軍用電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)

文/王羚薇 張偉 王威

1 概述

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品趨向小型化、模塊化、集成化發(fā)展，電子產(chǎn)品的精度和可靠性對(duì)設(shè)備有著越來(lái)越大的作用，是判斷儀器是否優(yōu)良的關(guān)鍵條件之一。軍用電子儀器需要適應(yīng)不斷變化的工作環(huán)境，若電子產(chǎn)品中的材料、元器件等在復(fù)雜環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕等情況，會(huì)降低產(chǎn)品的電氣性能，造成巨大的損失。國(guó)外一研究機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)行不良的電子儀器展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)，多達(dá)五成的電子儀器運(yùn)行不良是由于環(huán)境條件造成，由于溫度、濕度、振動(dòng)三類(lèi)條件導(dǎo)致電子儀器運(yùn)行不良高達(dá)43.58%，由此可見(jiàn)三防設(shè)計(jì)的重要性。

2 潮濕、鹽霧、霉菌對(duì)電子設(shè)備的影響

三防設(shè)計(jì)主要涵蓋抵御潮濕、鹽霧、霉菌這三類(lèi)對(duì)象，這三類(lèi)物質(zhì)對(duì)儀器的作用方式也存在差異。為使軍用電子設(shè)備滿(mǎn)足設(shè)計(jì)之初的指標(biāo)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造的成本，產(chǎn)品應(yīng)該從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，在考慮產(chǎn)品電性能、結(jié)構(gòu) 、機(jī)械強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用條件時(shí)，也將潮濕、鹽霧、霉菌等環(huán)境因素的腐蝕作用與防范問(wèn)題都考慮進(jìn)去，從設(shè)計(jì)伊始就加入三防的概念，下面將分別介紹潮濕、鹽霧和霉菌對(duì)電子產(chǎn)品的危害。

2.1 潮濕場(chǎng)所的危害

影響電子設(shè)備性能的主要因素之一是潮濕，當(dāng)相對(duì)濕度在80%以上時(shí)，電子設(shè)備會(huì)在物理、機(jī)械、電氣三個(gè)方面受到影響。在過(guò)于潮濕的環(huán)境下，電子產(chǎn)品易產(chǎn)生溶脹、在物理上發(fā)生變化和分解，會(huì)使質(zhì)量受到破壞，或使機(jī)械性能劣化、電氣性能受到影響。過(guò)于潮濕的空氣容易導(dǎo)致電子產(chǎn)品或元器件受潮出現(xiàn)氧化腐蝕。水作為一種化合物，因此在潮濕的空氣中會(huì)溶解有氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽等。濕氣中往往溶解有氯化物，當(dāng)不同金屬間存在電動(dòng)勢(shì)時(shí)，在這些導(dǎo)電溶液的作用下，會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而造成金屬的腐蝕。潮濕可能減弱絕緣材料和層壓電路板的介電強(qiáng)度和體積絕緣電阻，提升損耗角的正切值。潮濕還給霉菌的繁殖創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境。另外，空間里的水汽還會(huì)吸收電磁能量，出現(xiàn)電極擊穿的安全隱患（大部分電容器吸水量大于0.1%就喪失工作能力）。在高密度的微電路內(nèi)，水蒸氣會(huì)創(chuàng)造導(dǎo)電路徑，造成漏電或短路，進(jìn)而導(dǎo)致儀器故障。在客觀工作的環(huán)境里，濕度也不是越低越好，理想的濕度應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)：過(guò)大的空氣水含量會(huì)使密封及絕緣用的大量橡膠及有機(jī)物質(zhì)干涸或皺縮，造成突出的電氣功效變化；過(guò)大的空氣水含量大概率會(huì)導(dǎo)致水汽聚集，使儀器的絕緣電阻減弱，造成漏電及飛弧。

針對(duì)電子設(shè)備研究發(fā)現(xiàn)，儀器零件吸收水分易造成介電常數(shù)浮動(dòng)，介質(zhì)損耗加劇，當(dāng)濕度上升至較大數(shù)值還可能造成金屬腐蝕急劇提升（通常鐵的臨界腐蝕濕度為70%，鋅為65%，鋁為60%-65%）。特別是在溫差較為明顯的濕熱情況中，因?yàn)樗梦镔|(zhì)毛細(xì)管的“呼吸效應(yīng)”，會(huì)極劇加速物質(zhì)的吸潮與腐蝕進(jìn)度，如白天、夜晚的溫度差異會(huì)造成利用“O”形環(huán)或墊圈密封的電子儀器在溫度較低的時(shí)間段吸收水汽，日間溫度較高時(shí)釋放干熱氣體，若吸潮到一定數(shù)值便冷凝為水，加劇了腐蝕行為的速度。

2.2 鹽霧環(huán)境的危害

鹽霧是導(dǎo)致電子產(chǎn)品損壞的另一關(guān)鍵因素。鹽霧一般常見(jiàn)于海上及海洋附近，陸上離海400m及高度約150m內(nèi)的鹽霧腐蝕效果較為明顯。鹽霧的成分主要是NaCl和MgCl2，另外是少量雜質(zhì)。若相對(duì)濕度超過(guò)65%，所有材料表面都會(huì)形成水膜，而鹽霧里的氯化鈉及氯化鎂的突出特征在于，能根據(jù)濕度較小的空氣里吸收額外的水分，特別在溫度及濕度這兩個(gè)方面數(shù)值較大的環(huán)境中，若材料表面形成如此的含鹽水份時(shí)，便可理解為電子產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間處在潮濕情況中，因?yàn)楹}水膜的存在，所以加劇了金屬物質(zhì)的腐蝕，也減弱了電子儀器絕緣物質(zhì)的表面比電阻。

針對(duì)電子儀器而言，大部分電解液的出現(xiàn)是因?yàn)樗魵獾募鬯鶎?dǎo)致，而鹽霧與水蒸氣的聚集會(huì)生成強(qiáng)電解液，電解液一旦生成，很容易造成金屬電化學(xué)腐蝕。鹽霧腐蝕的進(jìn)展程度與溫度、濕度的提升而成正比。溫度會(huì)加快化學(xué)層面的腐蝕，溫度每增加10攝氏度，腐蝕進(jìn)展程度可隨之加快2至3倍，電解質(zhì)的電導(dǎo)率也會(huì)攀升10%～20%。相對(duì)濕度RH的臨界值是70%，若RH低于70%，腐蝕進(jìn)展緩慢，若RH超過(guò)70%，鹽類(lèi)發(fā)生潮解，電解液逐漸成膜，則易出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，從而造成金屬的腐蝕。

2.3 霉菌環(huán)境的危害

霉菌是菌絲所組成的植物體，為單細(xì)胞真菌，憑借孢子進(jìn)行繁殖生長(zhǎng)，成熟后散落眾多的孢子通過(guò)空氣循環(huán)傳播到不同場(chǎng)所、電子儀器里，空氣能到達(dá)的地方均存在繁殖霉菌的概率。

霉菌由蛋白質(zhì)組成，本身可以導(dǎo)電，此外，霉菌分泌的不同酶可損毀大量的有機(jī)物及有機(jī)物的衍生成分，還會(huì)損毀大量的礦物成分，進(jìn)而作用在部分電子儀器的密封、絕緣上，并減弱其功效，縮短儀器壽命。大部分霉菌生長(zhǎng)在濕潤(rùn)環(huán)境，若其穿越絕緣表面而生長(zhǎng)，會(huì)造成短路現(xiàn)象。霉菌利用損耗固體及氣體物質(zhì)能夠損毀金屬表層的電平衡，以此損毀能抵御防腐的鈍態(tài)薄膜。在符合條件的溫度、濕度和酸性環(huán)境里，霉菌幾乎能夠繁殖在所有物質(zhì)上，所以，霉菌對(duì)于電子產(chǎn)品的破壞屬于非常關(guān)鍵的因素。

3 電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)

從上文的介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，潮濕、霉菌、鹽霧對(duì)電子產(chǎn)品的危害很大，為保證電子產(chǎn)品的可靠性，必須進(jìn)行三防設(shè)計(jì)。三防設(shè)計(jì)應(yīng)從材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)等多方入手。

3.1 材料三防設(shè)計(jì)

在材料的選擇上，耐候性較強(qiáng)的物質(zhì)被普遍使用，并取得較好的效果。如不銹鋼的耐候能力高于鐵合金。從性?xún)r(jià)比角度而言，表面積較大的薄板材質(zhì)（小于2毫米）、接頭、鉸鏈等摩擦件通常考慮耐候物質(zhì)進(jìn)行工作。

為降低電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，當(dāng)儀器由大量金屬物質(zhì)構(gòu)建時(shí)，應(yīng)盡量選用電動(dòng)勢(shì)接近的金屬相互接觸，以降低互相接觸的金屬（或金屬層）之間的電位差；當(dāng)必須將不建議接觸的金屬物質(zhì)拼接時(shí)，金屬間應(yīng)填涂保護(hù)層或增設(shè)絕緣墊圈，另外，在表面積問(wèn)題的處理上，陽(yáng)極性物質(zhì)需要盡量增大、陰極性物質(zhì)則需減小。

3.2 結(jié)構(gòu)三防設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的優(yōu)良與否對(duì)電子產(chǎn)品的三防功效作用尤為重要，三防設(shè)計(jì)要求包括：

（1）盡量避免積水積灰，設(shè)計(jì)中減少縫隙及尖端，設(shè)計(jì)應(yīng)外形流暢，防護(hù)達(dá)標(biāo)。

（2）結(jié)構(gòu)形式里，慎重設(shè)計(jì)所需要的用料和構(gòu)造，仔細(xì)研究表面處理等工藝流程，若所用金屬和工藝防護(hù)難以符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則應(yīng)從儀器的整體或細(xì)微角度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如對(duì)非尋常要求的電路、零件、輔件，設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮密封問(wèn)題。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌考慮表面處理的手段，并借助表面處理策略展開(kāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，另外需整體考量各類(lèi)材料相接觸發(fā)生電化反應(yīng)的防范手段。

3.3 工藝三防設(shè)計(jì)

這一環(huán)節(jié)一般涵蓋涂覆、電鍍、噴涂、表面改性等表面處理。表面處理層是預(yù)防電化學(xué)反應(yīng)、屏障氧化，要著重對(duì)于尖角、縫隙位置的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，要綜合考量結(jié)構(gòu)三防，進(jìn)行有機(jī)的整體研究并展開(kāi)優(yōu)化。

3.4 電路板組裝件三防設(shè)計(jì)

電路板組結(jié)構(gòu)是需要特殊的工作場(chǎng)合介質(zhì)中運(yùn)行的，工作場(chǎng)合中的變化勢(shì)必左右其性能及使用期限，因此，設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮其環(huán)境適應(yīng)性并采用工藝措施保證其良好的使用性。

印制板組裝件的三防主要涉及以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）選材：優(yōu)先選耐氰化合物，單、雙面覆箔板THF13-21.22和雙氰胺性環(huán)氧玻璃布板THXB-68。另外，應(yīng)對(duì)板箔落實(shí)質(zhì)量審核、保證匹配技術(shù)要求；最后，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)的電鍍涂覆工藝，對(duì)印制電路鍍銀、印制插頭鍍金或鍍鎳金。

（2）涂覆及灌封：在印制板和元器件上，應(yīng)噴涂DBSF6101三防漆后灌封QD231硅橡膠（或其它同類(lèi)型的硅橡膠），在涂覆三防漆前，應(yīng)保證印制板和元器件的整潔，可對(duì)印制板及其組件進(jìn)行二次清洗后，再涂覆三防漆，在涂覆過(guò)程中，應(yīng)注意對(duì)某些器件的防護(hù)，如連接器、有灌封要求的電器件及部件、微調(diào)電容、可調(diào)電感、可調(diào)電阻和2W以上的電阻、感溫元件、開(kāi)關(guān)、波段開(kāi)關(guān)的滑動(dòng)接點(diǎn)、減震器、橡膠零件、線束活動(dòng)部位、散熱器、電機(jī)、導(dǎo)軌、整機(jī)的面板、外殼、機(jī)箱接地的螺釘部位等。

（3）成品處理：采用三氯三氟乙烷（F113）展開(kāi)氣相清洗，在50℃溫箱內(nèi)預(yù)烘一小時(shí)，插頭零件用無(wú)腐蝕、能耐150℃高溫的絕緣膠帶保護(hù)，在印制板上涂S01-3清漆。

（4）對(duì)半成品保護(hù)，噴涂樹(shù)脂中性保護(hù)劑，儲(chǔ)存時(shí)單個(gè)印制板用聚乙烯塑料袋進(jìn)行隔離儲(chǔ)存，并儲(chǔ)存在備用硅膠（維持相對(duì)濕度在50℃±10區(qū)域）的玻璃器中，在操作過(guò)程要注意靜電防護(hù)。

4 三防設(shè)計(jì)措施

進(jìn)行三防設(shè)計(jì)時(shí)，為防止潮濕、鹽霧、霉菌對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響，一般可采用以下手段：

4.1 防潮濕設(shè)計(jì)

（1）利用工藝手段，減弱儀器的吸水能力，增強(qiáng)儀器的憎水性能。

（2）針對(duì)部分器件或位置，使用浸漬、灌封手段，用強(qiáng)度大、絕緣能力佳的涂料涂抹構(gòu)建內(nèi)的縫隙、孔洞，如將環(huán)氧樹(shù)脂、蠟類(lèi)、不飽和聚酯樹(shù)脂、硅橡膠等有機(jī)絕緣物質(zhì)經(jīng)高溫加熱成液態(tài)，灌入零件中或和外表面構(gòu)成的縫隙、孔洞的間隙，以上方式還能夠強(qiáng)化儀器的抗擊穿能力與降低發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，在灌封時(shí)要注意對(duì)鄰近器件的保護(hù)。

（3）以密封為目的，利用塑料及金屬對(duì)零件密封，塑料密封是將零件裝入注塑模具，使其和塑料成為一體；金屬密封目的是將部件放在密封的盒內(nèi)，部分還在盒內(nèi)灌注氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)，金屬密封在防潮方面較塑料效果更好。

（4）用有機(jī)絕緣漆噴涂構(gòu)件外層，讓其抵御潮濕的能力提升，減少潮濕對(duì)其性能的影響。

4.2 防鹽霧設(shè)計(jì)

最普遍的手段為電鍍與涂覆，同時(shí)要盡量降低各種金屬間的接觸產(chǎn)生的電化學(xué)作用。鹽霧能導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)電解效果，尤其是當(dāng)不同金屬接觸，這種效果尤其明顯，所以，要盡可能選擇同類(lèi)金屬進(jìn)行接觸。如需不同金屬配合，應(yīng)約束電位差小于0.5V，逾越這一數(shù)值時(shí)需要替換為過(guò)渡金屬（或鍍層），以減少原來(lái)兩種材料造成的電化學(xué)腐蝕效果。

4.3 防霉菌設(shè)計(jì)

（1）一般推薦抗霉物質(zhì)，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)能夠有效減少霉菌繁殖，合成樹(shù)脂也存在優(yōu)良的抗霉效果，不推薦使用棉、麻、毛、綢、紙、木材等有機(jī)物質(zhì)作為用來(lái)絕緣的材料。

（2）對(duì)儀器的溫度與濕度展開(kāi)約束，減少濕度，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的通風(fēng)場(chǎng)所，以抵御霉菌繁殖。

（3）對(duì)于密封設(shè)備，可充入高濃度O3，用來(lái)殺菌。

（4）采用防霉劑——用化學(xué)藥品減少霉菌繁殖，乃至徹底殺死。

5 結(jié)束語(yǔ)

腐蝕防護(hù)與控制是保證電子產(chǎn)品性能的有效方法之一，也是整機(jī)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和實(shí)施的重要保證措施，評(píng)判電子整機(jī)設(shè)備可靠性高低的關(guān)鍵因素。軍用電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)是多學(xué)科交叉的大型設(shè)計(jì)任務(wù)，需機(jī)械、設(shè)計(jì)、工藝、電學(xué)等各學(xué)科科研者的通力協(xié)作，要根據(jù)設(shè)備的環(huán)境分析，確定主要防護(hù)的環(huán)境因素、作用強(qiáng)度及持續(xù)期限，再?gòu)臑檎麢C(jī)腐蝕防護(hù)的選料選擇、工藝設(shè)計(jì)確定方向和技術(shù)途徑等，還應(yīng)考慮產(chǎn)品技術(shù)要求及使用指標(biāo),對(duì)關(guān)鍵位置及零件,使用符合其自身特性的三防設(shè)計(jì)。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷翻新不斷突破,科研工作者對(duì)三防的重視性也越來(lái)越大，不斷開(kāi)展新的研究，也發(fā)現(xiàn)了一些新的三防設(shè)計(jì)手段及材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也取得了十分好的成績(jī)，作為科研人員，應(yīng)持續(xù)探索、隨時(shí)關(guān)注最新的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)于新的研究成果認(rèn)真、驗(yàn)證后，將之應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。