3.3 环境适应性

3.3.1 环境适应性定义

GJB 4239《装备环境工程通用要求》中明确规定^[13]，环境适应性是指装备在其寿命期可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能且不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一。上述定义中的环境是指寿命期中遇到的具有一定风险性的极端环境，并认为能适用于极端环境的装备，一定也能适应相对良好的环境；功能是指装备实现规定的动作或行为的能力。产品具备一定功能并不能说明达到规定的技术指标，还必须要求其性能满足指标要求，只有功能和性能同时满足要求，才能说明产品在预定环境中能正常工作，这是环境适应性的一个标志；另一个标志是产品在预定环境中不被破坏的能力^[14]。

3.3.2 环境条件对电子产品的影响

任何产品都处于一定的环境之中，在一定的环境条件下使用、运输和贮存。因此任何产品都逃脱不了环境的影响，在恶劣环境条件下工作的产品更是如此。影响电子产品性能和可靠性的环境条件主要有自然环境因素和诱导环境因素两大类，自然环境因素包括温度、湿度、降水、太阳辐射、大气压力、风力、霉菌、盐雾等，诱导环境因素主要包括机械因素（如振动、冲击）、大气污染、电磁环境、静电环境等。

各种环境条件对电子产品性能和可靠性的影响存在着表现、程度上的诸多差异。从轻重程度上分，在各种环境条件的影响下，轻微的情况是导致电子产品性能退化、参数漂移等，严重的会导致产品材料、结构的腐蚀、降解等，给产品的可靠性埋下安全隐患，更甚者将直接导致电击、着火、坠毁等事故，严重危害用户的人身和财产安全。

高温环境会导致电子产品发生参数漂移，材料软化、变形等，进一步可能使爬电距离、电气间隙变小，引发电击穿危险等。

低温会使聚合材料变硬、变脆，机械强度降低，绝缘损坏，从而导致安全性能降低。橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其机械性能呈下降趋势，以丁苯天然橡胶电缆护套为例，在-30℃的低温条件下易折裂^[15]。

大气压力的大小主要取决于海拔高度，气压随着海拔高度的增加而逐渐降低。当海拔高度接近5500m时，大气压力降低到约标准气压的一半。一般而言，低气压对散热电子产品、密封电子产品等的影响较大。对于散热电子产品，需要通过对流、传导和辐射三种方式散热，而对流散热又是其中主要的散热方式，但在低气压条件下，空气密度下降，质量减小，空气吸收带走的热量也将减少，即对流散热减少，因此产品温度将随大气压力的降低而升高。对于密封器件，内部气压通常与生产地的大气压力平衡，当产品在高原或高空等低气压环境下使用时，由于气压差的作用，产品将产生一个指向外壳的压力，该压力可以使外壳变形、密封性能破坏，从而导致水汽等进入密封腔内，使产品因腐蚀等而失效^[16]。

湿气条件会导致电子产品材料的强度、硬度、弹性等物理特性发生变化，特别是在高温、高湿条件的综合作用下，会加速金属材料的腐蚀，改变材料介电特性和绝缘性能等。

此外，电子产品受太阳辐射环境的影响也非常普遍，而且太阳辐射还会引起设备自身的升温发热，从而使设备受到高温和辐射的双重影响。如太阳辐射环境中的红外线的热效应会引起设备发热而导致材料变形、老化、自燃等，太阳辐射环境中的紫外线会造成合成橡胶、聚合物等高分子材料的老化、脆化等，从而导致其强度降低，进一步影响产品的机械强度和阻燃等级等。

振动、冲击等力学环境条件一方面会改变电子产品各元器件、部件之间的相对关系，使产品结合的牢固性降低；另一方面，会造成产品内部结构、引线等松动和焊点、接插口脱落，从而引发电气间隙变小、电路开路、传输信号不稳定等潜在危险，在遭受跌落、碰撞后，甚至可能引起产品的直接机械损坏。

盐雾环境主要是由于海水扰动、风浪吹袭等将海水中夹杂的盐分随气流送入大气中而造成的，当盐雾接触到电子产品时，容易在产品表面附着并发生反应。一般而言，盐雾会在产品金属表面发生电化学反应，造成金属腐蚀的加速，使接触电阻增大，影响承载故障电流的金属导体的导电性能。

随着航天事业的迅猛发展，近年来，空间环境中存在的辐照、高能重离子、质子、中子等对航天电子产品飞行安全的影响越来越受到关注。波音和IBM公司的飞行试验表明，大气环境中的中子可以导致航空电子器件发生单粒子效应^[17]。核爆炸也会构成非常恶劣的核辐射环境，核爆炸时中子辐射会造成半导体器件的永久损伤，瞬态γ射线、X射线也会导致电子系统工作状态受到严重干扰^[18]。空间环境中的单粒子效应指的是具有一定能量的单个粒子，如重离子、质子或中子，在半导体器件或集成电路中产生的效应，包括单粒子翻转、多位翻转、单粒子锁定、单粒子硬错误、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子瞬态脉冲等^[19]。

对电子产品性能和可靠性产生影响的还包括生物环境、酸雨环境等其他环境条件。生物环境包括霉菌、鼠类危害等；酸雨的形成是由于大气中排放的二氧化硫和氧化氮等酸性气体所致，我国的酸雨主要来源于燃烧煤中的二氧化硫排放，主要为硫酸型酸雨。霉菌等生物环境和酸雨环境等对产品的影响主要表现在加速产品的腐蚀，导致机械强度降低等方面，而鼠类啃咬等容易导致产品绝缘性破坏或电路开路失效等^[20]。

3.3.3 环境适应性要求

产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计，因此要研制出一个环境适应性好的产品，首先要抓的是环境适应性设计，设计奠定了产品的固有环境适应性。环境适应性设计主要是针对产品采取各种防护措施，如防热、防机械振动、防电磁干扰及防化学腐蚀等。国军标、国标（如GB 2423）、IEC、JEDEC等标准对电子产品典型的温度、湿度、盐雾、气压等环境适应性试验方法和要求均做了规定，各类具体的元器件产品，均可参考或引用相关标准，对其相应的环境适应性试验条件和接收判据进行进一步的详细规定^[21]。

1．温度环境适应性要求

电子产品在工作时，通常要承受不同的温度环境，在各种温度环境（特别是温变环境）中，由于电子产品不同材料间热膨胀系数的差别，能够在关键机械结构要素中产生很高的应力和应变，因此，有必要通过温度环境适应性试验测试其承受极端高温、极端低温及高温/低温交替变化环境的能力。如标准GJB 2438B，以附录的形式引用了标准GJB 548B，对混合集成电路的温度环境适应性考核要求进行了规定，GJB 548给出的温度循环试验极值条件，见表3-5。GJB 2438B中还规定了从热到冷或从冷到热的总转换时间不超过1分钟，极值温度停留时间不少于10分钟，且要求样品应在规定条件下完成不少于10次的温度循环试验。最后一次循环完成后，对样品进行检查，如果终点测量或检查不合格，包括出现电参数、外壳、引线、焊点的缺陷或损坏、标志模糊等，均可视为失效。

对于电子组件，JESD22-A104标准给出了高低温环境条件下的温度环境适应性考核要求，目前，电子组件的温度环境适应性主要参考该标准^[22]。JESD22-A104给出的温度循环试验极值条件见表3-6。在具体选择试验条件时，要注意以下4点：

① 最高极值温度的选择不能超过材料的玻璃化转变温度，否则可能导致失效机理的改变；

② 过高的极值温度会因热膨胀系数的差异而导致诸如PCB镀覆通孔拉断之类的异常失效，对于Sn/Pb焊点推荐最高极值温度不超过125℃；

③ 试验过程中的高/低温保持时间、循环速率的选择等应该与计划激发的失效机理相对应，标准给出了1min、5min、10min和15min共4种高低温保持时间；

④ 温变速率需要根据被试产品的热质量确定，比如电子组件，由于具有较大的热质量和较低的热传输效率，过大的温变速率会导致较大的瞬时热梯度和热失配，因此温变速率应该确定在15℃/min或以下，推荐的温变速率为10～14℃/min。对于无明显热质量约束的被试产品，如元件类产品，温变速率可以选择得更高，并且可采用两箱法选择。

2．振动环境适应性要求

电子产品在安装、运输、转场和使用过程中通常会遭受各类振动环境条件。通常认为，振动是一种“不希望”的环境，只能通过振动可靠性试验评价其对电子产品性能及可靠性的影响，并通过加固设计的方法减小其影响。振动能使电子产品结构松动、参数漂移、工作不稳定、内部部件发生相对运动等，振动还会使电子产品产生噪声、磨损、物理失效、结构疲劳、脱焊、接触不良等各类功能性缺陷。一般在通用元器件、模块、组件等电子产品的产品手册中都会给出产品各个等级所能承受的环境适应性能力^[23]。此外，国标和IEC标准中给出了商用电子产品抗振等级，国军标和美军标给出了军用电子产品抗振等级。

电子产品因使用环境的不同，受到的振动频谱范围将有极大的差异，如汽车和卡车电子设备在10～15km/h的速度下振动频率在15～40Hz之间，舰船和潜艇的频率在1～50Hz范围内变化，直升机的振动频率在3～500Hz范围内变化，而导弹家族的频率通常可达到5000Hz。因此，电子产品的振动环境适应性条件考核应视产品类型及使用环境而定^[24]。

GJB 360A—96给出了通用电子及电气元件抗正弦振动能力等级要求，见表3-7。

EIA/ECA-364-28标准详细规定了电连接器件振动可靠性评价的具体要求、方法和量值等级，包括正弦振动和随机振动试验，常被引用作为各类电子元器件和电子组件振动可靠性评价的依据。EIA-364-28给出了随机振动具体试验要求，规定了三种测试谱图，每种谱图又包含至少7种功率谱密度等级条件，其最新版本为EIA-364-28E^[25]。EIA-364-28E给出的正弦振动量值等级见表3-8。

电子产品实际承受的振动环境通常为随机振动，因此，随机振动试验是模拟实际环境的较真实的试验。GJB 360A—96给出了两组电子元件进行随机振动环境适应性试验的谱图和等级。电子及电气元件随机振动环境适应性条件见表3-9。规定的试验时间分别为3min，15min，0.5～1h或8h。此外，GJB 548B给出了微电子器件随机振动环境适应性要求和谱型，对于电子组件和连接器等，具体试验条件和GJB 360A中规定的基本一致。

3．冲击环境适应性要求

除了振动环境，电子产品在装卸、运输、现场操作或意外事故中还会因突然受力或运动状态发生突然变化而产生机械冲击载荷，这种类型的冲击可能破坏正常的工作特性或引起类似于因振动太强而造成的损坏，若冲击脉冲是重复性的，则损坏更严重。为了考核电子产品在该类非重复性机械冲击环境中的适应能力，各标准针对不同类别的产品，给出了冲击环境适应性要求。

GJB 360A—96给出了针对电子元件的抗冲击试验条件及等级，规定了冲击脉冲波形及其试验条件等级、容差等。试验通常要求对试验样品的三个互相垂直轴的6个方向各施加3次冲击，共18次。试验后，如出现外观、引线、封接处等的机械损伤或者最终电性能检测不合格，均视为失效。电子及电气元件抗冲击试验条件见表3-10。

GJB 548B对微电子器件的抗冲击试验条件和等级进行了规定。具体的试验条件与GJB 360A中的有所不同，该方法要求冲击脉冲应是半正弦波，同时要求器件在3个互相垂直轴的6个方向各承受5次脉冲冲击，具体试验条件从峰值加速度和脉冲宽度两方面给出。微电子器件抗冲击试验条件见表3-11，该方法同时要求，除非另有规定，应采用试验条件B。

对于电子组件，通常参照EIA-364-27B^[26]进行抗冲击环境适应性试验，该方法也适用于民用元器件类电子产品的抗冲击试验，它从加速度峰值、脉冲时间、波形和速度变化等方面给出了具体规定。电子组件抗冲击试验条件见表3-12。

JESD22-B104C标准针对不同的电子产品，给出了不同应力等级的机械冲击试验条件，主要适应于带空腔的电子元器件。试验前该类元器件需要进行良好安装，要求被试器件至少能在规定的冲击条件下在每个正交坐标轴向承受至少5次冲击（总计不少于30次）。标准给出的各质量等级机械冲击试验条件见表3-13。

4．湿度环境适应性要求

大多数炎热条件下的产品退化现象是直接或间接地由存在缺陷的绝缘材料吸附水蒸气和水膜，以及金属和绝缘材料表面变湿而引起的，这种现象会产生多种类型的退化，包括金属腐蚀、电参数改变、材料退化等。因此，为了考察电子器件的耐湿环境适应性，判断哪些器件不适合在热带条件下使用，GJB 548B规定采用将温度循环和高湿条件结合的试验方法来加速评估电子元器件及其所用材料在炎热和高湿条件下抗退化效应的能力。一般而言，在高温条件下，潮气的影响会更加明显，因此，将温度循环和高湿条件结合能够提高试验效果。

试验时，样品应在温度和湿度交变的环境下进行10次连续循环试验，一次循环试验时间为24h，湿度环境为80%RH～100%RH。在耐湿试验期间，为了提高试验效果，可按规定对样品施加偏压，选用的偏置条件应利用尽可能多的引出端，使芯片的金属化线条之间或外引出端之间的电位差达到最大。试验结束后，器件在室温环境条件下放置24h，对其进行测试检查，测试器件出现以下情况应视为失效。

（1）在1～3倍放大的情况下，所规定的标志全部或部分脱落、褪色、弄脏、模糊或达到不可辨认的程度。

（2）当放大10～20倍观察时，任何封装零件（如封盖、引线或盖帽）的镀涂或底金属被腐蚀的面积超过5%，或封装零件被腐蚀透。

（3）引线脱落、折断或局部分离。

（4）因腐蚀而导致引线之间或引线与金属外壳之间搭接在一起。

（5）终点电测试或绝缘电阻测试不合格。

JESD22-A101给出了非气密性封装器件的温湿度环境适应性评价条件和要求。其给出的温度环境条件为（85±2）℃，湿度条件为85%±5%RH，试验时间一般为168h、500h或者1000h。电子组件互连焊点的温湿度环境适应性考核一般还需要加上偏压条件。

5．耐盐雾腐蚀环境适应性要求

盐雾试验可以用来评定金属或非金属防护层的质量和均匀性。如果现场使用与实验室盐雾试验的累积数据表明两者（质量和均匀性）间存在相关关系（如铝合金），则盐雾试验可以为某些试验样品在海上及沿海地区的使用性能提供有用的数据。

为了模拟海边空气对电子器件的影响，GJB 548B给出了电子器件耐盐雾腐蚀的环境适应性试验方法，耐盐雾试验通常在盐雾试验箱内进行，GJB 2438B引用GJB 548B的试验方法，并针对K级、H级混合集成电路外壳给出了抽样检验的判定要求。在进行耐盐雾试验时，规定盐溶液应为0.5%～3.0%（质量百分比）浓度的去离子水或蒸馏水溶液，所用的盐应为氯化钠盐，其中的碘化钠的质量百分比不得多于0.1%，且总杂质的质量百分比不得多于0.3%。在（35±3）℃下测量时，盐溶液的pH值应在6.5～7.2之间。盐雾试验箱内的温度保持在（35±3）℃，盐雾的浓度和速度应调节到使盐在试验区域内的沉积速率在（20～50）g/（m²·d）范围内。试验时间应根据产品特点在24h、48h、96h和240h内选择试验的最短时间，若无其他特殊规定，应采用24h的最短试验时间。

试验结束后，立即用自由流动的去离子水（水温不超过38℃）至少冲洗5分钟，以除去样品表面沉淀的盐，然后在10～20倍放大情况下进行检查。

对于表面带有镀涂的产品，出现以下情况则不能接收。

（1）腐蚀缺陷面积超过除引线外的任何封装零件（例如盖板、管帽或外壳）镀涂或底金属面积的5%。

（2）引线缺损、断裂或部分分离。

（3）规定标志的一部分脱落、褪色、弄脏、模糊或不可辨认。

对于封装元件，呈现下列现象则不得接收。

（1）腐蚀缺陷面积超过盖板镀涂面积或底金属面积的1.0%，或超过除引线以外其他任何封装零件（如外壳）镀涂面积或底金属面积的2.5%。

（2）其引线镀涂部分满足上述表面镀涂产品拒收条件。

此外，GJB 360对电子元件的耐盐雾环境试验方法给出了具体评价要求。标准规定盐溶液是质量百分比浓度为（5±1）%的氯化钠溶液，用化学纯氯化钠溶于蒸馏水或去离子水配置而成，电阻率不小于500Ω·m。要求在温度为（35±2）℃时，其pH值应为6.5～7.2。试验时间按照96h或者48h选取，一旦确定试验时间并开始试验，试验过程不得中断。试验采用喷雾的方式进行，喷雾期间，每24h至少测量一次盐雾沉降率和收集液的pH值。

试验结束后，可用自来水轻轻洗去试验样品表面沉积的盐，然后按规定进行外观检查、电性能及机械性能检测。

6．低气压环境适应性要求

电子器件或组件在工作时，除了遇到温度、湿度、盐雾等常见环境条件，对于高空飞行器等电子产品，还需要承受高空低气压环境条件。当气压降低时，空气和其他绝缘材料的绝缘强度减弱，从而使发生抗电击穿失效的风险增加，即使电介质材料不会被完全击穿，也会增强电晕放电、介质损耗和电离等有害影响。

GJB 548B对低气压环境适应性的试验要求：将样品安放在密封室内，以不大于10kPa/min的降压速率将试验箱内气压降到相应的规定值，然后保持规定的压力，试验期间及试验前的20min内的温度应为（25±10）℃。对器件施加规定的电压，监测器件在从常压到规定的最低气压并恢复到常压的整个过程中是否出现故障，如出现飞弧、有害电晕或其他任何影响器件工作的缺陷或退化，都可视为失效。GJB 548B给出的低气压试验条件及其对应的高度见表3-14。

3.3.4 环境适应性与可靠性的关系

环境工程是可靠性工程的依据和基础。在产品设计中，为了保证产品能在使用环境条件下正常工作并且具有合同规定的可靠性，必须首先了解产品未来的环境条件和环境设计要求，并根据这一要求对产品进行可靠性设计，例如，选择元器件、选择材料、降额设计、耐环境设计等。对产品的可靠性预计，只有在掌握了环境条件并进行了环境试验的情况下，才能进行。进行各种类型的可靠性试验时，都必须施加适当的环境应力。环境应力类型和大小的选择是否适当，直接影响可靠性试验结果的准确性。由此可见，环境适应性与可靠性工程是密不可分、互为依存、互相促进的^[27]。

研究环境对产品的影响和失效机理，以便提供各种环境防护措施。环境从各方面使产品性能发生恶化，例如，温度过高引发电子电器烧损；湿度引发电子元器件绝缘性能下降，甚至产生绝缘击穿、接触器不导电、电阻值改变和电性能变坏；温度、湿度、生物和污染物破坏表面防护系统；风沙、灰尘和生物剥蚀产品表面；温度、湿度、工业污染或盐雾引起产品发生化学或电化学腐蚀；表面残余拉应力、工作应力、装配应力、热应力以及振动、冲击加上侵蚀介质的作用诱发应力腐蚀、腐蚀疲劳、摩擦磨损等。多年来，航空领域积累的数据表明，环境引起产品的故障数约占总故障数的52%，而各种环境引起的故障占比分别为：温度40%，振动27%，湿度19%，沙尘6%，盐雾1%，高度2%，冲击2%。引起故障的环境主要是温度、振动和湿度。

各种装备上所载设备都必须保证环境适应性，都要在一定的环境条件下考核和发挥它的效能，都要通过环境适应性这一关来论证上述装备的可靠性、维修性、生存性、电磁兼容性、安全性、保障性，这也是环境工程长期存在和发展的原因^[28]。

3.3.5 电子组件环境适应性要求

目前，我国的环境适应性研究主要停留在环境试验的环节上^[29]，在环境工程研究和环境适应性设计方面仍处于较低水平。开展环境试验的目的主要有两类：一是产品工程研制试验，寻找产品的设计缺陷；另一类是产品验证试验，包括鉴定、验收和仲裁。但以上环境试验主要侧重于事后验证，而缺少事前设计，国内的环境适应性标准也以环境试验方法标准为主，且主要针对整机产品，如GJB 150A^[30]、GJB 4239—2001^[31]等，这些标准主要是以环境试验为中心设计的，局限于试验条件、方法、设备及其有关的环境数据范围，缺少环境工程管理、耐环境设计和信息收集与应用方面的重要内容。借鉴整机产品的环境适应性要求，提出电子组件的环境适应性要求需要遵循以下原则^[32-34]。

（1）减缓影响组件的环境应力，增强组件自身耐环境应力的能力。

环境适应性首先要求应综合考虑电子组件全寿命周期内可能经受到的各种环境因素（通常为温度、湿度、振动、冲击、盐雾、空间辐照等）及其应力，采用减缓环境应力的措施增强组件自身耐环境应力的能力，即用有效的防护设计、结构、材料、工艺等来达到所设计产品的环境适应性要求。如对于长期工作在潮湿环境下的组件，采用三防涂层设计；对于长期工作在振动应力条件下的电子组件，进行元器件优化布局设计和避共振设计等；对于空间应用的集成电路组件，应进行抗辐照加固设计等。

（2）明确不同对象的环境适应性要求和等级。

按照从大到小的顺序，根据组件、PCB、元器件、焊点的特点，逐级明确各自的环境敏感对象和范围，采用合理的结构设计，正确选择材料，严格进行计算并确定使用应力，选用稳定的电子装联工艺。

（3）综合考虑环境因素的不良影响。

一种环境因素可能产生多种不良影响，一种不良影响往往是多种环境因素协同作用的结果，应在环境适应性要求中进行综合考虑。

在明确环境适应性基本要求的基础上，可按以下步骤开展电子组件的环境适应性设计。

（1）明确组件的环境条件。

当前组件的环境适应性设计基本上以标准中的考核条件为设计依据，但最终在使用中仍然故障不断，究其原因，最重要的是其实际所经受的环境条件并不是标准中给出的环境条件（标准中的试验条件或试验严酷等级）。且环境适应性标准通常是针对整机制定的，其严酷度对于电子组件而言是不够的，因此，首先应以整机应用的环境条件为基准，通过微环境提取等手段明确电子组件的真实环境条件。

（2）确定电子组件寿命期的环境剖面。

电子组件在全寿命周期内，除了使用过程中的平台环境条件，还要经受运输和贮存环境条件；另外还涉及经受各种环境因素的概率。所谓环境剖面就是电子组件全寿命周期内所遇到的各种环境因素及其出现的概率。可见，作为环境适应性设计的第二步，应知道电子组件全寿命周期的环境剖面，并以此作为设计依据。

（3）制定环境适应性设计准则。

一个电子组件通常由许多零部件、元器件等组成，因此要搞好环境适应性设计，必须制定能保证电子组件环境适应性的统一设计准则，让每一位设计师进行环境适应性设计时有统一的依据。环境适应性设计准则应采用先进的、成熟的材料、工艺、结构等，并且有好的费效比。