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温度应力
发布时间:2020-02-19   点击次数:136次

温度应力
环境应力条件可以引起产品失效,Hughes航空公司(美国)技术资料明确地表示了失效与环境应力之关(见图2)。可见在各种应力影响之中温度和湿度环境应力所引发地失效占所有环境应力引发失效的60%左右,而温度应力与失效之间存在着密切的关系。
目前,在世界各地,无论从陆地到海洋或者从高空到宇宙空间,都广泛地使用电子电工以及其他领域的产品。由于气温随着高度的增加而降低或在冬季高纬度地区,或者有些产品所在位置接近制冷元件、设备或系统,或者有些产品本身就包括制冷元件、设备或系统,从而产生低温环境。低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响,构成产品的各种材料的物理性能、电性能等将发生变化,导致暂时性或长久性的性能下降,甚至引起失效。
图2 环境应力与失效之关系
同样,低纬度热带地区的自然高温、太阳辐射的增温、通风不良引起的温升以及散热样品在使用中自身发热引起的温升等产生的高温,高温会使电子组合可靠性下降,机械结构的密封件、橡胶件和塑料件等受高温和太阳照射作用会迅速老化和劣化,其他各种材料的结构、物理性能、电性能也会发生很大的变化,导致暂时或长久性的损伤和性能变化。
另外,在产品贮存、运输、使用和安装过程以及中,除自然气候的变化以外,也会遇到因人类的社会实践而诱发的环境温度的变化。例如设备从温度较高的室内移到温度相对较低的室外;或者从温度相对较低的室外移到温度较高的室内;或者在室外使用的设备在强烈的太阳辐射之后突然降雨或浸到冷水;或者温度的极度升高导致焊锡回流现象出现,或者启动马达时周围器件的温度急速升高,关闭马达时周围器件会出现温度骤然下降;或者设备可能在温度较低地环境中连接到电源上,导致设备内部产生陡峭的温度梯度,在温度较低地环境中切断电源可能会导致设备内部产生相反方向陡峭的温度梯度;或者当航空器起飞或者降落时,航空器机载外部器材可能会出现温度地急剧变化等等。由于急剧的温度变化将使产品受到一定热冲击力,在这种热冲击力的作用下,将导致电子电工元件的涂覆层脱落、密封材料龟裂甚至破碎、填充材料泄漏等,从而引起电子元器件电性能下降;对于由不同材料构成的产品,由于温度变化时产品受热不均匀,导致产品变形、开裂、破碎等。由于温度变化产生较大的温差,低温时产品表面会产生凝露或结霜,高温时蒸发或融化,如此高低温反复作用的结果导致和加速了产品的腐蚀。
下表给出了温度应力引发失效的主要类型。
表1 温度应力引发失效的主要类型

失效

环境应力条件

敏感元件和材料

大分类

中分类(原因)

失效模式

温度

高温老化

老化

抗拉强度老化

绝缘老化

温度+时间

塑料、树脂

化学变化

热分解

温度

塑料、树脂

软化、熔化、汽化、升华

扭曲

温度

金属、塑料、热保险丝

高温氧化

氧化层的结构

温度+时间

连接点材料

热扩散(金属化合物结构)

引线断裂

温度+时间

异金属连接部位

中级破坏

半导体

热点

温度、电压、电子能

非均质材料

热积聚燃烧

(剩余的热燃烧)

燃烧

加热+烘干+时间

塑料(例如带有维尼纶和聚氨酯油漆的木质芯片)

穿刺

内在的

短路

绝缘性差

高温(200~400℃

银,金,钢铁,镁,镍,铅,钯,铂,钽,钛,钨,铝

非内在的

短路

绝缘性差

高温(400~1000℃

铜,银,铁,镍,钴,锰,金,铂和钯的卤化物

迁移

电迁移

断开,引线断裂

温度(0.5Tm+电流(密度为106A/cm2

例如钨,铜,铝(特别是集成电路中的铝引线)

蔓延

金属

疲劳,损坏

温度+应力+时间

弹簧,结构元件

塑料

疲劳,损坏

温度+应力+时间

弹簧,结构元件

低温易脆

金属

损坏

低温

体心立方晶体(例如铜,钼,钨)和密排立方晶体(例如锌,钛,镁)及其合金

塑料

损坏

低温+低湿度

高玻璃化温度(例如纤维素乙烯氨),低弹性的非晶体(例如苯乙烯,丙烯酸甲酯)

焊剂流动

焊剂流粘到冷金属表面

噪声,连接不实

低温

特别是连接到印刷电路板上的元件(例如开关,连接器件)

因而,当讨论与温度有关的产品寿命时,一般采用“θ℃规则”的表达方式。具体应用时可以表达为“10℃规则”等,例如当周围环境温度上升10℃时,产品寿命就会减少一半;当周围环境温度上升20℃时,产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命(失效)的。
反之,人们可以在较短的时间内,利用升高环境温度或降低环境温度或利用超高温和超低温的交替来加速产品的失效现象发生,确定产品的特性变化以及由于构成元器件的异种材料热膨胀系数不同而造成的故障问题。多应用于开发筛选试验、材料特性试验、极限试验、评估试验、品质确认试验、加速寿命老化试验等多种场合的需要。

东莞市赛思检测设备有限公司

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