溫濕度因素對電子元器件的影響研究

高明，李穎，榮長軍 ,呂振華,范曉磊

（火箭軍士官學校，青州 262500）

引言

電子元器件所使用的環(huán)境大多是在大氣中，溫度、濕度、腐蝕性氣體、塵埃等多種因素會對其使用壽命產(chǎn)生影響[1]。電子元器件在大氣環(huán)境下，往往會因潮濕及高溫條件而發(fā)生大氣腐蝕，進而引發(fā)電子結構系統(tǒng)發(fā)生各種故障，例如如短路、點接觸不良等。

1 電子元器件與溫濕度因素的內(nèi)在關聯(lián)

為了保證形形色色的電器能夠正常使用，需要高度重視相關電子元器件的質量與性能問題。電子材料的使用壽命一直是備受人們關注的問題，影響電子材料使用壽命的因素有很多，其中，環(huán)境所造成的影響相對較大。外界環(huán)境的溫度以及濕度條件是影響電子元器件使用壽命，甚至導致其失效的重要原因。電子元器件產(chǎn)品的質量以及性能一直以來都受潮濕、高溫環(huán)境的影響，從濕度影響角度進行分析，如果環(huán)境中水分偏高，濕度較大，則極易導致各種電子元器件產(chǎn)品發(fā)生結露，影響其正常使用[2]。在溫度因素方面，溫度會對腐蝕反應產(chǎn)生一定的積極影響，在一定的濕度條件下，隨著環(huán)境溫度的不斷上升，腐蝕反應也會受到影響，反應速度不斷加快，進而對電子元器件產(chǎn)品使用壽命產(chǎn)生更為不利的影響[3]。對于各種不同類型的電子元器件而言，外部環(huán)境的復雜性會對其性能產(chǎn)生諸多影響。具體來看，相關的影響因素類型十分多樣。其中，溫度以及濕度是十分重要的影響和因素。不同的電子產(chǎn)品對應的級別不同，所能承受的工作溫度與環(huán)境溫度也存在一定的差異，不同級別電子產(chǎn)品所能承受的工作溫度與環(huán)境溫度統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 不同級別電子產(chǎn)品所能承受的工作溫度與環(huán)境溫度統(tǒng)計

因此，電子器件必須儲存在潔凈、通風、無腐蝕性氣體的庫房類室內(nèi)環(huán)境中，倉庫應是通暢的通道。電子物料存儲溫度將直接影響電子元器件的品質質量，不同類型的電子元器件倉庫存儲的溫度要求各不相同。另外，采用行規(guī)人工管理往往不夠方便和及時，很難實時了解倉庫溫度變化，最好是借助溫度控制系統(tǒng)來對倉庫進行管理，才能保證環(huán)境的穩(wěn)定。環(huán)境溫度、濕度會直接影響電子元件的儲存壽命及品質，電子元件的庫房溫度、相對濕度必須符合以下要求：溫度：（-5～30）℃，相對濕度：（20～75）%RH。

2 溫濕度因素對電子元器件的影響實驗研究

2.1 實驗設計

在各種電子產(chǎn)品和設備的使用過程中，溫度以及濕度會對其使用情況產(chǎn)生十分重要的影響。這一情況下，濕熱環(huán)境是導致多種電子元器件發(fā)生故障甚至導致設備失效的重要環(huán)境應力[4]。高溫以及高濕條件下，一些電子元器件材料會受到一定的水分，發(fā)生膨脹，其性能也會受到影響，同時，該條件下還會引起物質強度降低及其它主要機械性能的下降。另外，高溫條件下吸附大量的水氣之后，電子元器件的絕緣材料還會出現(xiàn)電性能下降等情況[5]。在本文的研究過程中，為分析溫濕度因素對電子元器件的影響，選擇設計一定的實驗在實驗中，選擇一定的電子元器件作為實驗器件樣品，并設置高溫高濕條件，將該實驗條件作用于試驗器件樣品，模擬出現(xiàn)實條件下電子元器件在高溫高濕環(huán)境下的水氣吸附、吸收和擴散作用，進而探討溫、濕度因素對電子元器件的影響效果。

2.2 實驗器件

在本次實驗中，選擇以塑封集成運算放大器作為實驗電子元器件。具體來看，結合本次研究的目的和實驗需求，對市面上的各種塑封集成運算放大器進行綜合分析，并最終選擇將某型號塑封集成運算放大器作為本次實驗的器件（圖1）。在實驗開始前，對該塑封集成運算放大器進行仔細大檢查，保持待實驗電子元器件處于拆封后的初始狀態(tài)，且保持清潔狀態(tài)，未受到其他污染。檢查完畢之后，對該塑封集成運算放大器予以妥善保存，以備后續(xù)使用。

圖1 某型號塑封集成運算放大器

2.3 實驗方法

在室溫條件下，對實驗所選取的某型號塑封集成運算放大器樣品進行測量，記錄各項初始電性能參數(shù)數(shù)據(jù)。之后，將實驗器件放置在實驗箱中進行濕熱實驗。實驗過程中將箱子內(nèi)的溫度設定為60 ℃，相對濕度分別設定為80 %和65 %以及50 %，在上述條件下，分別開展貯存實驗。30 min之后將實驗樣品取出進行檢測，檢測項目以及測試方法如表2所示。

表2 某型號塑封集成運算放大器濕熱實驗相關項目測試

2.4 結果與討論

在60 ℃，相對濕度分別為80 %、65 %以及50 %，貯存時間6 000 h條件下，對待測塑封集成運算放大器進行濕熱實驗，觀察實驗結果后發(fā)現(xiàn)，60 ℃溫度下，在不同相對濕度條件下，實驗塑封集成運算放大器的水汽吸收含量也呈現(xiàn)出不同的變化，具體變化情況如圖2所示。

圖2 不同相對濕度下實驗塑封集成運算放大器水汽吸收含量變化情況示意圖（溫度60 ℃）

從圖2的結果可以了解到，在一定的溫度條件下，實驗塑封集成運算放大器的吸濕呈現(xiàn)出動態(tài)變化的過程，并與貯存時間之間存在著一定的關系。在開始階段，實驗塑封集成運算放大器會表現(xiàn)出快速吸收水汽的情況，相應的水汽含量也會隨著時間的不斷推移表現(xiàn)出迅速增加的變化趨勢。但是，在經(jīng)過一段時間之后，實驗塑封集成運算放大器吸收水汽的速度會逐漸下降，水汽含量也會逐漸達到飽和狀態(tài)。另外，通過對實驗結果進行分析還可以了解到，環(huán)境中的濕度會顯著影響到實驗塑封集成運算放大器的吸濕情況。如果保持環(huán)境溫度條件不便，則環(huán)境相對濕度越高，實驗塑封集成運算放大器的吸水速率便越快。在達到飽和狀態(tài)時的，對應的器件飽和水汽含量也性對較高。

根據(jù)以上實驗結果可以發(fā)現(xiàn)該塑封集成運算放大器在濕熱環(huán)境下貯存的主要失效模式是外引線腐蝕，腐蝕敏感區(qū)分別是外引線側面的斷口處、外引線彎曲處、外引線邊緣。分析相關原因，主要是因為這些位置表面鍍層均存在著一定的缺陷（見圖3）。

圖3 實驗前外引線不同部位表面情況

通過上述實驗可以發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度和濕度因素影響下，會導致試驗器件發(fā)生一定的缺陷。這一背景條件下，在塑封集成運算放大器的實際應用過程中，在其表面會出現(xiàn)毛細管作用以及物理吸附、化學吸附。于是，塑封集成運算放大器所處外界環(huán)境中的大氣水汽便極易對塑封集成運算放大器的表面產(chǎn)生影響，在器件的針孔位置和裂紋附近等區(qū)域產(chǎn)生凝聚，并引起水分子膜的形成[6]。在水汽中含有灰塵、酸、電解質、堿、鹽等多種復雜的成分和雜質，這些成分與雜質會對器件產(chǎn)生不良的影響，會導致水的導電率的顯著增加。于是，在塑封集成運算放大器的裂紋以及針孔處，鎳鍍層和Cu合金基體以含有雜質離子的水分子膜為電解液構成了電化學腐蝕原電池，導致使鎳鍍層不斷被腐蝕破壞，進而影響到塑封集成運算放大器的應用效果與使用壽命[7]。

3 結論

總之，通過本文的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，電子元器件性能與溫度以及濕度因素之間存在著十分密切的聯(lián)系，不同的濕度與溫度條件下，會對電子元器件產(chǎn)生一定的影響。在本次封集成運算放大器濕熱實驗中，在一定的溫度條件下，實驗塑封集成運算放大器的吸濕呈現(xiàn)出動態(tài)變化的過程，并與貯存時間之間存在著一定的關系。同時，實驗結果還顯示，環(huán)境中的濕度會顯著影響到實驗塑封集成運算放大器的吸濕情況。如果保持環(huán)境溫度條件不便，則環(huán)境相對濕度越高，實驗塑封集成運算放大器的吸水速率便越快。在達到飽和狀態(tài)時的，對應的器件飽和水汽含量也性對較高。另外，分析濕熱環(huán)境下實驗塑封集成運算放大器貯存失效的相關原因，主要與外引線腐蝕相關。同時，相應的腐蝕速度與環(huán)境的相對濕度之間也存在著十分密切的聯(lián)系。