湿热环境引起同轴射频电缆组件失效分析

1 引言

湿热环境是引起电子产品失效的常见环境试验之一，是环境可靠性测试中的重要环节，通过模拟高温高湿环境或温湿度交替变化条件，评估产品、材料及元器件在湿热环境下的性能稳定性与耐久性[1]。因此，在电子产品的研制和生产中十分重视防潮设计，并且应用湿热试验来验证产品的设计缺陷以及使用性能。当温度应力和湿度应力综合作用在产品上，就会对产品外观的变化或者性能的劣化等典型环境效应，并伴随出现试验期间的典型物理现象。湿热试验主要分为两类：恒定湿热和交变湿热。本文主要讨论交变湿热对同轴射频电缆组件的劣化效应的分析。

2 交变湿热

2.1 交变湿热的测试原理

交变湿热是一种环境可靠性测试方法，主要用于评估产品或材料在温度、湿度交替变化条件下的耐受能力，其测试原理是通过周期性改变温度和湿度（如高温高湿—低温高湿—恢复等阶段），加速产品在湿热环境中的老化、腐蚀、绝缘性能下降等问题，验证其在复杂环境下的可靠性，目的是确定产品耐湿热大气影响的能力。

2.2 交变湿热的试验条件

依据 GJB 150.9A-2009 湿热试验要求：湿热试验以 24h 为一个循环周期，最少进行10 个周期。一般情况下 10 个周期足以展现湿热环境对大多数装备的潜在影响。虽然温度为60℃和相对湿度为 95% 的综合现象在自然环境中不会出现，但该温度和相对湿度量值的综合下能发现装备潜在问题的部位。如果装备应在湿热环境中工作，应每 5 个循环至少进行一次性能检测，检测应在图1 显示的时间段进行[2]。

湿热试验条件中在温度下降期间相对湿度可以降至 85% ，其余时间内相对湿度应保持为 95%±5% ，温度条件可以依据装备的使用环境要求及用户协议规范进行确定。同轴射频电缆组件湿热条件设定为：温度为 30^∘C ，相对湿度为 95% ，一个周期为 24h，进行10 个周期。试验要求如下：

(1)试验前所有样品均要在标准大气条件下进行检测，以取得基线数据；(2)对样品进行性能检测，推荐在第 5 或第 10 循环周期末尾时间段内进行（如图 1所示）；(3)样品出现故障时，终止湿热循环，调节温湿度到标准大气条件进行检测，与试验前检测进行比对；

(4)试验结束后目检样品，记录变化情况。

2.3 可能引起失效的相关物理现象

(1)凝露现象

水蒸气在温度低于周围空气露点的表面凝结的现象称为凝露。凝露是在试验温度上升时产生的。在升温阶段，样品表面温度低于周围空气露点温度时，水蒸气便会在样品表面凝结成液体的水珠。在交变湿热试验的升温阶段，由于样品的热惯性，使它的温度上升滞后于试验箱的温度。因此，表面便产生了凝露现象。这种表面凝露量的多少，取决于样品本身的热容量大小，以及升温速度和升温阶段的相对湿度，在交变湿热试验的降温阶段，封闭外壳的内壁也会出现凝露现象。

(2)吸附现象

气体分子（在湿热试验中指水蒸气分子）在空间运动时可能碰撞固体物质（样品）的表面，当一定数量的分子连续碰在固体表面，在它重新回到空间之前，要在固体（样品）表面“停留”一定长的时间。这时，气体在表面上的浓度高于它在空间中的浓度，从而产生凝结。这种气体在固体表面上“停留”的现象称之为吸附。因此，吸附也可以说是气体在固体表面上凝结和蒸发的一个中间过程。根据实验结果，气体吸附量与固体物质的性质、温度及平衡时气体的压力三者有关。温度愈低、压力愈高，则吸附量就愈大。物理吸附是由范德华引力引起的，吸附层一般为多分子层。吸附速度较快,吸附时所需能量也较小，一般在低温下便能进行。在湿热试验中以物理吸附现象居多。

(3)扩散现象

扩散是分子运动的一种物理现象。在扩散过程中，分子总是从浓度大的地方迁移到浓度小的地方。湿热试验时，空气中水蒸气向浓度较低的材料内部扩散的速度可以用菲克定律表示出来。所以，湿热试验中由扩散引起的潮气侵入，除了取决于试验条件中的绝对湿度与温度，还与样品的材质有关。

(4)吸收现象

水蒸气进入材料内，一般都是通过空隙。水蒸气通过间隙的速度取决于孔的尺寸。如果孔隙的尺寸小于水分子的直径，水蒸气便不能进入。由于水蒸气在空间是与空气混合存在的，所以它的进入速度与水蒸气和空气的混合比例也有很大关系。将水蒸气和空气比例为 1:1 时，相当于 80℃空气饱和状态下的水气量作为界限。高于这个界限的称为高蒸气压力，低于这个界限的称为低蒸气压力，然后将水蒸气进入空隙的机理分别进行讨论：

① 低蒸气压力下水气进入机理：在温度和水蒸气压力都不变的情况下（相当于恒定湿热试验），水蒸气进入空隙主要是由于扩散作用，其速度主要取决于空隙中的空气阻力（渗透系数）和空隙尺寸（空隙的大小虽然也影响进入速率，但并不严重）。当温度变化（相当于交变湿热试验）时，空隙两边的水蒸气压力差强迫含有水蒸气的空气通过。这时进入速率不但与空隙阻力和空隙尺寸有关，还与空隙两端的水蒸气压力差也有关。由此可见，恒定湿热试验与交变湿热试验的作用机理是不一样的。

② 高蒸气压力条件下，水蒸气进入速度与空隙直径有关，当空隙直径小于水分子的平均自由路程时，水蒸气进入为分子流；当空隙直径大于平均自由路程时，进入速度为粘性流，空隙直径处于上述二者之间时为过渡流。在高蒸气压力下，水蒸气进入速度随空隙大小变化说明，如果提高温度来加速潮气进入，对不同空隙尺寸将会有不同的速率，其加速倍数将是不一样的。

综上所述，水蒸气通过吸收现象的进入，取决于温度和水蒸气压力（绝对湿度）及材料的材质。

(5)呼吸作用

将封闭样品内空腔中温度变化引起的内外空气交流，称之为呼吸作用。在交变湿热试验的降温阶段，由于温度急剧下降，引起封闭空腔内的空气温度下降或空腔内壁的凝露都会使腔内压力降低，形成抽吸现象，吸入外界的潮湿空气，因此，降温阶段的呼吸作用吸入潮气量的多少，与温度变化速率和绝对湿度有关。这种呼吸现象不仅仅发生在试验温度交变时，当具有封闭外壳的样品，如封闭型旋转电机在间歇运动过程中，壳内线圈发热或冷却的反复交替变化，也会发生呼吸作用。在潮湿条件下使用的电机产品，由于这种呼吸作用吸入潮气，长期凝结成水在壳内积聚起来，也是屡见不鲜的。

2.4 不同物理现象对样品产生的劣化效应

样品受潮的形式一般有二种：一种是表面受潮，它通常是由凝露和表面吸附引起的；另一种是体积受潮，它是由水蒸气扩散和吸收现象引起的。有时吸附在样品表面的水分达到一定程度，也会加快体积受潮的速度。对有空腔的封闭类型的样品，其内部虽然不直接接触高湿条件，但由于试验温度的变化造成的呼吸作用，会使外部的潮气通过间隙或裂缝进入内部，造成内部受潮。同时，扩散和吸收现象也可以使潮气通过缝隙进入封闭壳内。此外，对于某些有机材料的外壳，当扩散现象所引起的吸潮达到稳定以后，潮气便可以穿过外壳渗透进入壳内。表面和体积受潮造成样品的劣化效应，指机械性能（尺寸和强度）和非机械性能（电性能和其他性能）两种变化。

3.总结

湿热试验考查同轴射频电缆组件耐湿热大气影响的能力，本文对同轴射频电缆组件在湿热环境下产生的劣化效应进行了分析，得出受潮的原因主要是由于同轴射频电缆组件之间的间隙以及材料防水性能的差异造成的，因此可从以下两方面对其进行优化：(1)改善组件工艺，对间隙部位做密封处理(常见有增加密封圈、密封胶涂覆等)，从而提高组件耐湿热环境的能力；(2)使用防水性能更优的材料，进而避免水蒸气凝露、吸附等现象的产生，进一步加强组件的耐湿热环境的能力。

参考文献：

[1] 彭骞.湿热环境与电子产品可靠性[J].电子产品可靠性与环境试验,2003(5):57-60.

[2] GJB 150.9A-2009,军用装备实验室环境试验方法 第 9 部分：湿热试验[S].

作者简介：

叶振，1989.03，男，甘肃靖远，汉族，在职研究生，中级工程师，主要研究元器件可靠性、无源互调、可靠性试验、微放电及大功率测试等。

张磊，2001.04，男，陕西咸阳，汉族，本科，无，主要研究元器件可靠性、可靠性试验等。

胡波，1995.03，男，甘肃秦安，汉族，大专，无，主要研究元器件可靠性、可靠性试验等。

杨锐，1998.08，男，陕西白水，汉族，研究生，助理工程师，主要研究元器件可靠性、无源互调、可靠性试验、微放电及大功率测试等。

孙卓，1983.06，男，吉林通化，汉族，在职研究生，中级工程师，主要研究元器件可靠性、无源互调、可靠性试验、微放电及大功率测试等。