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低氣壓環境下的電子元器件可靠性分析

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

1、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。

低氣壓環境下的電子元器件可靠性分析

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。

低氣壓環境下的電子元器件可靠性分析

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。

2、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

1、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。

2、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。

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。

4、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。

5、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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分類: 科學
時間: 2021-09-21

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