導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的主要環(huán)境應(yīng)力

本篇主要介紹導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的幾種主要環(huán)境應(yīng)力，內(nèi)容節(jié)選自《電子微組裝可靠性設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）》。

電子產(chǎn)品的工作過程中，除了電載荷的電壓、電流等電應(yīng)力外，環(huán)境應(yīng)力還包括高溫和溫循、機(jī)械振動和沖擊、潮濕和鹽霧、電磁場干擾等。在上述環(huán)境應(yīng)力的作用下，產(chǎn)品可能出現(xiàn)性能退化、參數(shù)漂移、材料腐蝕等，甚至失效。

電子產(chǎn)品制造出來后，從篩選、庫存、運(yùn)輸?shù)绞褂谩⒕S修，無不受到環(huán)境應(yīng)力的作用，致使產(chǎn)品的物理、化學(xué)、機(jī)械和電性能不斷發(fā)生變化，其變化過程可以是緩慢的，也可以是瞬變的，這完全取決于環(huán)境應(yīng)力的種類和應(yīng)力的大小。

一、 溫度應(yīng)力

在任何環(huán)境下電子產(chǎn)品都會承受溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力的大小取決于所處的環(huán)境類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，溫度應(yīng)力包括穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力和變化溫度應(yīng)力。

穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在某一溫度環(huán)境下工作或貯存時自身的響應(yīng)溫度。當(dāng)響應(yīng)溫度超過產(chǎn)品所能承受的極限時，組件產(chǎn)品將無法工作在規(guī)定的電參數(shù)范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致產(chǎn)品材料軟化變形或絕緣性能下降，甚至過熱燒毀，對產(chǎn)品而言此時承受的是高溫過應(yīng)力，高溫過應(yīng)力在很短的作用時間內(nèi)就能導(dǎo)致產(chǎn)品失效；當(dāng)響應(yīng)溫度未超過產(chǎn)品規(guī)定的工作溫度范圍時，穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力的作用則表現(xiàn)在長時間作用的效應(yīng)上，溫度的長時間作用使產(chǎn)品材料逐漸老化、電性能參數(shù)漂移或超差，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效，對產(chǎn)品而言此時承受的溫度應(yīng)力是長期溫度應(yīng)力。電子產(chǎn)品承受的穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力來自產(chǎn)品所處的環(huán)境溫度載荷和自身功耗產(chǎn)生的熱量，例如，由于散熱系統(tǒng)故障、裝備高溫?zé)崃餍孤?dǎo)致部件溫度超出允許溫度的上限，部件承受的是高溫過應(yīng)力；在貯存環(huán)境溫度長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，產(chǎn)品承受的是長期溫度應(yīng)力。可以通過步進(jìn)高溫烘烤試驗(yàn)確定電子產(chǎn)品的耐高溫極限能力，通過穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)（高溫加速）評價(jià)電子產(chǎn)品在長期溫度下工作的壽命。

變化溫度應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品處于變化溫度狀態(tài)時，由于產(chǎn)品各功能材料的熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致材料界面承受因溫度變化所產(chǎn)生的一種熱應(yīng)力。當(dāng)溫度變化劇烈時，可能使產(chǎn)品在材料界面發(fā)生瞬間爆裂而失效，此時產(chǎn)品承受的是溫變過應(yīng)力或稱溫度沖擊應(yīng)力；當(dāng)溫度變化較為緩慢時，變化溫度應(yīng)力的作用表現(xiàn)為長時間的作用效應(yīng)，材料界面不斷承受溫變下產(chǎn)生的熱應(yīng)力，局部微區(qū)可能出現(xiàn)微裂損傷，這種損傷逐漸積累，最終導(dǎo)致產(chǎn)品材料界面開裂或破損失效，此時產(chǎn)品承受的是長期溫變應(yīng)力或稱溫度循環(huán)應(yīng)力。電子產(chǎn)品承受的變化溫度應(yīng)力來自產(chǎn)品所處環(huán)境的溫度變化和自身的開關(guān)工作狀態(tài)。例如，在從溫暖的室內(nèi)搬到寒冷的室外、在強(qiáng)烈的太陽輻射下、突然降雨或浸到水中、飛機(jī)從地面到高空的快速溫度變化、寒帶環(huán)境的間斷工作、太空中朝陽和背陽的變化、微電路模塊的再流焊和返工等情況下，產(chǎn)品承受的是溫度沖擊應(yīng)力；在自然氣候溫度的周期變化、間斷工作狀態(tài)、設(shè)備系統(tǒng)本身的工作溫度變化、通信設(shè)備通話量變化導(dǎo)致設(shè)備功耗波動的情況下，產(chǎn)品承受的是溫度循環(huán)應(yīng)力?？梢酝ㄟ^熱沖擊試驗(yàn)評價(jià)電子產(chǎn)品在遭受溫度巨變時的抵抗能力，通過溫度循環(huán)試驗(yàn)評價(jià)電子產(chǎn)品在高低溫交替變化條件下長時間工作的適應(yīng)能力。

二、 機(jī)械應(yīng)力

電子產(chǎn)品承受的機(jī)械應(yīng)力包括機(jī)械振動、機(jī)械沖擊、恒定加速度（離心力）三種應(yīng)力。

機(jī)械振動應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在環(huán)境外力的作用下圍繞某一平衡位置進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的一種機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械振動按其產(chǎn)生的原因分類有自由振動、強(qiáng)迫振動、自激振動；按機(jī)械振動的運(yùn)動規(guī)律分類有正弦振動、隨機(jī)振動，這兩種振動形式對產(chǎn)品產(chǎn)生的破壞力不同，后者破壞力度更大，因此振動試驗(yàn)考核大部分采用隨機(jī)振動試驗(yàn)。機(jī)械振動對電子產(chǎn)品的影響包括由振動引起產(chǎn)品的變形、彎曲、裂紋、斷裂等，長期處于振動應(yīng)力作用下的電子產(chǎn)品，將使結(jié)構(gòu)界面材料因疲勞而出現(xiàn)開裂，發(fā)生機(jī)械疲勞失效；若發(fā)生共振則導(dǎo)致過應(yīng)力開裂失效，使電子產(chǎn)品發(fā)生瞬間結(jié)構(gòu)破壞。電子產(chǎn)品承受的機(jī)械振動應(yīng)力來自工作環(huán)境的機(jī)械載荷，例如，飛機(jī)、車輛、船舶、空中飛行器和地面機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、脈動、振蕩等環(huán)境機(jī)械載荷，特別是在產(chǎn)品非工作狀態(tài)下的運(yùn)輸中和作為車載或機(jī)載部件在工作狀態(tài)下的運(yùn)行中都難免承受機(jī)械振動應(yīng)力。可以通過機(jī)械振動試驗(yàn)（特別是隨機(jī)振動試驗(yàn)）評價(jià)電子產(chǎn)品在工作過程中受到重復(fù)性機(jī)械振動的適應(yīng)能力。

機(jī)械沖擊應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在環(huán)境外力的作用下與另一物體（或構(gòu)件）發(fā)生單次相互直接作用，導(dǎo)致產(chǎn)品在瞬間發(fā)生力、位移、速度或加速度的突然變化所產(chǎn)生的一種機(jī)械應(yīng)力，在機(jī)械沖擊應(yīng)力的作用下，產(chǎn)品能在極短的時間內(nèi)釋放轉(zhuǎn)移相當(dāng)大的能量，使產(chǎn)品遭受嚴(yán)重破壞，如導(dǎo)致電子產(chǎn)品誤動作、瞬間開路/短路以及組裝封裝結(jié)構(gòu)的開裂、斷裂等。與振動的長時間作用所帶來的累積損傷不同，機(jī)械沖擊對產(chǎn)品的破壞表現(xiàn)為能量的集中釋放，所以機(jī)械沖擊試驗(yàn)量級較大、沖擊脈沖持續(xù)時間較短，造成產(chǎn)品破壞的峰值即主脈沖的持續(xù)時間只有數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒，主脈沖之后的振動衰減很快。這種機(jī)械沖擊應(yīng)力的大小由峰值加速度和沖擊脈沖持續(xù)時間共同決定，峰值加速度的大小反映了施加給產(chǎn)品的沖擊力的大小，而沖擊脈沖持續(xù)時間的長短對產(chǎn)品的影響則與產(chǎn)品的固有頻率有關(guān)。電子產(chǎn)品承受的機(jī)械沖擊應(yīng)力來自電子設(shè)備和裝備機(jī)械狀態(tài)的劇烈變化，例如，車輛緊急制動和撞擊、飛機(jī)的空投和墜落、炮火的發(fā)射、化學(xué)能爆炸和核爆、導(dǎo)彈爆炸等帶來的強(qiáng)烈機(jī)械沖擊力，由于裝卸、運(yùn)輸或現(xiàn)場工作而造成的突然受力或突然移動也會使產(chǎn)品承受機(jī)械沖擊力?？梢酝ㄟ^機(jī)械沖擊試驗(yàn)評價(jià)電子產(chǎn)品（如電路結(jié)構(gòu)）在使用和運(yùn)輸中受到非重復(fù)性機(jī)械沖擊的適應(yīng)能力。

恒定加速度（離心力）應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在運(yùn)動的載體上工作時由于載體運(yùn)動方向連續(xù)變化而產(chǎn)生的一種離心作用力。離心力是一種虛擬的慣性力，它使旋轉(zhuǎn)的物體始終保持著遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的趨勢，離心力與向心力大小相等、方向相反，一旦由合外力形成并指向圓心的向心力消失，旋轉(zhuǎn)物體將不再旋轉(zhuǎn)而是沿此刻旋轉(zhuǎn)軌跡的切線方向飛出，對產(chǎn)品而言此刻便發(fā)生了破壞。離心力的大小與運(yùn)動物體的質(zhì)量、運(yùn)動速度和加速度（旋轉(zhuǎn)半徑）有關(guān)，對于焊接不牢固的電子元器件，在離心力的作用下會發(fā)生因焊點(diǎn)脫開而導(dǎo)致的元器件飛離現(xiàn)象，使產(chǎn)品失效。電子產(chǎn)品承受的離心力來自電子設(shè)備和裝備在運(yùn)動方向上連續(xù)變化的運(yùn)行狀態(tài)，例如，運(yùn)行的車輛、飛機(jī)、火箭以及導(dǎo)彈變向等，使得電子設(shè)備及內(nèi)部元器件要承受重力以外的離心力作用，其作用時間從幾秒到幾分鐘不等，以火箭、導(dǎo)彈為例，一旦變向完成則離心力消失，再次變向離心力又再次作用，可能形成長期不斷作用的離心力?？梢酝ㄟ^恒定加速度試驗(yàn)（離心試驗(yàn)）評價(jià)電子產(chǎn)品特別是大體積表貼元件焊接結(jié)構(gòu)的牢固性。

三、潮濕應(yīng)力

潮濕應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在一定濕度的大氣環(huán)境中工作時所承受的潮濕應(yīng)力。電子產(chǎn)品對濕度非常敏感，一旦環(huán)境的相對濕度超過30%RH，產(chǎn)品金屬材料就有可能受到腐蝕，電性能參數(shù)可能漂移或超差。例如，在長期高濕條件下，絕緣材料吸潮后絕緣性能下降，造成短路或高壓電擊；對于接觸性電子元件，如插頭、插座等，其表面附著水分的情況下容易發(fā)生腐蝕，生成氧化膜，使得接觸性器件電阻增大，嚴(yán)重時將造成電路不通；嚴(yán)重潮濕環(huán)境下，霧氣或水汽會使繼電器觸點(diǎn)動作時出現(xiàn)火花，無法再動作；半導(dǎo)體芯片對水汽更為敏感，一旦芯片表面水汽超標(biāo)，其布線Al的腐蝕會變得極為迅速；為避免電子元器件被水汽腐蝕，采取包封或氣密封裝技術(shù)使元器件與外界大氣和污染隔離。電子產(chǎn)品承受的潮濕應(yīng)力來自電子設(shè)備和裝備工作環(huán)境中附著材料表面的水汽和滲入元器件內(nèi)部的水汽，潮濕應(yīng)力的大小與環(huán)境濕度的高低有關(guān)。我國東南沿海地區(qū)是濕度較高的地區(qū)，特別是春夏季節(jié)，相對濕度最高達(dá)到90%RH以上，潮濕影響是一個不可回避的問題?？梢酝ㄟ^穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)、耐濕試驗(yàn)評價(jià)電子產(chǎn)品在高濕條件下使用或貯存的適應(yīng)性。

四、鹽霧應(yīng)力

鹽霧應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在由含鹽微小液滴構(gòu)成的大氣彌散環(huán)境中工作時材料表面所承受的鹽霧應(yīng)力。鹽霧一般來自海洋氣候環(huán)境、內(nèi)地鹽湖氣候環(huán)境，其主要成分為NaCl和水汽，Na+和Cl-離子的存在是導(dǎo)致金屬材料被腐蝕的根本原因。當(dāng)鹽霧附著在絕緣體表面時，將使其表面電阻降低，而絕緣體吸收鹽溶液后，它的體電阻將降低4個數(shù)量級；鹽霧附著在運(yùn)動的機(jī)械部件表面時，由于腐蝕物的產(chǎn)生增大了摩擦系數(shù)甚至?xí)霈F(xiàn)運(yùn)動部件被卡死的狀況；盡管采取了包封和氣密封裝技術(shù)以避免半導(dǎo)體芯片的腐蝕，但電子器件的外引腳不可避免經(jīng)常因鹽霧銹蝕而失去作用；印制電路板（PCB）的腐蝕物可以把相鄰的布線短路。電子產(chǎn)品承受的鹽霧應(yīng)力來自大氣環(huán)境中的含鹽霧氣，在沿海地區(qū)或船舶、艦艇上，大氣中含有很多鹽分，這對電子元器件的封裝帶來嚴(yán)重影響?？梢酝ㄟ^鹽霧試驗(yàn)加速腐蝕的方式評價(jià)電子封裝耐鹽霧的適應(yīng)性。

五、電磁應(yīng)力

電磁應(yīng)力，是指電子產(chǎn)品在電場和磁場交互變化的電磁場中所承受的電磁應(yīng)力。電磁場包含電場與磁場兩個方面，其特性分別用電場強(qiáng)度E（或電位移D）和磁通密度B（或磁場強(qiáng)度H）表示。在電磁場中，電場和磁場密切相關(guān)，時變的電場會引起磁場，時變的磁場會引起電場，電場與磁場相互激勵導(dǎo)致電磁場的運(yùn)動而形成電磁波。電磁波能夠在真空或物質(zhì)中自傳播，電場和磁場同相振蕩且相互垂直在空間以波的形式移動，移動中的電場、磁場、傳播方向三者相互垂直，在真空中電磁波的傳播速率為光速（3×10 ^8m/s）。通常電磁干擾關(guān)注的電磁波是無線電波和微波，電磁波頻率越高電磁輻射能力越大。對電子組件產(chǎn)品而言，電磁場的電磁干擾（EMI）是影響組件電磁兼容性（EMC）的主要因素，這種電磁干擾源來自電子組件內(nèi)部元器件之間的相互干擾和外部電子設(shè)備的干擾，對電子組件的性能和功能可能造成嚴(yán)重影響。例如，DC/DC電源模塊內(nèi)部磁性元件若對電子器件產(chǎn)生電磁干擾，將直接影響輸出紋波電壓參數(shù)；射頻輻射對電子產(chǎn)品的影響會通過產(chǎn)品外殼直接進(jìn)入內(nèi)部電路，或被接口線端轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)騷擾，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部?？梢酝ㄟ^電磁兼容性試驗(yàn)和電磁場近場掃描檢測評價(jià)電子組件的抗電磁干擾能力。