低氣壓環(huán)境下的電子元器件可靠性解析

一、低氣壓環(huán)境

在地球引力作用下，空氣依附在地球周圍，形成大氣層，大氣層從地面一直向上延伸到數(shù)百公里高空。地球的引力使空氣具有一定重量形成大氣壓力，在某高度上的大氣壓力，是該點以上垂直于地面的單位面積上整個空氣柱的重量。大氣壓是各向同性的，即在某一點上，不管在哪個方向上測量大氣壓都是相等的。大氣壓力的大小主要取決于海拔高度，隨高度的增加，大氣壓力逐漸降低，大氣逐漸變得稀薄。高度接近于5.5km處，大氣壓力降低到大約海平面標準大氣壓值的一半;接近16km處的大氣壓力為標準海平面值的1/10;在接近31km處的大氣壓力為海平面標準大氣壓值的1/100.大氣壓力的降低，必然對高海拔地區(qū)使用的電工電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響。我國約有50%的地球表面積高于海平面1000m,約有25%的面積高于海平面2000m.壓力梯度越大，壓力改變得越快，元器件損壞的機會就越多。

二、低氣壓環(huán)境對電子元器件的影響

1.對散熱產(chǎn)品影響

電工電子產(chǎn)品中有相當一部分是散熱產(chǎn)品，如電機、變壓器等，這些產(chǎn)品在使用中要消耗一部分電能，使其變成熱能，使產(chǎn)品溫度升高。散熱產(chǎn)品的溫升隨大氣壓的降低而增加。表1列出了小型三向異步電動機溫升隨海拔高度的變化。

由表1可以看出：散熱產(chǎn)品的溫升隨海拔高度的增加(大氣壓力的降低)而增加。

溫升與海拔高度大致成線性關(guān)系，如圖1所示。其斜率取決于本身結(jié)構(gòu)、散熱情況、環(huán)境溫度等因素。

散熱產(chǎn)品的熱耗散可以分成3種形式：

傳導(dǎo)、對流和輻射。大量散熱產(chǎn)品的散熱主要依靠對流，即依靠產(chǎn)品周圍的空氣流動來散熱，對流散熱一般又可分為強迫通風(fēng)散熱和自然對流散熱。自然對流散熱是依靠產(chǎn)品發(fā)熱產(chǎn)生的溫度場，造成產(chǎn)品周圍空氣的溫度梯度，使空氣流動散熱。強迫通風(fēng)散熱是通過強制措施，迫使空氣流過產(chǎn)品，帶走產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量。對強迫對流散熱來說，在體積流不變情況下，隨高度增加，大氣壓將伴隨著空氣密度降低?？諝饷芏冉档蛯⒅苯佑绊憦娖葘α魃岬男Ч＿@是由于強迫對流散熱是依靠氣體的流動帶走熱量的。一般電機用的冷卻風(fēng)扇，是保證流過電機的體積流量不變，當高度增加時，由于空氣密度下降，即使體積流量不變，氣流的質(zhì)量流量將隨之降低。

2.對電子元器件性能的影響

高度增加氣壓降低，對電子元器件的性能也會產(chǎn)生影響。特別是以空氣作為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，低氣壓對其影響更為顯著。在正常大氣條件下，空氣是絕好的絕緣介質(zhì)，許多電器產(chǎn)品采用空氣作為絕介質(zhì)。當這些產(chǎn)品用于高海拔地區(qū)作為械設(shè)備時，由于大氣壓力降低，常常在電場強度較強的電極附近產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。更嚴重的是有時會發(fā)生空氣間隙擊穿，這意味著設(shè)備的正常工作受到破壞。

三、低氣壓環(huán)境下電子元器件的可靠性控制

1.元器件的合理選用

根據(jù)元器件在電路中的使用特性進行設(shè)計分析并合理選用元器件，是元器件可靠性的基礎(chǔ)。電子元器件的可靠性控制點應(yīng)前移，從源頭抓起，即從設(shè)計選用、優(yōu)選廠家、壓縮品種、可靠性試驗、提高質(zhì)量等級抓起，使那些用代價換來的預(yù)防措施在源頭就發(fā)揮作用，而不能總是處于補救措施狀態(tài)。并且，應(yīng)該從元器件可靠性物理分析角度，系統(tǒng)地進行失效信息的收集與分析、失效分析、破壞性物理分析、密封器件內(nèi)部氣氛分析、失效模式及機理與工藝的相關(guān)性分析、失效模式與影響分析等元器件的質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)等，將元器件質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)融入元器件產(chǎn)品設(shè)計、制造過程，實現(xiàn)元器件的可靠性增長。

2.元器件的監(jiān)制、試驗和驗收

元器件的生產(chǎn)、試驗和驗收，是保證元器件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是航天產(chǎn)品元器件可靠性的關(guān)鍵控制點，其過程控制的好壞決定了元器件的固有質(zhì)量。電子元器件按功能劃分，有電子元件、分立器件和微電路等;按采購渠道劃分，有進口和國產(chǎn)元器件之分;按產(chǎn)品成熟性劃分，有貨架產(chǎn)品和新品器件。不同元器件有不同的控制要求，在下廠監(jiān)制和驗收、到貨檢驗時應(yīng)有不同的處理方法和程序。因此，應(yīng)將元器件分門別類地進行劃分，規(guī)定各類元器件的監(jiān)制方式、特殊試驗要求和驗收辦法，并明確相應(yīng)的程序和執(zhí)行單位或部門。

3.破壞性物理分析

元器件DPA(破壞性物理分析)的主要目的是要防止有明顯或潛在缺陷的元器件裝機使用。除用于元器件的質(zhì)量鑒定外，在航天產(chǎn)品中，還用于元器件的驗收、裝機前元器件的質(zhì)量復(fù)查、元器件超期復(fù)驗以及元器件的失效分析。在一般產(chǎn)品上，DPA通常用于已裝機元器件的質(zhì)量驗證。在航天產(chǎn)品上，DPA必須在元器件裝機以前完成，因此，需明確航天產(chǎn)品用元器件進行DPA的時機、DPA的試驗項目、實施DPA的機構(gòu)、DPA的數(shù)據(jù)記錄要求和DPA結(jié)果的處理方法。

4.元器件的失效分析方法

元器件失效分析的主要任務(wù)是對失效的元器件進行必要的電、物理、化學(xué)的檢測，并結(jié)合元器件失效前后的具體情況及有關(guān)技術(shù)文件進行分析，以確定元器件的失效模式、失效機理和造成失效的原因。通過失效分析可以發(fā)現(xiàn)失效元器件的固有質(zhì)量問題，也有可能發(fā)現(xiàn)元器件因不按規(guī)定條件使用而失效的使用質(zhì)量問題，通過向有關(guān)方面反饋，促使責(zé)任方采取糾正措施，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。相對來說，失效模式的確定比較簡單，而確定失效機理的難度較大，分析人員必須掌握元器件的設(shè)計、工藝和有關(guān)的理化知識，并有一定的實踐經(jīng)驗。此外，還要具備較復(fù)雜的儀器、設(shè)備。在明確失效機理后，還必須找出失效原因，才能避免重復(fù)失效，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。但根據(jù)失效機理確定失效原因，往往涉及失效現(xiàn)場和責(zé)任人等具體情況，確定起來有相當大的難度。因此，首先要確定進行失效分析的單位，規(guī)定提交失效分析的程序和失效信息，以及產(chǎn)品研制各階段失效元器件的失效信息記錄要求等，然后，根據(jù)失效分析的結(jié)論，對引起失效的原因進行歸零處理。若為設(shè)計缺陷，應(yīng)和生產(chǎn)廠家一起找出問題所在并進行改進;若為操作失誤，必須嚴格操作規(guī)范，避免引入人為的失誤。從而達到失效分析的目的，使器件制造和生產(chǎn)操作更上一個臺階。

5.元器件質(zhì)量信息的管理

在元器件選用、采購、監(jiān)制和驗收、篩選和復(fù)驗以及失效分析質(zhì)量保證環(huán)節(jié)中，存在大量的元器件質(zhì)量信息，例如，選用目錄外元器件的規(guī)格、型號、生產(chǎn)廠商、質(zhì)量等級以及在航天產(chǎn)品上的使用情況;國內(nèi)新品器件的研制廠家及新品器件使用情況;進口器件的質(zhì)量保證情況;元器件失效分析報告和處理情況等。

綜上所述，低氣壓會使電子元器件的性能受到很大影響，有時會導(dǎo)致直接損壞。

低氣壓環(huán)境條件對元器件的影響在正常大氣條件下是無法模擬的，必須按相關(guān)標準進行試驗。為此，一定要加強環(huán)境條件試驗的標準化工作，從設(shè)計環(huán)節(jié)就開始考慮環(huán)境變化對產(chǎn)品的影響，增強產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性，從而提高產(chǎn)品的可靠性。