱應力的結構措施。

6）電了元器件安裝的方位應符合氣流的流動特性及提高氣流紊流程度的原則。為了提高散熱交果,在適當位置可以加裝紊流器。

另外一種是通過鋁板或其他導熱金屬板將熱量通過外殼導熱出去，同時器件的布局也有一定的要求，如圖2 所示。圖中A 區為裝有高熱耗功率元件的高溫區，B區是裝有發熱元器件的中等溫度區，C 區為裝有不發熱元器件的低溫區，D 區是裝有熱敏元器件的最低溫度區。將這四種不同散熱器件按照圖2 的安裝，通過金屬鋁板進行散熱，可達到散熱要求。

圖2 加裝散熱器器的器件布局

圖3 強迫風冷

3.2 強迫空氣冷卻設計

強迫空氣的換熱主要靠強迫對流作用。然而,熱設計時應考慮導熱和輻射換熱的作用，在重量和成本許可的條件下，應該最大限度地利用導熱,而輻射則要視具體情況而定。對流換熱的基本公式如下：

式中：

Φ ─對流換熱流量，W；

hc─對流換熱系數，W/（m2·C）；

A ─對流換熱面積，m2；

△t ─表面與流體之間的溫差，℃；

強迫空氣冷卻設計，一般就是通過通風機或者風扇，將設備內部的熱空氣與外界的空氣通過通風機或風扇實現強迫對流換熱，達到降溫的目的。這種強迫空氣冷卻的方法，一般要求空氣通道不能阻塞，可以實現空氣順利流通。下圖是典型的通過風扇實現強迫風冷。

4 總結

本文介紹了高溫環境下對產品的影響，通過分析確定產品工作溫度一旦超過其允許的范圍，將會導致材料、器件乃至整個產品、系統發生失效。隨后，針對民品和軍品常用的高溫試驗方法進行了分析，介紹了不同類型樣品進行高溫試驗需要注意的事項，以及試驗方法；同時介紹了電子產品的熱設計的方法。通過高溫環境的影響及測試分析，充分了解高溫環境的危害，為大家進行高溫試驗提供參考和指導。