低气压环境下电子元器件可靠性:解析与应对

出处:网络整理 发布于:2025-07-04 16:52:21

在当今科技飞速发展的时代,电子元器件的应用范围越来越广泛,其在不同环境下的可靠性也备受关注。低气压环境作为一种特殊的工作条件,对电子元器件的性能和可靠性有着显著的影响。

一、低气压环境概述


在地球引力的作用下,空气环绕地球形成了大气层,其从地面向上延伸数百公里。大气压力是由地球引力使空气具有重量而产生的,某一高度上的大气压力等于该点以上垂直于地面的单位面积上整个空气柱的重量。大气压具有各向同性的特点,即在某一点上,无论从哪个方向测量,大气压的值都是相等的。


大气压力的大小主要取决于海拔高度,随着海拔高度的增加,大气压力逐渐降低,空气也变得越来越稀薄。例如,在海拔约 5.5km 处,大气压力降至海平面标准大气压值的一半左右;在接近 16km 处,大气压力为标准海平面值的 1/10;而在约 31km 处,大气压力仅为海平面标准大气压值的 1/100。


我国约有 50% 的国土面积海拔高于 1000m,约 25% 的面积海拔高于 2000m。大气压力的降低必然会对高海拔地区使用的电工电子产品产生影响,并且压力梯度越大,压力变化越快,电子元器件损坏的可能性就越高。

二、低气压环境对电子元器件的影响


  1. 对散热产品的影响
    电工电子产品中有许多属于散热产品,如电机、变压器等。这些产品在工作过程中会消耗一部分电能并转化为热能,导致产品温度升高。散热产品的温升会随着大气压的降低而增加。以小型三向异步电动机为例,其温升随海拔高度的增加(即大气压力的降低)而上升,温升与海拔高度大致呈线性关系,如图 1 所示(此处应插入原文中的图 1,但原文未提供图片链接,若后续能获取图片,可将图片插入此处),其斜率取决于产品本身的结构、散热情况以及环境温度等因素。

散热产品的热耗散主要有传导、对流和辐射三种形式。其中,大量散热产品主要依靠对流散热,包括强迫通风散热和自然对流散热。自然对流散热是利用产品发热产生的温度场,使周围空气形成温度梯度,从而实现空气流动散热;强迫通风散热则是通过强制措施使空气流过产品,带走热量。


对于强迫对流散热,在体积流不变的情况下,随着海拔高度的增加,大气压降低,空气密度也会随之下降。由于强迫对流散热依靠气体流动带走热量,而空气密度降低会直接影响其散热效果。一般电机使用的冷却风扇保证的是流过电机的体积流量不变,当海拔升高时,虽然体积流量不变,但气流的质量流量会降低。
2. 对电子元器件性能的影响
海拔升高导致气压降低,会对电子元器件的性能产生影响,尤其是以空气作为绝缘介质的设备,低气压的影响更为明显。在正常大气条件下,空气是良好的绝缘介质,许多电器产品采用空气作为绝缘介质。然而,当这些产品在高海拔地区使用时,由于大气压力降低,在电场强度较强的电极附近常常会产生局部放电现象,严重时甚至会发生空气间隙击穿,从而破坏设备的正常工作。

三、低气压环境下电子元器件的可靠性控制


  1. 元器件的合理选用
    根据元器件在电路中的使用特性进行设计分析并合理选用元器件,是确保元器件可靠性的基础。电子元器件的可靠性控制应从源头抓起,包括设计选用、优选厂家、压缩品种、进行可靠性试验以及提高质量等级等。同时,应从元器件可靠性物理分析的角度,系统地开展失效信息的收集与分析、失效分析、破坏性物理分析、密封器件内部气氛分析、失效模式及机理与工艺的相关性分析、失效模式与影响分析等工作,将元器件质量与可靠性分析技术融入产品设计和制造过程,以实现元器件的可靠性增长。
  2. 元器件的监制、试验和验收
    元器件的生产、试验和验收是保证元器件质量的重要环节,也是航天产品元器件可靠性的关键控制点。电子元器件按功能可分为电子元件、分立器件和微电路等;按采购渠道可分为进口和国产元器件;按产品成熟性可分为货架产品和新品器件。不同类型的元器件有不同的控制要求,在下厂监制和验收、到货检验时应采用不同的处理方法和程序。因此,应将元器件进行分类,规定各类元器件的监制方式、特殊试验要求和验收办法,并明确相应的程序和执行单位或部门。
  3. 破坏性物理分析
    元器件的破坏性物理分析(DPA)主要目的是防止有明显或潜在缺陷的元器件装机使用。除用于元器件的质量鉴定外,在航天产品中,DPA 还用于元器件的验收、装机前的质量复查、超期复验以及失效分析。在一般产品上,DPA 通常用于已装机元器件的质量验证。在航天产品中,DPA 必须在元器件装机前完成,因此需要明确航天产品用元器件进行 DPA 的时机、试验项目、实施机构、数据记录要求和结果处理方法。
  4. 元器件的失效分析方法
    元器件失效分析的主要任务是对失效的元器件进行必要的电、物理、化学检测,并结合元器件失效前后的具体情况及有关技术文件进行分析,以确定元器件的失效模式、失效机理和造成失效的原因。通过失效分析,可以发现失效元器件的固有质量问题或因不按规定条件使用而导致的使用质量问题,并促使责任方采取纠正措施,提高元器件的固有质量或使用质量。

相对而言,确定失效模式较为简单,而确定失效机理则难度较大,分析人员需要掌握元器件的设计、工艺和相关的理化知识,并具备一定的实践经验,同时还需要使用较复杂的仪器和设备。在明确失效机理后,还必须找出失效原因,以避免重复失效,提高元器件的可靠性。但由于确定失效原因往往涉及失效现场和责任人等具体情况,因此具有相当大的难度。


为此,首先要确定进行失效分析的单位,规定提交失效分析的程序和失效信息,以及产品研制各阶段失效元器件的失效信息记录要求等。然后,根据失效分析的结论,对引起失效的原因进行归零处理。如果是设计缺陷,应与生产厂家共同找出问题并进行改进;如果是操作失误,必须严格操作规范,避免人为失误。
5. 元器件质量信息的管理
在元器件的选用、采购、监制和验收、筛选和复验以及失效分析等质量保证环节中,会产生大量的元器件质量信息,如选用目录外元器件的规格、型号、生产厂商、质量等级以及在航天产品上的使用情况;国内新品器件的研制厂家及使用情况;进口器件的质量保证情况;元器件失效分析和处理情况等。

关键词:电子元器件

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