摘要：主要描述了温度、湿度、振动这3种主要的环境应力单独施加在产品上所引发失效的主要类型并分析了原因，同时还分析了这3种应力综合施加在产品上所产生的失效加速效果，探讨了温、湿、振三综合试验技术在工程试验上，尤其是在产品可靠性试验上的应用。
三综合试验箱示意图
1、前言
环境试验大致分为“机械环境试验”、“气候环境试验”、“综合环境试验”三类，如图1所示。
图1 环境试验的分类
环境应力可引起产品失效，国外某知名电子装备公司技术资料明确地表明了环境应力与失效的关系及其相关比例，在各种应力的影响中，温度、湿度、振动环境应力引发的失效占所有环境应力的88%。
所以本文主要分析温度、湿度、振动这3种主要的环境应力单独和综合施加时，其对产品失效的影响，并探讨温、湿、振三综合试验技术的应用情况。
2、温度、湿度、振动应力与失效的关系
2.1温度应力与失效的关系
资料表明：温度应力是引起产品失效的最主要的因素，如表1所示。
表1 温度应力是引发失效的主要类型
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失效 |
环境应力条件 |
敏感元件和材料 |
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分类 |
细分类 |
原因 |
失效模式 |
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高温 |
高温老化 |
老化 |
抗拉强度老化绝缘老化 |
温度+时间 |
塑料、树脂 |
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化学变化 |
热分解 |
温度 |
塑料、树脂 |
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软化、熔化、气化、升华 |
扭曲 |
温度 |
金属、塑料、热保险丝 |
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高温氧化 |
出现氧化层 |
温度+时间 |
连接点材料 |
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热扩散 |
引线断裂 |
温度+时间 |
异金属连接部件 |
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热积聚 |
剩余的热燃效 |
燃烧 |
加热+烘干+时间 |
带有维尼纶和聚氨酯油漆的木质材料 |
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迁移 |
电迁移 |
断开引线断裂 |
温度+电流 |
钨、铜、铝 |
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蔓延 |
金属、塑料 |
疲劳、损坏 |
温度+应力+时间 |
弹簧、结构元件 |
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低温 |
低温易脆 |
金属 |
损坏 |
低温 |
锌、钛、镁及其合金 |
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塑料 |
损坏 |
低温 |
低弹性的非晶体 |
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温度循环或温度冲击 |
膨胀、收缩 |
不同的材料其膨胀系数也不同 |
剥离、开裂 |
温度+次数 |
油漆涂覆层 |
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机械系的变位 |
电气性能变化 |
可调电阻、电位器 |
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不同的材料其膨胀系数也不同 |
密封件开裂变形 |
密封型容器/器件 |
2.2湿度应力与失效的关系
潮湿也是引起产品失效的主要环境应力之一。产品处在潮湿的环境中，材料吸附了水汽会引起膨胀、强度降低、性能变化，绝缘材料还会引起电气性能下降等，如表2所示。
表2 湿度应力引发失效的主要类型
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失效 |
环境应力条件 |
敏感元件和材料 |
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分类 |
原因 |
失效模式 |
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水汽吸收或吸收 |
扩散 |
膨胀 |
湿度 |
使用低结晶度树脂材料封装、覆盖或者构造元件 |
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微细爆裂 |
绝缘性能变差 |
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潮解 |
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腐蚀 |
电解腐蚀 |
阻抗增加开路 |
湿度+直流电场 |
电阻、集成电路 |
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裂缝腐蚀 |
焊点开裂 |
湿度 |
焊点 |
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应力腐蚀 |
颜色变化 |
湿度 |
合金 |
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迁移 |
离子迁移 |
短路 |
湿度+直流电场 |
铜、铅、锡、锌 |
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绝缘性能变差 |
湿度+直流电场+卤素离子 |
与卤素共存时发生迁移的金属如：金、铂 |
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霉菌 |
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绝缘性能变差分解腐蚀 |
湿度+温度 |
塑料/橡胶材料 |
2.3振动应力与失效的关系
振动应力(振动、冲击、碰撞、恒加速等)对产品的影响也是造成产品失效的主要因素之一，如表3所示。
表3 振动应力引发失效的主要类型
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失效 |
环境应力条件 |
敏感元件和材料 |
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分类 |
原因 |
失效模式 |
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共振 |
产生位移 |
松动、分离 |
振动+冲击 |
材料连接处 |
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接触不良 |
焊点 |
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磨损 |
振动 |
材料连接处 |
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共振、耐久性振动 |
强度 |
疲劳、变形、弯曲 |
振动+冲击 |
金属结构件 |
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开裂断裂 |
金属结构件、塑料结构件、电缆与电线 |
3、温度、湿度、振动三种应力综合施加与产品失效的关系
将单独的环境应力施加在产品上可激发出产品的故障，那么将3种不同的环境应力施加在产品上则可轻易地得到3-5倍的加速效果。同时，通过将不同的环境应力综合还能激发出单独应力施加时所不能出现的故障。
假设X、Y、Z是施加了应力因子A、B、C时产生的故障模式，在2种应力因子综合情况下出现了X、Y、Z、XY、YZ、XZ模式。那么，在3种应力因子综合情况下，将会出现新的XYZ模式，同时X、Y、Z各个模式也被加速。而且，应力因子A、B、C综合施加的环境比应力因子单独施加的环境也接近产品使用环境。所以，通过综合环境试验更能取得较好的效果。
在进行温度、湿度、振动3种应力同时施加的综合试验时，从故障发生的机理来说，进行温度循环的产品内部由于材料热膨胀系数的差异发生伸缩，在结合部位发生松动，这时如果施加湿度，潮气就会从缝隙间侵入，使结合部和连接处的摩擦系数降低。再施加振动应力，相对于特定的频率，产品的共振现象还会发生。像这样通过运动、吸湿、冻结、共振的反复过程，使新的失效模式(由大幅度加速的单独因子失效模式和3种因子综合的相叠加效果引起的)的出现成为可能。
具体的机理如图2所示：
图2 应力综合施加引发失效的机理
4、温、湿、振三综合试验技术的应用
由于温、湿、振三综合试验是非常接近产品使用环境的试验，而且又能非常有效地激发出产品的故障。所以近年来这种试验技术被广泛地应用在工程中。
在海军水面舰船外部安装的设备可靠性鉴定试验中，这3种应力就被综合地施加在被试产品上。试验剖面如图3、4所示。
图3 水面舰船外部安装的设备试验剖面（冷循环）
图4 水面舰船外部安装的设备试验剖面（热循环）
该试验施加的应力是：
（a）振动应力：在随机抽取25 %的工作循环时间施加振动应力，每24 h随机抽取6h，并以3h为一个振动循环。
（b）温度、湿度应力
(1)从22℃和25%的相对湿度开始，将温度尽快降到-50℃，保持1.75h后升至-32℃；
(2)在3.25h内降温到-34.5℃；
(3)在13h内升温到-28℃；
(4)在5h内升温到22℃；
(5)使温度保持在22℃，将相对湿度调到25%～75%；
(6)在2h内升温到25℃，相对湿度升到95%；
(7)在10h内升温到29℃，相对湿度保持在95%；
(8)在5h内降温到25℃，相对湿度保持在9%；
(9)在2h内降温到22℃，相对湿度降到2%～75%；
(10)在2h内升温到25℃，相对湿度调到65%；
(11)在12h内升温到48℃，相对湿度降到25%；
(12)将温度升到60℃，相对湿度升到95%，保持2h后降温至48℃；
(13)在6h内降温至22℃，相对湿度降到25%-75%。
以上是被广泛应用在海军水面舰船外部安装的设备可靠性鉴定试验剖面和试验条件，温度、湿度、振动这3种环境应力被综合地运用在这个试验中，效果很好。
5、结束语
通过分析，可以看出温、湿、振三综合试验是非常接近产品使用环境的试验，而且又是能有效地激发出产品的故障的试验方法。根据产品任务剖面制定出综合环境应力试验方案并付诸实施，是提高产品可靠性的非常重要的手段。
