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    溫度應(yīng)力

    發(fā)布時間: 2020-02-19  點擊次數(shù): 1981次

    溫度應(yīng)力
    環(huán)境應(yīng)力條件可以引起產(chǎn)品失效,Hughes航空公司(美國)技術(shù)資料明確地表示了失效與環(huán)境應(yīng)力之關(guān)(見圖2)。可見在各種應(yīng)力影響之中溫度和濕度環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)地失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的60%左右,而溫度應(yīng)力與失效之間存在著密切的關(guān)系。
    目前,在世界各地,無論從陸地到海洋或者從高空到宇宙空間,都廣泛地使用電子電工以及其他領(lǐng)域的產(chǎn)品。由于氣溫隨著高度的增加而降低或在冬季高緯度地區(qū),或者有些產(chǎn)品所在位置接近制冷元件、設(shè)備或系統(tǒng),或者有些產(chǎn)品本身就包括制冷元件、設(shè)備或系統(tǒng),從而產(chǎn)生低溫環(huán)境。低溫幾乎對所有的材料都會產(chǎn)生不同程度的有害影響,構(gòu)成產(chǎn)品的各種材料的物理性能、電性能等將發(fā)生變化,導(dǎo)致暫時性或長久性的性能下降,甚至引起失效。
    圖2 環(huán)境應(yīng)力與失效之關(guān)系
    同樣,低緯度熱帶地區(qū)的自然高溫、太陽輻射的增溫、通風(fēng)不良引起的溫升以及散熱樣品在使用中自身發(fā)熱引起的溫升等產(chǎn)生的高溫,高溫會使電子組合可靠性下降,機(jī)械結(jié)構(gòu)的密封件、橡膠件和塑料件等受高溫和太陽照射作用會迅速老化和劣化,其他各種材料的結(jié)構(gòu)、物理性能、電性能也會發(fā)生很大的變化,導(dǎo)致暫時或長久性的損傷和性能變化。
    另外,在產(chǎn)品貯存、運輸、使用和安裝過程以及中,除自然氣候的變化以外,也會遇到因人類的社會實踐而誘發(fā)的環(huán)境溫度的變化。例如設(shè)備從溫度較高的室內(nèi)移到溫度相對較低的室外;或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內(nèi);或者在室外使用的設(shè)備在強(qiáng)烈的太陽輻射之后突然降雨或浸到冷水;或者溫度的極度升高導(dǎo)致焊錫回流現(xiàn)象出現(xiàn),或者啟動馬達(dá)時周圍器件的溫度急速升高,關(guān)閉馬達(dá)時周圍器件會出現(xiàn)溫度驟然下降;或者設(shè)備可能在溫度較低地環(huán)境中連接到電源上,導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生陡峭的溫度梯度,在溫度較低地環(huán)境中切斷電源可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度;或者當(dāng)航空器起飛或者降落時,航空器機(jī)載外部器材可能會出現(xiàn)溫度地急劇變化等等。由于急劇的溫度變化將使產(chǎn)品受到一定熱沖擊力,在這種熱沖擊力的作用下,將導(dǎo)致電子電工元件的涂覆層脫落、密封材料龜裂甚至破碎、填充材料泄漏等,從而引起電子元器件電性能下降;對于由不同材料構(gòu)成的產(chǎn)品,由于溫度變化時產(chǎn)品受熱不均勻,導(dǎo)致產(chǎn)品變形、開裂、破碎等。由于溫度變化產(chǎn)生較大的溫差,低溫時產(chǎn)品表面會產(chǎn)生凝露或結(jié)霜,高溫時蒸發(fā)或融化,如此高低溫反復(fù)作用的結(jié)果導(dǎo)致和加速了產(chǎn)品的腐蝕。
    下表給出了溫度應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型。
    表1 溫度應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型

    失效

    環(huán)境應(yīng)力條件

    敏感元件和材料

    大分類

    中分類(原因)

    失效模式

    溫度

    高溫老化

    老化

    抗拉強(qiáng)度老化

    絕緣老化

    溫度+時間

    塑料、樹脂

    化學(xué)變化

    熱分解

    溫度

    塑料、樹脂

    軟化、熔化、汽化、升華

    扭曲

    溫度

    金屬、塑料、熱保險絲

    高溫氧化

    氧化層的結(jié)構(gòu)

    溫度+時間

    連接點材料

    熱擴(kuò)散(金屬化合物結(jié)構(gòu))

    引線斷裂

    溫度+時間

    異金屬連接部位

    中級破壞

    半導(dǎo)體

    熱點

    溫度、電壓、電子能

    非均質(zhì)材料

    熱積聚燃燒

    (剩余的熱燃燒)

    燃燒

    加熱+烘干+時間

    塑料(例如帶有維尼綸和聚氨酯油漆的木質(zhì)芯片)

    穿刺

    內(nèi)在的

    短路

    絕緣性差

    高溫(200~400℃

    銀,金,鋼鐵,鎂,鎳,鉛,鈀,鉑,鉭,鈦,鎢,鋁

    非內(nèi)在的

    短路

    絕緣性差

    高溫(400~1000℃

    銅,銀,鐵,鎳,鈷,錳,金,鉑和鈀的鹵化物

    遷移

    電遷移

    斷開,引線斷裂

    溫度(0.5Tm+電流(密度為106A/cm2

    例如鎢,銅,鋁(特別是集成電路中的鋁引線)

    蔓延

    金屬

    疲勞,損壞

    溫度+應(yīng)力+時間

    彈簧,結(jié)構(gòu)元件

    塑料

    疲勞,損壞

    溫度+應(yīng)力+時間

    彈簧,結(jié)構(gòu)元件

    低溫易脆

    金屬

    損壞

    低溫

    體心立方晶體(例如銅,鉬,鎢)和密排立方晶體(例如鋅,鈦,鎂)及其合金

    塑料

    損壞

    低溫+低濕度

    高玻璃化溫度(例如纖維素乙烯氨),低彈性的非晶體(例如苯乙烯,丙烯酸甲酯)

    焊劑流動

    焊劑流粘到冷金屬表面

    噪聲,連接不實

    低溫

    特別是連接到印刷電路板上的元件(例如開關(guān),連接器件)

    因而,當(dāng)討論與溫度有關(guān)的產(chǎn)品壽命時,一般采用“θ℃規(guī)則”的表達(dá)方式。具體應(yīng)用時可以表達(dá)為“10℃規(guī)則”等,例如當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升10℃時,產(chǎn)品壽命就會減少一半;當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升20℃時,產(chǎn)品壽命就會減少到四分之一。這種規(guī)則可以說明溫度是如何影響產(chǎn)品壽命(失效)的。
    反之,人們可以在較短的時間內(nèi),利用升高環(huán)境溫度或降低環(huán)境溫度或利用超高溫和超低溫的交替來加速產(chǎn)品的失效現(xiàn)象發(fā)生,確定產(chǎn)品的特性變化以及由于構(gòu)成元器件的異種材料熱膨脹系數(shù)不同而造成的故障問題。多應(yīng)用于開發(fā)篩選試驗、材料特性試驗、極限試驗、評估試驗、品質(zhì)確認(rèn)試驗、加速壽命老化試驗等多種場合的需要。

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