高温环境影响分析及标准测试和设计

魏开利，李飞，卜德平，果仕达

（广电计量检测（北京）有限公司，北京 100076）

引 言

要保证产品的可靠性，需要满足在“规定的条件下”可以正常工作的首要因素，同时必须具有一定的裕量。而所有产品的“规定的条件”主要是其服役周期内经受的环境因素，包括温度、湿度、振动、霉菌、盐雾等等。这些环境因素中，高温对产品的影响是不可忽略的，会导致很多产品发生失效。孟宪磊[1]对DC/DC 电源模块高温失效原因进行了分析，通过测试发现环境温度升高会导致模块内变压器磁芯温度达到局里点附近，使模块输出为零；翟国富[2]对继电器进行了常温和高温试验考核，试验发现继电器的动合静触点在高温条件下有烧穿的现象；庄少红[3]分析了几种环境应力试验导致的失效，分析出高温环境会使金属材料表面加速氧化；解玉豪[4]通过分析得出铝化物涂层在高温环境下容易发生热氧老化腐蚀，通过添加微量元素而抑制热氧老化的快速发生；胡敦等[5]对带电作业EVA绝缘毯的力学性能进行了研究，通过试验发现EVA 绝缘毯随着温度的升高其拉断力呈现下降趋势，EVA 绝缘毯随着温度升高其回弹性能较差、刚性较弱；王争东等[6]分析了高压大功率IGBT 的有机线性灌封材料在高温环境长时间工作后会变黄、变硬以及变脆，介电性能下降导致；有相关资料表明高温过热导致IGBT 失效率高达55 %[7];高温环境对产品、材料都会带来一定的影响，尤其是电子产品，有数据统计在轨卫星的空间热环境导致电子产品失效占比高达49 %[8]。

因此，需要详细分析高温环境对产品的影响，并根据相应的标准、规范设计测试方法，确定产品的高温工作环境的裕量，确定其符合特性，为产品的后期使用及运维提供参考。

1 高温环境影响分析

高温环境对产品的影响是指产品在高温环境中贮存和工作，其自身的功能性能是否满足产品规范的要求。高温对材料、组件、产品乃至设备的运行都会带来影响，轻微会导致产品指标超差，严重会导致产品失效，发生火灾等重大安全隐患事故。总的来说，高温条件可以使得物质内部分子（原子、电子）运动速度加快，动能增加进而导致物体膨胀、物体状态的变化。而高温对材料、器件都会产生不利的影响。高温条件下，对材料影响如下：

1）高温条件会导致润滑剂发生氧化进而导致润滑剂粘度降低，流动性变差；

2）不同材料膨胀系数不一致导致咬死或松动；

3）包装、衬垫以及密封垫发生变形，导致减振或密封失效；

4）密封或衬垫发生永久性硬化；

5）某些材料的褪色、裂解或裂纹。

高温除了对材料会产生不利的影响，会导致电气器件发生一系列的失效模式，详细见表1。

表1 高温对电气元件的影响

高温环境除了会导致产品发生失效，还会使得某些材料如橡胶类材料、电子器件等寿命缩短，而对于橡胶材料、电子器件等，高温对寿命的影响一般使用阿伦尼斯模型进行高温条件下的寿命估计，其模型如下：

式中，

L ─寿命；

A ─与材料相关的常数；

Ea─激活能，单位是电子伏特；

K ─玻尔兹曼常数，k=8.617 1×10-5ev/℃；

T ─绝对温度，为摄氏温度加273.15。

2 高温试验标准测试及分析

针对产品的高温试验，不同行业有不同的标准。只有正确的选用并使用试验标准，才可保证产品在高温贮存和高温使用中可靠性。产品除了要保证产品符合的高温要求，一般还要对产品进行摸底，确定产品的设计裕量。

2.1 产品高温极限测试标准及方法

对产品进行摸底试验一般参考的可执行的标准为GB/T 29309-2012《电工电子产品加速应力试验规程 高加速寿命试验导则》。其高温步进是通过对电子产品施加逐渐增大的应力，在每一个步进值保持规定的时间进行该应力条件下的功能性能测试。该方法可以确定产品的失效模式、产品设计的薄弱环节以及工作应力极限与设计应力极限之间的裕度，提升产品现场使用过程中的可靠性。当通过HALT 试验发现产品的工作极限与设计极限之间的裕度较少，由于批生产产品生产过程中不能保持着初样产品严格的生产过程控制，在后续的适用过程中批生产产品由于裕度较少从而会发生失效。高温步进曲线参考图1 所示。

图1 高温步进试验曲线

2.2 民品高温试验标准及分析

民品的高温试验一般依据GB/T 2423 和IEC 60068 系列的标准。对于民品的高温考核，一般要区分非散热试验样品的高温试验和散热试验样品的高温试验，这两种类型样品的试验程序是不同的。同时，汽车电子类产品的高温试验一般参考的是GB/T 28046，标准中也是引用了GB/T 2423 系列标准。

2.2.1 非散热试验样品高温试验

非散热试验样品，是指产品工作或带负载的情况下其表面的温升也不会超过规定的试验温度5 ℃以上，同时非散热试验样品的温箱内采用高空气流速。非散热试验样品一般是将样品以不包装、不通电、按照正常使用的方式放置于温箱内，待样品达到温度稳定后，进行通电测试。

2.2.2 散热试验样品高温试验

散热试验样品与非散热试验样品相反，产品工作或带负载的情况下其表面的温升会超过规定的试验温度5 ℃以内。散热试验样品的高温试验箱内采用低空气流速，即工作时的气流速度小于等于0.5 m/s，确保样品上任一点由于空气循环而降低5 ℃以上的温度。散热试验样品高温试验过程中可以采取两种方式，一种是升温过程中不通电，待样品达到设定温度稳定后通电测试；另外一种是全程通电，即在升降温过程、稳定过程中全程通电。高温稳定后通电样品由于通电会有一个短暂的温升，对样品影响较大。

2.3 军品高温试验标准及分析

与民品高温试验标准不同，军品高温试验中并未对产品进行散热试验样品和非散热试验样品的划分。军品高温试验分为贮存和工作两种试验条件。高温贮存，分为恒温储存48 h 和循环贮存的至少7 个循环（每个循环24 h）的贮存；高温工作包括恒温工作2 h（温度稳定后）和循环工作（至少3 个循环）。同时，军品高温试验规定了样品的摆放，要求样品与样品之间、样品与温箱箱壁之间至少距离15 cm。高温试验的温变速率，要求不超过3 ℃/min。

2.4 高温试验温度稳定

无论民品试验还是军品的高温试验，都要求样品达到温度稳定后开始计时。一般来说，样品的温度稳定时间为样品的热时间常数的3~5 倍，一般区4 倍[9]。样品的热时间常数为：

式中，

τ ─时间常数；

G ─质量，g；

C ─热容，J/K；

S ─散热面积；

λ─散热系数，W/cm2·℃。

3 产品的热设计

高温条件下，会对产品尤其是对电子产品中的元器件产生重要影响，会导致电子元器件发生失效，从而引发设备发生失效。而进行热设计的目的是控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的环境温度不超过器件本身最高允许的环境温度。而电子产品的热设计主要包括自然冷却设计、强迫空气冷却设计以及液体冷却设计[10]。下面介绍使用比较广泛的两种设计的方法及原理。

3.1 自然冷却设计

电子设备的自然冷却适用于小型、安装密度较高的电子设备内部冷却。其优点是结构简单，紧凑，不需要外界动力。自然冷却主要靠两个方面，一是采取热安装原则；二是采用金属导热实现。

采用自然冷却，板卡上的器件安装一般遵循以下原则：

1）热敏元器件应放在设备的冷区<如底部，不可直接放在发热元器件之上。

2）元器件的布置应按其允许温度进行分类，允许温度较高的元器件应放在允许温度较低的元器作之上。

3）发热量大的元器件应尽可能靠近温度最低的表面（如金属外壳的内表面、金属底座及金属支架等）安装，并应与表面之间有良好的接触热传导。

4）应尽可能减小安装界面及传热路径上的热阻。

5）带引线的电子元器件应尽量利用引线的导热。热安装时应防止产生热应力,要有消除热应力的结构措施。

6）电了元器件安装的方位应符合气流的流动特性及提高气流紊流程度的原则。为了提高散热交果,在适当位置可以加装紊流器。

另外一种是通过铝板或其他导热金属板将热量通过外壳导热出去，同时器件的布局也有一定的要求，如图2 所示。图中A 区为装有高热耗功率元件的高温区，B区是装有发热元器件的中等温度区，C 区为装有不发热元器件的低温区，D 区是装有热敏元器件的最低温度区。将这四种不同散热器件按照图2 的安装，通过金属铝板进行散热，可达到散热要求。

图2 加装散热器器的器件布局

图3 强迫风冷

3.2 强迫空气冷却设计

强迫空气的换热主要靠强迫对流作用。然而,热设计时应考虑导热和辐射换热的作用，在重量和成本许可的条件下，应该最大限度地利用导热,而辐射则要视具体情况而定。对流换热的基本公式如下：

式中：

Φ ─对流换热流量，W；

hc─对流换热系数，W/（m2·C）；

A ─对流换热面积，m2；

△t ─表面与流体之间的温差，℃；

强迫空气冷却设计，一般就是通过通风机或者风扇，将设备内部的热空气与外界的空气通过通风机或风扇实现强迫对流换热，达到降温的目的。这种强迫空气冷却的方法，一般要求空气通道不能阻塞，可以实现空气顺利流通。下图是典型的通过风扇实现强迫风冷。

4 总结

本文介绍了高温环境下对产品的影响，通过分析确定产品工作温度一旦超过其允许的范围，将会导致材料、器件乃至整个产品、系统发生失效。随后，针对民品和军品常用的高温试验方法进行了分析，介绍了不同类型样品进行高温试验需要注意的事项，以及试验方法；同时介绍了电子产品的热设计的方法。通过高温环境的影响及测试分析，充分了解高温环境的危害，为大家进行高温试验提供参考和指导。