鉴于目前电子产品应用环境更加多样化与复杂化，传统的单应力可靠性试验测试，已经无法筛选与激发产品早期故障，应更多的结合产品实际应用环境，探索综合应力可靠性试验方法，保障产品终端应用可靠性，因此缘由。我们进行了电子产品综合应力沙尘试验方法的研究，并进行成果发表，以供大家共同探讨！

引言

众所周知，电子产品的应用环境是影响其可靠性的重要因素，这些环境因素主要包括：温湿度、盐雾、沙尘、振动、冲击、辐射等，其产生的应力都会对电子产品产生不良的影响。而随着人类开发的增加与实际生活环境的变化，沙尘导致电子产品的失效比率逐步增大。自然环境中的沙尘一般是由空气中的微小颗粒物以及人类实际生活中的棉絮等物质组成。它会在自身重力作用下或风的影响侵入电子产品内部，同时若电子产品应用环境中存在空气的热运动、温度变化引起的压力差以及产品散热引起的热循环等条件都会引发或加速沙尘的侵入。相关研究表明，沙尘可能导致电子产品的主要失效模式包括：运动部件的阻力加大或卡死，表面磨损造成产品体验感降低，热传导性能降低，引发相关接触电阻变化，甚至导致电气性能与光学性能降低。

依据气象局等环保部门对大气环境中降尘量监测结果显示，大气环境中沙尘浓度会依地区的不同而不同，电子在不同地区应用所受到的沙尘环境应力也是不同的。通常而言，沉积或侵入电子产品的沙尘在没有水的情况下是不良导体。然而跟其他环境结合如温湿度，会溶解沙尘中可溶性粒子形成电解液，从而会加速金属的腐蚀，电化学失效等危害。因此，模拟沙尘环境对电子产品可靠性的影响，尤其是探究沙尘在与温湿度相结合的综合应力条件下的电子产品可靠性水平至关重要。

综上所述，为完善电子产品的沙尘条件可靠性评估方法，本文研究了一种电子产品综合应力沙尘试验评价方法。该方法通过调研产品的实际应用环境状态，并对相关数据进行分类统计分析；依据数据分析的结果进行综合应力沙尘试验严酷度选择与试验剖面设计；并在试验具体实施过程中对产品性能以及降尘量等关键参数进行监控，最后在温湿度条件下对试验样品的进行性能表征测试与风险等级判定。

试验严酷度选择与试验剖面设计

01 试验严酷度选择

综合应力沙尘试验的严酷度选择是基于产品的实际应用环境状态，在进行产品实用环境状态调研时，应注意其工作时所承受的环境温度上限与温度下限，其目的是为了在进行综合应力沙尘试验时，可将环境温度上下限定义为试验中温度应力等级的上下限。

通常而言，单一的沙尘试验的严酷程度由试验的持续时间与沙尘沉积量共同决定，但为了方便表征试验严酷度跟某些实际环境条件的量化关系，依据标准GB/T2423.37电工电子产品环境试验中规定，仅仅由条件试验的持续时间来决定沙尘试验的严酷程度，沙尘沉积量被定义为6g/(m2•d)，从而更加方便产品依据自身功能重要性来进行严酷程度的选择。综合应力沙尘试验引入了温度应力，但依据相关理论在忽略大气湍流沉降的影响下，尘颗粒的沉降速度仅与空气粘滞系数、颗粒密度、空气密度、颗粒直径等参数有关，与温度无直接相关性。经过对同等条件下不同温度条件的沙尘沉积量进行监测论证如图1所示，其中温循条件范围为0~60℃，结果显示温度的变化对沙尘的沉降量无任何影响，但温度应力的存在对产品材料本身、结构件缝隙以及静电吸引的沙尘入侵产生一定的影响。因此在综合应力试验中，对沙尘应力中的沙尘沉积量定义为6g/(m2•d)，其沙尘应力严酷程度也由试验的持续时间来决定。

图1 不同温度应力条件下沙尘沉积量监测数据图

结合可能引发沙尘入侵的条件，如自然沉积、空气循环带入、热运动带入、由热膨胀引起的气压变化吸入等因素。温度应力的存在只可能对材料缝隙以及静电吸引的沙尘入侵产生一定的影响，但相对应力较小，从沙尘入侵含量可能需要非常精密的设备才能定量测定。但温度的变化与沙尘入侵程度以及后期应力变化必然存在相互关联，具体关联量化关系可能需更精密的技术进一步进行探究。因此综合应力试验的试验严酷度等级，可以由沙尘单应力等级与温度应力等级，组建成一个修正的等级模型矩阵，用来定性评价试验应力，如下表1所示。

表1 综合应力试验严酷度等级表

其中，沙尘单应力等级：T1表示在对应的沙尘单应力条件下，试验1天的周期界定，以此类推；温度应力等级：R1表示在对应的温度单应力条件下，试验1天的周期界定，以此类推；综合应力试验严酷度等级：S1表示在对应的的温度应力与沙尘应力综合条件下，试验1天的周期界定，以此类推。该试验严酷度选择实施方法可由产品的实际应用环境的沙尘应力强度、温度条件应力强度、产品本身的设计寿命周期等进行综合分析确定。

02 试验剖面的设计

样品的工作状态可能会影响沙尘侵蚀，这是由于工作时的振动效应可能不利于沙尘的沉积。但是结合沙尘能由空气热运动侵入产品内部以及温度变化引起的气压差而吸入等相关特性，密封发热的产品应采用间歇式工作模式，以便通过热力循环产生吸入效应增加沙尘入侵，从而更完善的评价产品的密封性与沙尘耐受性。在进行试验验证时，若待验证的产品具有一定的热效应，可参照图2所设计的温度循环与工作状态试验剖面进行。为避免温度应力对产品产生过应力作用，其温度变化速率应足够的小，建议使用＜10℃/min的温度变化速率。循环周期可通过计算产品MTBF来预计，温度应力作用实际时间（MTBF）不应超过产品本身设计所能达到的寿命期限。若有特定的要求或因产品本身的类型与特性，产品以静态模式进行测试。

图2 温度循环与工作状态试验剖面

试验实施方法

进行综合应力沙尘试验测试时，具体的实施方法可以参照GB/T2423.37电工电子产品环境试验中的沙尘试验方法进行。沙尘的供给与沉积可以参照图3的试验剖面进行，其中1min的吹尘表示尘的注入过程，59min的降尘表示尘的自然沉积过程，5min的管道清理表示气压上升与设备缓冲过程。

试验论证开始前应结合产品实际的应用环境与结构特性，选择合适的试验用尘与粒子尺寸。推荐使用试验标准用尘与实际腐蚀性物质混合的合成沙尘，对于粒子尺寸的分布要求，所选的沙尘粒子尺寸应含有产品实际工作环境中含有粒子的最小尺寸。在进行方法论证试验时，选用的是普遍的家用电子产品，因此采用是粒子尺寸小于75μm具有腐蚀特性的石英砂混合沙尘。这是为了更好的研究吸湿性尘对产品的腐蚀性影响与评估产品的防尘致密性水平。

考虑到沙尘潮湿结块而造成沙尘颗粒大小的变化以及尘注入的顺畅性，沙尘使用前必须进行干燥处理，必要时高温下烘干2小时，以去除水分。在试验进行过程中，应对沙尘沉积量与均匀性进行实时监测，测量方法可通过在样品同一水平面放置一个或多个收集器，在测试前后称取收集器的质量，来判定试验区域的沙尘沉降量维持在6g/(m2•d) 。

尘能否均匀地覆盖在样品的上面，与试验样品放置位置存在一定的相关性，因此，在试验样品放置时，一定要保持水平状态；样品需离尘注入口有一定的距离；若试验样品不止一件时，在放置时，两个样品至少保持150mm的距离，同时需预留一定的交叉角度，尽量避免处于同一水平线。特别值得注意的是，所有的沙尘均存在一定的危害性，除滑石粉其他粉尘浓度超出一定界限时均有发生爆炸的风险，因此试验人员应采取相应的防护措施避免健康与安全危害。

图3 综合应力沙尘试验中沙尘供给与沉积试验剖面

试验表征与结果分析

01.温湿度测试分析

综合应力沙尘试验测试周期结束后，应对产品的功能、噪音、电性能、外观等方面进行全面的检查分析。通常而言常规的沙尘试验仅仅能评估沙尘入侵的风险与相关防护措施的优劣性，无法直观的表征沙尘可能引发的潜在故障的风险，沙尘的存在并联合其他环境应力会加速潜在故障的显现。因而，在综合应力沙尘试验后进行温湿度测试，进一步激发其潜在缺陷存在必要性。

1.基本参数测试分析

沙尘对电子产品性能参数的危害，可能主要表现在绝缘性能、热传导性能以及噪音。若非沉积足够量的沙尘，对电子产品的热传导性能的影响相对较小，在实际试验验证过程中应根据产品本身的特点以及应用环境，选择是否需进行温升等热传导性能参数的表征。在本文综合应力沙尘试验方案验证过程中，主要对样品的绝缘性能和噪音进行了表征。

图4（a）所示的为试验各阶段样品绝缘电阻的测试表征结果示意图，结果显示在综合应力沙尘试验进行阶段，其绝缘电阻无明显变化，这是由于干燥的沙尘一般是不良导体，不会引起绝缘性能的改变。沙尘试验后再经过24h的温湿度测试后发现，样品的绝缘电阻急剧下降，并且随着温湿度测试时间的延长绝缘电阻会随之持续下降。这是因为湿度的入侵以及沙尘吸水性的影响，会在绝缘体表面形成微型电路，造成局域性通路，从而使绝缘性能降低，长时间处于这种状态或防护措施不够，使用时可能引发一定的安全风险。

图4（b）所示的为试验各阶段样品噪音的测试表征结果示意图，结果表明随着综合沙尘应力试验与温湿度测试时间的延长，噪音分贝值呈现逐步上升的趋势。这是因为沙尘的入侵使得活动部件之间的摩擦力增大，会引发或加大噪音的产生。而随着温湿度测试的进行，沙尘因水分子的存在相互聚集，使得粒子尺寸变化增大摩擦外，还由于材料的老化与润滑剂作用下降也进一步使得噪音系数值得增加。在试验过程中，应依据产品的本身特性与相关要求，对噪音参数设定一个上界限，实时监测噪音的变化趋势，为最终判定防护措施是否加强提供一定的依据。

（a）绝缘电阻测试结果

（b）噪音测试结果

图4 绝缘电阻与噪音测试表征结果示意图

2.基本结构测试分析

沙尘除了对电子产品的电性能参数产生危害外，对产品的结构影响也是巨大的。图5是验证产品上重要的活动部件开关门锁，在综合应力沙尘试验后发现门锁在开启时发现卡顿，通过拉力测试拉力值由起始的18N上升至35N。随着温湿度测试的进行24h后，门锁出现完全卡死状态。通过解剖分析发现，门锁的活动接触点旋转轴表面已经有沙尘入侵，表面润滑剂也因沙尘与温湿度的影响失去光泽，甚至因为较大阻力产生了明显的毛刺，毛刺的存在和润滑剂性能的降低是导致门锁卡死的关键原因。产品在评价过程中出现卡涩等结构性的异常，可以通过增加防护圈或增加润滑剂的涂覆量进行改善。

图4反映了车内仪表板与限温箱内仪表板各检测周期的累计辐射量情况，每3个月为一个检查周期统计一次数据。限温箱箱内太阳辐射量整体均比车内辐射量高，尤其是下半年，试验光照充足，每个周期累计的辐射量都要比车内辐射量高出800 MJ/m2以上。全年下来，箱内太阳辐射总量为6741.6 MJ/m2，车内仪表板处太阳辐射总量为3619.4MJ/m2，二者之间的比值为1.86。

（a）门锁活动接触点磨损外观图；（b）接触点润滑剂失效图

图5 活动部件失效分析图

沙尘与温湿度共同作用下，会导致金属腐蚀的引发和加速。图6为验证产品裸露的金属端子，在初始阶段裸露的金属端子表面明亮光滑如图6（a）。经过综合应力沙尘试验后，端子表面附着有大量的沙尘，紧密接触处已有轻微的腐蚀痕迹。再经过温湿度测试24h后，发现裸露的端子已腐蚀严重。为了说明其腐蚀程度，图6（d）是将同批次良好的裸露金属端子置于标准盐雾试验测试24h，结果发现其腐蚀现象远比不上沙尘温湿度引发的腐蚀现象。此异常现象进一步说明了综合应力沙尘试验测试周期结束后，进行温湿度测试的必要性。

（a）试验前初始端子外观图；（b）综合应力沙尘试验后端子外观图；

（c）温湿度测试24h后端子外观图；（d）标准盐雾试验24h后端子外观图

图6 裸露金属端子外观图

03. 风险等级判定

综合应力沙尘试验测试的最终目的是依据评价分析结果，实施相应得改善措施从而进一步提升产品可靠性。为了节约改善成本与改善时间周期，可以对试验结果进行风险分级评估。风险等级判定依据危害程度分为A类、B类、C类与D类四个不同等级，为了便于风险等级的确定，可参照下表2进行。

表2 风险等级判定表

总结

本文通过提出一种电子产品综合应力沙尘试验评价方法，详细说明了试验的严酷度等级与选择方法，同时还提供了可供参考的试验实施时的剖面设计，并就在实施时的相关注意事项进行了注明，以帮助实现电子产品综合应力沙尘试验的正确开展。最后，结合应用验证案例分析，说明了综合应力沙尘试验可能激发的故障，深入讨论了其失效机理与表征方法，并对验证结果进行了风险等级分类，为电子产品综合沙尘应力条件下的可靠性评价提供了指导。