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低氣壓環境下的電子元器件可靠性解析

作者:tiemuzhen日期: 2022-10-22

一╃↟╃☁│、低氣壓環境
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••·◕│,是該點以上垂直於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於海拔高度••·◕│,隨高度的增加••·◕│,大氣壓力逐漸降低••·◕│,大氣逐漸變得稀薄✘│·◕◕。高度接近於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••·◕│,必然對高海拔地區使用的電工電子產品產生影響✘│·◕◕。我國約有50%的地球表面積高於海平面1000m••·◕│,約有25%的面積高於海平面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╃↟╃☁│、低氣壓環境對電子元器件的影響

No. 01對散熱產品影響
電工電子產品中有相當一部分是散熱產品••·◕│,如電機╃↟╃☁│、變壓器等••·◕│,這些產品在使用中要消耗一部分電能••·◕│,使其變成熱能••·◕│,使產品溫度升高✘│·◕◕。散熱產品的溫升隨大氣壓的降低而增加✘│·◕◕。表1列出了小型三向非同步電動機溫升隨海拔高度的變化✘│·◕◕。

 
由表1可以看出✘╃↟╃:散熱產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係••·◕│,如圖1所示✘│·◕◕。其斜率取決於本身結構╃↟╃☁│、散熱情況╃↟╃☁│、環境溫度等因素✘│·◕◕。
 
散熱產品的熱耗散可以分成3種形式✘╃↟╃:傳導╃↟╃☁│、對流和輻射✘│·◕◕。
 
大量散熱產品的散熱主要依靠對流••·◕│,即依靠產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散熱和自然對流散熱✘│·◕◕。自然對流散熱是依靠產品發熱產生的溫度場••·◕│,造成產品周圍空氣的溫度梯度••·◕│,使空氣流動散熱✘│·◕◕。強迫通風散熱是透過強制措施••·◕│,迫使空氣流過產品••·◕│,帶走產品產生的熱量✘│·◕◕。
 
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✘│·◕◕。空氣密度降低將直接影響強迫對流散熱的效果✘│·◕◕。這是由於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扇••·◕│,是保證流過電機的體積流量不變••·◕│,當高度增加時••·◕│,由於空氣密度下降••·◕│,即使體積流量不變••·◕│,氣流的質量流量將隨之降低✘│·◕◕。
 
No. 02對電子元器件效能的影響
 
高度增加氣壓降低••·◕│,對電子元器件的效能也會產生影響✘│·◕◕。特別是以空氣作為絕緣介質的裝置••·◕│,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••·◕│,許多電器產品採用空氣作為絕介質✘│·◕◕。當這些產品用於高海拔地區作為械裝置時••·◕│,由於大氣壓力降低••·◕│,常常在電場強度較強的電極附近產生區域性放電現象✘│·◕◕。更嚴重的是有時會發生空氣間隙擊穿••·◕│,這意味著裝置的正常工作受到破壞✘│·◕◕。
 
三╃↟╃☁│、低氣壓環境下電子元器件的可靠性控制
 
#01 元器件的合理選用
根據元器件在電路中的使用特性進行設計分析併合理選用元器件••·◕│,是元器件可靠性的基礎✘│·◕◕。電子元器件的可靠性控制點應前移••·◕│,從源頭抓起••·◕│,即從設計選用╃↟╃☁│、優選廠家╃↟╃☁│、壓縮品種╃↟╃☁│、可靠性試驗╃↟╃☁│、提高質量等級抓起••·◕│,使那些用代價換來的預防措施在源頭就發揮作用••·◕│,而不能總是處於補救措施狀態✘│·◕◕。並且••·◕│,應該從元器件可靠性物理分析角度••·◕│,系統地進行失效資訊的收集與分析╃↟╃☁│、失效分析╃↟╃☁│、破壞性物理分析╃↟╃☁│、密封器件內部氣氛分析╃↟╃☁│、失效模式及機理與工藝的相關性分析╃↟╃☁│、失效模式與影響分析等元器件的質量與可靠性分析技術等••·◕│,將元器件質量與可靠性分析技術融入元器件產品設計╃↟╃☁│、製造過程••·◕│,實現元器件的可靠性增長✘│·◕◕。
 
#02 元器件的監製╃↟╃☁│、試驗和驗收
元器件的生產╃↟╃☁│、試驗和驗收••·◕│,是保證元器件質量的重要環節••·◕│,也是航天產品元器件可靠性的關鍵控制點••·◕│,其過程控制的好壞決定了元器件的固有質量✘│·◕◕。電子元器件按功能劃分••·◕│,有電子元件╃↟╃☁│、分立器件和微電路等;按採購渠道劃分••·◕│,有進口和國產元器件之分;按產品成熟性劃分••·◕│,有貨架產品和新品器件✘│·◕◕。不同元器件有不同的控制要求••·◕│,在下廠監製和驗收╃↟╃☁│、到貨檢驗時應有不同的處理方法和程式✘│·◕◕。因此••·◕│,應將元器件分門別類地進行劃分••·◕│,規定各類元器件的監製方式╃↟╃☁│、特殊試驗要求和驗收辦法••·◕│,並明確相應的程式和執行單位或部門✘│·◕◕。
 
#03 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✘│·◕◕。除用於元器件的質量鑑定外••·◕│,在航天產品中••·◕│,還用於元器件的驗收╃↟╃☁│、裝機前元器件的質量複查╃↟╃☁│、元器件超期複驗以及元器件的失效分析✘│·◕◕。在一般產品上••·◕│,DPA通常用於已裝機元器件的質量驗證✘│·◕◕。在航天產品上••·◕│,DPA必須在元器件裝機以前完成••·◕│,因此••·◕│,需明確航天產品用元器件進行DPA的時機╃↟╃☁│、DPA的試驗專案╃↟╃☁│、實施DPA的機構╃↟╃☁│、DPA的資料記錄要求和DPA結果的處理方法✘│·◕◕。
 
#04 元器件的失效分析方法
元器件失效分析的主要任務是對失效的元器件進行必要的電╃↟╃☁│、物理╃↟╃☁│、化學的檢測••·◕│,並結合元器件失效前後的具體情況及有關技術檔案進行分析••·◕│,以確定元器件的失效模式╃↟╃☁│、失效機理和造成失效的原因✘│·◕◕。透過失效分析可以發現失效元器件的固有質量問題••·◕│,也有可能發現元器件因不按規定條件使用而失效的使用質量問題••·◕│,透過向有關方面反饋••·◕│,促使責任方採取糾正措施••·◕│,提高元器件的固有質量或使用質量✘│·◕◕。
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計╃↟╃☁│、工藝和有關的理化知識••·◕│,並有一定的實踐經驗✘│·◕◕。此外••·◕│,還要具備較複雜的儀器╃↟╃☁│、裝置✘│·◕◕。在明確失效機理後••·◕│,還必須找出失效原因••·◕│,才能避免重複失效••·◕│,提高元器件的固有質量或使用質量✘│·◕◕。但根據失效機理確定失效原因••·◕│,往往涉及失效現場和責任人等具體情況••·◕│,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••·◕│,規定提交失效分析的程式和失效資訊••·◕│,以及產品研製各階段失效元器件的失效資訊記錄要求等••·◕│,然後••·◕│,根據失效分析的結論••·◕│,對引起失效的原因進行歸零處理✘│·◕◕。若為設計缺陷••·◕│,應和生產廠家一起找出問題所在並進行改進;若為操作失誤••·◕│,必須嚴格操作規範••·◕│,避免引入人為的失誤✘│·◕◕。從而達到失效分析的目的••·◕│,使器件製造和生產操作更上一個臺階✘│·◕◕。
 
#05 元器件質量資訊的管理
在元器件選用╃↟╃☁│、採購╃↟╃☁│、監製和驗收╃↟╃☁│、篩選和複驗以及失效分析質量保證環節中••·◕│,存在大量的元器件質量資訊••·◕│,例如••·◕│,選用目錄外元器件的規格╃↟╃☁│、型號╃↟╃☁│、生產廠商╃↟╃☁│、質量等級以及在航天產品上的使用情況;國內新品器件的研製廠家及新品器件使用情況;進口器件的質量保證情況;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效能受到很大影響••·◕│,有時會導致直接損壞✘│·◕◕。
低氣壓環境條件對元器件的影響在正常大氣條件下是無法模擬的••·◕│,必須按相關標準進行試驗✘│·◕◕。為此••·◕│,一定要加強環境條件試驗的標準化工作••·◕│,從設計環節就開始考慮環境變化對產品的影響••·◕│,增強產品對環境的適應性••·◕│,從而提高產品的可靠性✘│·◕◕。

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