電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選溫度穩(wěn)定性測(cè)試研究

林琳，晏效鋒，張熙川

（中航工業(yè)自動(dòng)控制研究所檢測(cè)試驗(yàn)中心，西安 710065）

在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內(nèi)，環(huán)境因素引起產(chǎn)品的故障占總故障數(shù)的50%左右。在各種環(huán)境因素引起的故障中，溫度、振動(dòng)和濕度環(huán)境因素引起的故障分別為40%，27%和19%，溫度是引起產(chǎn)品故障數(shù)量最多的環(huán)境因素。

在溫度試驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中，對(duì)機(jī)載電子產(chǎn)品溫度穩(wěn)定相關(guān)要求的理解不夠，主要表現(xiàn)在：

1）在實(shí)際操作中很少對(duì)產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行直接測(cè)量或計(jì)算；

2）將產(chǎn)品溫度穩(wěn)定與試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部達(dá)到溫度穩(wěn)定兩者概念混淆；

3）忽略溫度穩(wěn)定的要求，在試驗(yàn)中產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定時(shí)間為零。

溫度穩(wěn)定時(shí)間是確定溫度試驗(yàn)必不可少的條件之一，對(duì)保證試驗(yàn)再現(xiàn)性也很重要。

1 溫度穩(wěn)定的要求

GJB 150A在通用要求第3.5條對(duì)產(chǎn)品溫度穩(wěn)定的要求為：除另有規(guī)定外，當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件的溫度變化率不超過(guò)2 ℃/h 時(shí)，則認(rèn)為試驗(yàn)樣品達(dá)到了工作時(shí)的溫度穩(wěn)定；當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件的溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，則認(rèn)為試件達(dá)到了不工作時(shí)的溫度穩(wěn)定。一般不考慮結(jié)構(gòu)件或無(wú)源件的溫度穩(wěn)定[1]。

GJB 1032 在附錄B 中對(duì)產(chǎn)品溫度穩(wěn)定的要求為：產(chǎn)品按高、低溫設(shè)定值進(jìn)行溫度循環(huán)，當(dāng)安裝在產(chǎn)品上的2/3的熱電偶溫度在設(shè)定溫度的±10 ℃范圍之內(nèi)，則認(rèn)為產(chǎn)品達(dá)到了溫度穩(wěn)定，該時(shí)間點(diǎn)和試驗(yàn)設(shè)備達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)的時(shí)間之差即為高、低溫溫度穩(wěn)定時(shí)間[2]。

HB 6167在總則第3.1條對(duì)產(chǎn)品溫度穩(wěn)定的要求為：當(dāng)設(shè)備內(nèi)部最大質(zhì)量處的溫度達(dá)到規(guī)定溫度的±3 ℃范圍以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為其達(dá)到了設(shè)備不工作狀態(tài)的度穩(wěn)定；當(dāng)設(shè)備內(nèi)部最大質(zhì)量處的溫度每小時(shí)變化不超過(guò)2 ℃時(shí)，認(rèn)為其達(dá)到了工作狀態(tài)的溫度穩(wěn)定。無(wú)法測(cè)量其內(nèi)部最大質(zhì)量處溫度的設(shè)備，可以認(rèn)為其不工作狀態(tài)達(dá)到溫度穩(wěn)定的最短時(shí)間為3 h，其工作狀態(tài)達(dá)到溫度穩(wěn)定的最短時(shí)間為2 h[3]。

GJB 150A 對(duì)產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定的要求最嚴(yán)格，在軍民機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，筆者分析由于GJB 150A針對(duì)的是軍用設(shè)備，因此在要求標(biāo)準(zhǔn)上要略高于適用于民用機(jī)載設(shè)備的HB 6167 中的規(guī)定；HB 6167的優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)無(wú)法測(cè)量的設(shè)備（或產(chǎn)品）給出了一個(gè)最短時(shí)間，使標(biāo)準(zhǔn)的操作性更強(qiáng)。另外，比較明顯的差異是環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境應(yīng)力篩選標(biāo)準(zhǔn)（GJB 1032）之間的差異，由于環(huán)境應(yīng)力篩選提供的是不損壞產(chǎn)品前提下，能激發(fā)產(chǎn)品故障（或缺陷）的加速應(yīng)力環(huán)境，而且篩選對(duì)產(chǎn)品的考核重點(diǎn)在升降溫速率和循環(huán)次數(shù)，對(duì)產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定要求相對(duì)較低，因此對(duì)產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定的要求也較低。

2 溫度穩(wěn)定測(cè)試方法

不同產(chǎn)品在同一溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間不同，溫度穩(wěn)定所需時(shí)間還與試驗(yàn)箱的能力和試驗(yàn)溫度有關(guān)，因此不可能提供一個(gè)統(tǒng)一的溫度穩(wěn)定時(shí)間，而需要通過(guò)一定的方法來(lái)確定。根據(jù)有關(guān)資料，典型的確定方法有直接測(cè)量法、重量法、時(shí)間常數(shù)法等。其中首推直接測(cè)量法。

2.1 直接測(cè)量法

從GJB 150 對(duì)溫度穩(wěn)定的定義來(lái)看，就是用直接測(cè)量法來(lái)確定試驗(yàn)樣品溫度穩(wěn)定的時(shí)間，即在樣品熱容量最大的部位安裝溫度傳感器。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)該處的溫度值，當(dāng)其符合溫度穩(wěn)定的定義時(shí)，則認(rèn)為樣品達(dá)到了溫度穩(wěn)定。

2.2 重量法

重量法是按受試產(chǎn)品的重量來(lái)決定高低溫的保持時(shí)間，僅適合于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料單一的產(chǎn)品。如HB 6-71-76《飛機(jī)電機(jī)電器環(huán)境試驗(yàn)方法》的總則中提出試驗(yàn)樣品重量與溫度穩(wěn)定時(shí)間對(duì)照表（見(jiàn)表1）。對(duì)于大部分產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件材料各不相同，且內(nèi)部還有微氣候存在，認(rèn)為保溫時(shí)間與重量成比例是不合理的，對(duì)一些試驗(yàn)樣品用直接測(cè)量法找出的溫度穩(wěn)定時(shí)間與重量法計(jì)算的時(shí)間差別很大。因此，國(guó)內(nèi)外一些先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)都不采用這一方法。

表1 試驗(yàn)樣品重量與溫度穩(wěn)定時(shí)間對(duì)照表Table 1 Equipment weight and temperature stabilization time comparison table

2.3 時(shí)間常數(shù)法

時(shí)間常數(shù)法是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）采用的方法，即在試驗(yàn)前直接用熱電偶或其它傳感器測(cè)量試驗(yàn)樣品熱容量最大部位的溫度。當(dāng)此溫度升到試驗(yàn)溫度的0.632 倍時(shí)停止測(cè)量。將這段升溫所需時(shí)間作為該試驗(yàn)樣品的熱時(shí)間常數(shù)，并把該常數(shù)的4 倍作為溫度穩(wěn)定時(shí)間。該方法要對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行實(shí)測(cè)，因此在許多情況下，不如在試驗(yàn)過(guò)程中直接測(cè)量樣品溫度簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。

3 溫度穩(wěn)定測(cè)試方法研究

由于直接測(cè)試更簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確，因此在某型機(jī)載電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中，確定其溫度穩(wěn)定時(shí)間使用了溫度傳感器安裝在產(chǎn)品上直接測(cè)量的方式，但通過(guò)非接觸測(cè)量的方式來(lái)幫助確定產(chǎn)品傳感器的安裝點(diǎn)。

3.1 產(chǎn)品非接觸測(cè)試

通過(guò)紅外熱成像儀或紅外輻射儀及其軟硬件組成的非接觸溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行非接觸測(cè)試。在不與被測(cè)產(chǎn)品表面接觸的情況下，來(lái)獲得常溫環(huán)境下產(chǎn)品內(nèi)部的熱分布情況（如圖1所示）。從而獲得產(chǎn)品熱點(diǎn)以及產(chǎn)品自身的關(guān)鍵點(diǎn)及典型位置。

圖1 某型產(chǎn)品印制板溫場(chǎng)分布Fig.1 Temperature field distribution of a PCB

3.2 產(chǎn)品直接測(cè)試

在產(chǎn)品上直接安裝溫度傳感器測(cè)試的方式被稱為接觸式測(cè)試，其測(cè)量系統(tǒng)有熱電偶數(shù)據(jù)采集單元、接口和軟件等組成（如圖2所示）。根據(jù)非接觸測(cè)試獲得的產(chǎn)品熱點(diǎn)以及產(chǎn)品自身的關(guān)鍵點(diǎn)及典型位置作為熱電偶的安裝點(diǎn)，試驗(yàn)箱內(nèi)共安裝熱電偶10支，其中9 支熱電偶直接安裝在產(chǎn)品表面及內(nèi)部，1支用于測(cè)試試驗(yàn)箱內(nèi)部空間溫度。

某型機(jī)載電子產(chǎn)品測(cè)試的條件為：高溫工作溫度為70 ℃，低溫工作溫度為-55 ℃，升降速率為10 ℃/min，測(cè)試共計(jì)3 個(gè)循環(huán)。由溫度傳感器獲得的各通道測(cè)試曲線如圖2所示。

圖2 各通道熱電偶測(cè)試曲線Fig. 2 Test curves of temperature stabilization time in every channel thermocouple

根據(jù)GJB 1032附錄要求，在產(chǎn)品上2/3的熱電偶的溫度在設(shè)定溫度的±10 ℃之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)品達(dá)到了該溫度點(diǎn)的溫度穩(wěn)定。因此根據(jù)由熱電偶測(cè)得的溫度曲線，得到每個(gè)循環(huán)測(cè)得的溫度穩(wěn)定時(shí)間見(jiàn)表2。該型產(chǎn)品溫度穩(wěn)定時(shí)間取平均值分別為67 min（達(dá)到-55 ℃的溫度穩(wěn)定）和37 min（達(dá)到70 ℃的溫度穩(wěn)定）。

表2 某型機(jī)載電子設(shè)備溫度穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試結(jié)果Table 2 Measurement result of equipment temperature stabilization time

3.3 測(cè)試方法總結(jié)

溫度穩(wěn)定的測(cè)試方法可以通過(guò)非接觸測(cè)試來(lái)確定產(chǎn)品的熱點(diǎn)，這可以作為確定熱電偶安裝點(diǎn)的參考條件；在產(chǎn)品上確定熱電偶安裝點(diǎn)時(shí)，也要密切關(guān)注產(chǎn)品的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵點(diǎn)，保證關(guān)鍵器件必須達(dá)到溫度穩(wěn)定；在產(chǎn)品上安裝熱電偶應(yīng)盡可能多，這樣試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確；溫度穩(wěn)定時(shí)間的確定至少應(yīng)保證2次測(cè)試，從而驗(yàn)證測(cè)試的準(zhǔn)確性，避免只進(jìn)行一次測(cè)試帶來(lái)較大的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于溫度穩(wěn)定的測(cè)試中所用的方法、手段可推廣用于GJB 150A 和HB 6167，可以使產(chǎn)品依據(jù)自身特點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)，而并非在產(chǎn)品大小各異、結(jié)構(gòu)不同的情況下，千篇一律的使用同一中溫度穩(wěn)定時(shí)間。

同時(shí)在GJB 4239的工作項(xiàng)目403環(huán)境響應(yīng)調(diào)查中部分內(nèi)容（如溫度分布、熱點(diǎn)）也可以采用，也推薦在溫度響應(yīng)調(diào)查之前，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)在工程樣機(jī)制造后，通過(guò)接觸式和非接觸式的溫度測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)、迭代設(shè)計(jì)，從而將產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性在研制階段就通過(guò)設(shè)計(jì)納入產(chǎn)品中，使機(jī)載電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性不斷提高。

[1]GJB 150A-2009，軍用設(shè)備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

[2]GJB 1032-1990，機(jī)載電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S].

[3]HB 6167-1989，民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法[S].