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質量與可靠性學堂


你在電子工業中,“三防”設計是指防潮濕、防鹽霧、防霉菌設計。我國幅員遼闊,電子產品使用環境極其復雜,尤其是在沿海地帶的戶外使用的電子產品,必須具備完善的“三防”設計才能保證其正常工作。“三防”設計是電子產品在各種不同的環境中正常運行的重要保證,產品開發研制時即應從電路設計、材料應用、結構設計和工藝技術等諸方面進行系統性的“三防”設計。
在電氣化應用日益廣泛的現代社會里,電子工業的蓬勃發展是一個必然的趨勢。“三防”設計的完善在電子產品的整個系統中顯得特別重要。
    任何電子產品都是在一定的環境下工作的,而潮濕、鹽霧和霉菌會降低材料的絕緣強度,引起漏電、短路,從而導致電子故障和事故。因此,必須采取防止或減少環境條件對電子產品可靠性的不利影響,以保證電子產品工作中的各項性能,增加產品在惡劣環境中運行的可靠性。
在絕大部分電子產品的整機設計中,“三防”設計都是非常關鍵的。本文綜合的分析了“三防”問題的產生的機理和實際“三防”設計中的注意事項。
 
 “三防”問題產生的機理

    1、潮濕
    當空氣相對濕度大于80%時,電子產品中的有機和無機材料構件由于受潮將增加重量、膨脹、變形,金屬結構件腐蝕也會加速。如果絕緣材料選用及工藝處理不當,則絕緣電阻會迅速下降,以致絕緣被擊穿。為保證電子產品的可靠性,防潮濕設計顯得特別重要。

    2、鹽霧
    鹽霧指懸浮在大氣中的氣溶液狀的Na2O粒子。它的形成主要是因為風引起海面擾動和漲、落潮時,海水相互間的沖擊和海浪拍擊海岸,致使很多海浪粒子拖入空中,水分發蒸后,留下一些極小的鹽粒,在大氣團的平流和紊流交換作用下,這些鹽粒在空氣中散開來,并隨風流動形成沿海地區鹽霧。鹽霧與潮濕空氣結合時,其中所含的直徑很小的氯離子對金屬保護膜有穿透作用。鹽和水結合能使材料導電,故可使絕緣電阻降低,引起金屬電蝕、化學腐蝕加速,使金屬件與電鍍件受到破壞。在鹽霧環境中,各類端子搭接處腐蝕較為明顯:銅-銅接頭腐蝕比較輕;鋁-鋁接頭的腐蝕就很嚴重;銅-鋁接頭處則明顯可看出,鋁接頭側通常會白色斑斑,并有燒傷的痕跡。如果不加以預防,會造成空氣開關,隔離開關、接觸器,變壓器等設備的正常工作。

    3、霉菌
    霉菌在一定溫度、濕度(一般溫度在25℃~35℃,相對濕度在80%以上)的環境條件,繁殖生長迅速,其分泌物形成的斑點影響產品外觀。這些分泌物所含的弱酸會使電工儀表的金屬細線腐蝕斷裂,損壞電路功能。尤其在光學檢測相關的儀器上長霉,會使玻璃的反射和透光性能明顯下降,破壞光學性能。
    霉菌在新陳代謝中能分泌出大量的酵素和有機酸,對材料進行分解反應或老化.影響材料的機械性能和外觀。特別是不抗霉菌的材料最容易被霉菌分解,并作為它的食物而直接被破壞,導致材料物理性能的明顯惡化。在絕緣材料上生長的霉菌絲含有水分,水具有導電性,因而影響電子產品及材料的電氣性能。有時菌絲層會越過絕緣材料形成電氣回路,使絕緣材料的絕緣電阻明顯降低.通電時容易造成短路,燒壞儀器。菌絲還可能改變有效電容.而使設備的諧振電路不協調。這可能給某些電氣設備造成嚴重故障。菌絲還可能改變有效電容,而使設備的諧振電路不協調。這可能給某些電氣產品造成嚴重故障。
    電子產品內部的元器件材質一般分為金屬與非金屬。金屬在水、鹽霧、霉菌的環境中會加快氧化腐蝕;非金屬在太陽光、氧、鹽霧以及粉塵中也會加快腐蝕。因此,必須采取防止發生氧化反應的措施,防止環境因素對電氣產品因機械性能的變化導致電性能發生變化并對其造成破壞。“三防”設計就是調查產品在貯存、運輸和工作過程中可能遇到潮濕、鹽霧、霉菌等環境影響因素,以便研究對策,采取有效措施,設計和制造耐環境的電氣產品,提高產品的可靠性,這也是“三防”設計基本出發點。
 
關于“三防”設計的具體考慮

 1 防潮濕設計
    (1)采用噴涂、浸漬、灌封、憎水等工藝對重要器件進行防水處理。
    (2) 采用吸濕性較低的電子元器件和結構材料。
    (3)對局部防潮要求高的器件采用密封結構。
    (4) 改善整機使用環境,如采用空調、安裝加熱去濕裝置等。
    (5) 對電子線路板表面浸涂丙稀酸膜層保護劑或硅酮樹脂膜層保護劑,避免潮氣的侵入。
   (6) 對不經常使用的設備,應在電氣機柜內放置適量干燥劑,然后用防塵罩套好。

2 防霉設計
   (1) 控制環境條件來抑制霉菌生長,例如采用防潮、通風、降溫等措施。在機體內部較關鍵的位置使用防霉涂層和封裝防霉劑。經過完善的防霉處理的電氣產品能夠在平均溫度為30℃(86℉)、濕度為80%的環境中持續三年抑制霉菌生長。
    (2) 采用抗霉材料,如皮革含有天然有機物,極易受霉菌侵蝕。而無機礦物材料,則不易長霉。
    (3) 防霉包裝,對內裝物進行防潮,以降低包裝容器內的相對濕度,并對包裝材料進行防霉處理等。

3 防鹽霧設計
    (1)采用密封結構
    ① 電氣產品盡可能安裝在室內,對于室外的電氣產品,外殼應采用熱鍍鋅板和不銹鋼板。
    ② 電氣機柜達到IP54以上的防護標準,對于一些大功率的電氣產品,可以采用水冷方式,避免因風道設計造成的防護等級降低的情況,使電氣器件工作在一個密封的柜體中,減少鹽霧的侵蝕。
    (2)采用鹽霧能力強的材料和工藝
    ① 緊固件及其它配件,采用不銹鋼材質。
    ② 在電氣設備安裝時,可在導電端子搭接處接觸面涂敷導電膏,這樣可以有效的抗鹽霧腐蝕。
    ③ 用硅膠絕緣子取代瓷絕緣子。在強電場作用下,瓷絕緣子上的沉積物被電離,形成導電性薄膜,產生電暈放電,使瓷絕緣子表面溫度產生不均勻升高,從而導致絕緣子爆裂。而硅膠絕緣子具有體積小、重量輕、耐污性能好;不需零值測量;所需的爬距比瓷和玻璃絕緣子所需爬距平均少30%。
    ④ 關鍵的金屬結構件,全部采用熱鍍鋅板或不銹鋼板,增強防鹽霧腐蝕能力,提高機械使用壽命。
     隨著我國電氣行業研制技術日趨成熟,各種電氣產品其使用地域不斷擴展,使用條件越加惡劣。相應的對電氣產品環境適應性的考核更加全面和嚴格,防潮濕、防鹽霧、防霉菌試驗已經成為考核其環境適應性不可缺少的重要試驗。深入了解自然界的“潮濕、鹽霧、霉菌”現象,分析它們試驗機理,對比現有電氣產品試驗的結果,可對電氣的“三防”設計提供指導。
為了提高電氣產品的“三防”設計的可靠性,必須在方案論證與確定及設計階段就考慮產品的環境防護。環境防護的第一步是確定產品的工作環境,第二步是確定在這種環境條件下所用的元器件及材料的性能。若是這種性能不能滿足產品可靠性要求或處于臨界狀態量,就要采取環境防護措施,并且選擇耐環境的元器件和材料等。
通過以上分析可知,“三防”的重要性顯得十分突出。我們所要做的就是將電氣產品完善的“三防”設計在我們平時的電氣設計和機械結構設計中得以體現。
   我們設計的一款戶外型太陽能控制器就充分考慮到“三防”設計的要求。    對其進行“三防”處理的具體內容包括:(a)對于箱體表面采用酸洗磷化處理后進行靜電噴涂一層致密的塑粉層,經高溫固化后可有效地對箱體表面進行防護;(b)門鎖采用不銹鋼材質;(c)蓋板和箱體之間采用自夾緊橡膠密封圈;(d)內部的控制線路板噴“三防漆”;(e)進、出線采用防水端子密封等。
 
關于電子結構三防的技術措施  

1 材料防護
材料防護主要是指正確、合理地選取材料,并通過對材料(包括金屬材料和非金屬材料)輔以一定的工藝處理措施,以進一步提高材料的耐環境變化能力。根據電子產品的實際使用環境分類及三防等級要求,選擇適當的材料來制造零部件。選取材料是三防設計的第一步,也是關鍵的一步。
惡劣環境中工作的電子產品,面臨著鹽霧、銹蝕、霉菌、老化等各種環境問題,為了使電子產品能夠適應各種惡劣環境,應盡量選用耐腐蝕性好的金屬材料和不長霉菌、耐老化的非金屬材料。耐腐蝕性好的金屬材料主要有,鋁合金、奧氏體型不銹鋼、鈦合金、金、鎳等,考慮到經濟因素,通常選用鋁合金、不銹鋼、鈦合金等再涂覆金屬層或非金屬層。
   選用材料時,應了解材料的相容性問題,掌握材料的腐蝕機理、破壞肜式等。以保證結構設計時能避免某些危險性大的腐蝕形式,防止不同材料彼此相互作用、相互影響而引起腐蝕、老化等。因而根據材料的相容性合理地選擇鍍層以及不同類型金屬的合理選用是極為重要的。兩種材料的電位差越大腐蝕越嚴重。設計中,在同一種結構中盡量選用同一種金屬材料,或者應選用電極電位相近的材料,而且兩種材料的電位差應小于0.25 V,否則在結構上要采取相應的防護措施,如表1中列出了常見可以相容(接觸)的一般材料。 
當下,軍用電子產品正朝著輕小型機動方向發展,產品中許多零部件都將采用工程塑料制成,再要注意材料的霉菌和老化問題。選用環境適應性較好的工程塑料,如聚碳酸酯、ABS、有機玻璃等。
 
2 結構防護
結構防護與材料防護同樣重要,在現實環境中,大多數的問題都能通過適當的結構設計(結構防護)來避免。設計中,對局部部件或整機采取密封或半密封措施,將設備(或部件)與外界環境相隔離。各種箱體全部用鋁合金焊成一整體,機箱側板與箱體的連接處均加有導電橡膠制成的密封圈,機箱的外表面防護涂覆。為了避免由于機械應力、熱應力、積水或雜質等引起的腐蝕,在結構設計中還應采取以下措施:
(1)避免積水結構。產品的外型恰當地傾斜,盡量減少孔、槽等,在可能積水和留存濕氣的空間開設排水和排氣孔,并避免凹凸不平的表面等。
(2)濕度較大的氣候環境下,盡量避免采用點焊、鉚接、螺紋緊固等結構形式,優先選用板金結構或整體澆鑄機箱的結構形式,以避免形成縫隙腐蝕,同時在能形成縫隙腐蝕處加以密封處理或加密封襯墊。
(3)同一種結構中,如使用了不同類型的金屬,則應在其中一種金屬上鍍涂上允許與第二種金屬相接觸的金屬鍍層,或兩種金屬材料均鍍上同一種金屬鍍層,或在兩種金屬之間涂絕緣保護層或放置襯墊,此時應兼顧設備的電磁兼容性要求。
(4)在有可能產生應力腐蝕裂開的情況下,應注意避免引起應力集中的結構形式,并采取適當的工藝措施消除內應力。
(5)最容易發生腐蝕和最大腐蝕部位加厚構件尺寸,通常稱為“腐蝕裕度”,一般取預期壽命所需量的兩倍。對于易受腐蝕損壞而必須經常維護和更換的零件,應從結構上保證易于維修、更換。

3 工藝防護
除了從材料防護和結構防護兩方面采取措施外.還應采取工藝防護措施,以進一步提高產品的三防能力。工藝防護我們通常采用的方法是表面化學覆蓋層及金屬和非金屬覆蓋層。按產品工作時所處的環境,我們將結構件分為I型結構件和Ⅱ型結構件兩大類。I型結構件表面在產品處于工作或行徑狀態時,其表面直接暴露在自然環境中或受自然環境岡素直接作用。Ⅱ型結構件表面存產品處于工作或行徑狀態時,其表面不直接暴露在自然環境中。對于兩種不同類型的構件表面應采取不同的工藝防護措施。
     (1)化學覆蓋層
用電化學或化學的方法使結構件表面生產某種化合物而形成覆蓋層,以達到抗環境因素影響的目的。常用的方法有氧化、鈍化、磷化、陽極氧化等。化學覆蓋層對I型和Ⅱ型表面都適用。
有色金屬及其合金通常采取化學氧化或陽極氧化處理來達到防護的目的。陽極氧化膜具有多孔性和絕緣性,有較強的吸附能力,可作為油漆的底層,涂漆后,可大大提高其耐腐蝕性。化學氧化膜除了具有較強的耐腐蝕性和吸附能力外,還能導電,所以經常用于需要釋放靜電器件的表面處理。黑色金屬通常采用氧化和磷化處理。
(2)金屬和非金屬覆蓋層
金屬覆蓋層主要是通過電鍍、化學鍍、熱浸鍍、熱噴鍍等方法獲得。就是在耐環境能力差的結構件表面覆蓋一層耐環境能力較強的金屬涂層,以提高整個構件的三防能力。金屬覆蓋層對I型和Ⅱ型表面都適用。常用的金屬鍍層有鋅、鎳、銅、鉻、金等。選擇鍍層時,應根據產品所要使用的環境要求,同時兼顧基體材料的特性以及材料的相容性要求。
非金屬覆蓋層有油漆涂覆層和塑料涂覆層。油漆涂覆層在非金屬覆蓋層中應用的最為普遍,它具有一定的流動性,能夠在物體表面形成一層連續薄膜,因而具有較好的防護作用。塑料涂覆層是采用環氧和聚乙烯等耐環境性能優良的樹脂涂覆于被保護物表面。非金屬覆蓋層通常針對I型表面。
三防漆的種類很多,性能各異,漆種的選用應根據油漆的性能、適用范圍以及產品的外形要求和實際使用環境而定。對于產品表面通常采用丙烯酸漆和聚氨脂漆,這兩種漆色擇優、保光、保色性、耐水、耐磨性好,具有突出的抗大氣腐蝕性和三防性能,且耐熱性較高,附著力強。
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