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质量与可靠性学堂


你在电子工业中,“三防”设计是指防潮湿、防盐雾、防霉菌设计。我国幅员辽阔,电子产品使用环境极其复杂,尤其是在沿海地带的户外使用的电子产品,必须具备完善的“三防”设计才能保证其正常工作。“三防”设计是电子产品在各种不同的环境中正常运行的重要保证,产品开发研制时即应从电路设计、材料应用、结构设计和工艺技术等诸方面进行系统性的“三防”设计。
在电气化应用日益广泛的现代社会里,电子工业的蓬勃发展是一个必然的趋势。“三防”设计的完善在电子产品的整个系统中显得特别重要。
    任何电子产品都是在一定的环境下工作的,而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度,引起漏电、短路,从而导致电子故障和事故。因此,必须采取防止或减少环境条件对电子产品可靠性的不利影响,以保证电子产品工作中的各项性能,增加产品在恶劣环境中运行的可靠性。
在绝大部分电子产品的整机设计中,“三防”设计都是非常关键的。本文综合的分析了“三防”问题的产生的机理和实际“三防”设计中的注意事项。
 
 “三防”问题产生的机理

    1、潮湿
    当空气相对湿度大于80%时,电子产品中的有机和无机材料构件由于受潮将增加重量、膨胀、变形,金属结构件腐蚀也会加速。如果绝缘材料选用及工艺处理不当,则绝缘电阻会迅速下降,以致绝缘被击穿。为保证电子产品的可靠性,防潮湿设计显得特别重要。

    2、盐雾
    盐雾指悬浮在大气中的气溶液状的Na2O粒子。它的形成主要是因为风引起海面扰动和涨、落潮时,海水相互间的冲击和海浪拍击海岸,致使很多海浪粒子拖入空中,水分发蒸后,留下一些极小的盐粒,在大气团的平流和紊流交换作用下,这些盐粒在空气中散开来,并随风流动形成沿海地区盐雾。盐雾与潮湿空气结合时,其中所含的直径很小的氯离子对金属保护膜有穿透作用。盐和水结合能使材料导电,故可使绝缘电阻降低,引起金属电蚀、化学腐蚀加速,使金属件与电镀件受到破坏。在盐雾环境中,各类端子搭接处腐蚀较为明显:铜-铜接头腐蚀比较轻;铝-铝接头的腐蚀就很严重;铜-铝接头处则明显可看出,铝接头侧通常会白色斑斑,并有烧伤的痕迹。如果不加以预防,会造成空气开关,隔离开关、接触器,变压器等设备的正常工作。

    3、霉菌
    霉菌在一定温度、湿度(一般温度在25℃~35℃,相对湿度在80%以上)的环境条件,繁殖生长迅速,其分泌物形成的斑点影响产品外观。这些分泌物所含的弱酸会使电工仪表的金属细线腐蚀断裂,损坏电路功能。尤其在光学检测相关的仪器上长霉,会使玻璃的反射和透光性能明显下降,破坏光学性能。
    霉菌在新陈代谢中能分泌出大量的酵素和有机酸,对材料进行分解反应或老化.影响材料的机械性能和外观。特别是不抗霉菌的材料最容易被霉菌分解,并作为它的食物而直接被破坏,导致材料物理性能的明显恶化。在绝缘材料上生长的霉菌丝含有水分,水具有导电性,因而影响电子产品及材料的电气性能。有时菌丝层会越过绝缘材料形成电气回路,使绝缘材料的绝缘电阻明显降低.通电时容易造成短路,烧坏仪器。菌丝还可能改变有效电容.而使设备的谐振电路不协调。这可能给某些电气设备造成严重故障。菌丝还可能改变有效电容,而使设备的谐振电路不协调。这可能给某些电气产品造成严重故障。
    电子产品内部的元器件材质一般分为金属与非金属。金属在水、盐雾、霉菌的环境中会加快氧化腐蚀;非金属在太阳光、氧、盐雾以及粉尘中也会加快腐蚀。因此,必须采取防止发生氧化反应的措施,防止环境因素对电气产品因机械性能的变化导致电性能发生变化并对其造成破坏。“三防”设计就是调查产品在贮存、运输和工作过程中可能遇到潮湿、盐雾、霉菌等环境影响因素,以便研究对策,采取有效措施,设计和制造耐环境的电气产品,提高产品的可靠性,这也是“三防”设计基本出发点。
 
关于“三防”设计的具体考虑

 1 防潮湿设计
    (1)采用喷涂、浸渍、灌封、憎水等工艺对重要器件进行防水处理。
    (2) 采用吸湿性较低的电子元器件和结构材料。
    (3)对局部防潮要求高的器件采用密封结构。
    (4) 改善整机使用环境,如采用空调、安装加热去湿装置等。
    (5) 对电子线路板表面浸涂丙稀酸膜层保护剂或硅酮树脂膜层保护剂,避免潮气的侵入。
   (6) 对不经常使用的设备,应在电气机柜内放置适量干燥剂,然后用防尘罩套好。

2 防霉设计
   (1) 控制环境条件来抑制霉菌生长,例如采用防潮、通风、降温等措施。在机体内部较关键的位置使用防霉涂层和封装防霉剂。经过完善的防霉处理的电气产品能够在平均温度为30℃(86℉)、湿度为80%的环境中持续三年抑制霉菌生长。
    (2) 采用抗霉材料,如皮革含有天然有机物,极易受霉菌侵蚀。而无机矿物材料,则不易长霉。
    (3) 防霉包装,对内装物进行防潮,以降低包装容器内的相对湿度,并对包装材料进行防霉处理等。

3 防盐雾设计
    (1)采用密封结构
    ① 电气产品尽可能安装在室内,对于室外的电气产品,外壳应采用热镀锌板和不锈钢板。
    ② 电气机柜达到IP54以上的防护标准,对于一些大功率的电气产品,可以采用水冷方式,避免因风道设计造成的防护等级降低的情况,使电气器件工作在一个密封的柜体中,减少盐雾的侵蚀。
    (2)采用盐雾能力强的材料和工艺
    ① 紧固件及其它配件,采用不锈钢材质。
    ② 在电气设备安装时,可在导电端子搭接处接触面涂敷导电膏,这样可以有效的抗盐雾腐蚀。
    ③ 用硅胶绝缘子取代瓷绝缘子。在强电场作用下,瓷绝缘子上的沉积物被电离,形成导电性薄膜,产生电晕放电,使瓷绝缘子表面温度产生不均匀升高,从而导致绝缘子爆裂。而硅胶绝缘子具有体积小、重量轻、耐污性能好;不需零值测量;所需的爬距比瓷和玻璃绝缘子所需爬距平均少30%。
    ④ 关键的金属结构件,全部采用热镀锌板或不锈钢板,增强防盐雾腐蚀能力,提高机械使用寿命。
     随着我国电气行业研制技术日趋成熟,各种电气产品其使用地域不断扩展,使用条件越加恶劣。相应的对电气产品环境适应性的考核更加全面和严格,防潮湿、防盐雾、防霉菌试验已经成为考核其环境适应性不可缺少的重要试验。深入了解自然界的“潮湿、盐雾、霉菌”现象,分析它们试验机理,对比现有电气产品试验的结果,可对电气的“三防”设计提供指导。
为了提高电气产品的“三防”设计的可靠性,必须在方案论证与确定及设计阶段就考虑产品的环境防护。环境防护的第一步是确定产品的工作环境,第二步是确定在这种环境条件下所用的元器件及材料的性能。若是这种性能不能满足产品可靠性要求或处于临界状态量,就要采取环境防护措施,并且选择耐环境的元器件和材料等。
通过以上分析可知,“三防”的重要性显得十分突出。我们所要做的就是将电气产品完善的“三防”设计在我们平时的电气设计和机械结构设计中得以体现。
   我们设计的一款户外型太阳能控制器就充分考虑到“三防”设计的要求。    对其进行“三防”处理的具体内容包括:(a)对于箱体表面采用酸洗磷化处理后进行静电喷涂一层致密的塑粉层,经高温固化后可有效地对箱体表面进行防护;(b)门锁采用不锈钢材质;(c)盖板和箱体之间采用自夹紧橡胶密封圈;(d)内部的控制线路板喷“三防漆”;(e)进、出线采用防水端子密封等。
 
关于电子结构三防的技术措施  

1 材料防护
材料防护主要是指正确、合理地选取材料,并通过对材料(包括金属材料和非金属材料)辅以一定的工艺处理措施,以进一步提高材料的耐环境变化能力。根据电子产品的实际使用环境分类及三防等级要求,选择适当的材料来制造零部件。选取材料是三防设计的第一步,也是关键的一步。
恶劣环境中工作的电子产品,面临着盐雾、锈蚀、霉菌、老化等各种环境问题,为了使电子产品能够适应各种恶劣环境,应尽量选用耐腐蚀性好的金属材料和不长霉菌、耐老化的非金属材料。耐腐蚀性好的金属材料主要有,铝合金、奥氏体型不锈钢、钛合金、金、镍等,考虑到经济因素,通常选用铝合金、不锈钢、钛合金等再涂覆金属层或非金属层。
   选用材料时,应了解材料的相容性问题,掌握材料的腐蚀机理、破坏肜式等。以保证结构设计时能避免某些危险性大的腐蚀形式,防止不同材料彼此相互作用、相互影响而引起腐蚀、老化等。因而根据材料的相容性合理地选择镀层以及不同类型金属的合理选用是极为重要的。两种材料的电位差越大腐蚀越严重。设计中,在同一种结构中尽量选用同一种金属材料,或者应选用电极电位相近的材料,而且两种材料的电位差应小于0.25 V,否则在结构上要采取相应的防护措施,如表1中列出了常见可以相容(接触)的一般材料。 
当下,军用电子产品正朝着轻小型机动方向发展,产品中许多零部件都将采用工程塑料制成,再要注意材料的霉菌和老化问题。选用环境适应性较好的工程塑料,如聚碳酸酯、ABS、有机玻璃等。
 
2 结构防护
结构防护与材料防护同样重要,在现实环境中,大多数的问题都能通过适当的结构设计(结构防护)来避免。设计中,对局部部件或整机采取密封或半密封措施,将设备(或部件)与外界环境相隔离。各种箱体全部用铝合金焊成一整体,机箱侧板与箱体的连接处均加有导电橡胶制成的密封圈,机箱的外表面防护涂覆。为了避免由于机械应力、热应力、积水或杂质等引起的腐蚀,在结构设计中还应采取以下措施:
(1)避免积水结构。产品的外型恰当地倾斜,尽量减少孔、槽等,在可能积水和留存湿气的空间开设排水和排气孔,并避免凹凸不平的表面等。
(2)湿度较大的气候环境下,尽量避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式,优先选用板金结构或整体浇铸机箱的结构形式,以避免形成缝隙腐蚀,同时在能形成缝隙腐蚀处加以密封处理或加密封衬垫。
(3)同一种结构中,如使用了不同类型的金属,则应在其中一种金属上镀涂上允许与第二种金属相接触的金属镀层,或两种金属材料均镀上同一种金属镀层,或在两种金属之间涂绝缘保护层或放置衬垫,此时应兼顾设备的电磁兼容性要求。
(4)在有可能产生应力腐蚀裂开的情况下,应注意避免引起应力集中的结构形式,并采取适当的工艺措施消除内应力。
(5)最容易发生腐蚀和最大腐蚀部位加厚构件尺寸,通常称为“腐蚀裕度”,一般取预期寿命所需量的两倍。对于易受腐蚀损坏而必须经常维护和更换的零件,应从结构上保证易于维修、更换。

3 工艺防护
除了从材料防护和结构防护两方面采取措施外.还应采取工艺防护措施,以进一步提高产品的三防能力。工艺防护我们通常采用的方法是表面化学覆盖层及金属和非金属覆盖层。按产品工作时所处的环境,我们将结构件分为I型结构件和Ⅱ型结构件两大类。I型结构件表面在产品处于工作或行径状态时,其表面直接暴露在自然环境中或受自然环境冈素直接作用。Ⅱ型结构件表面存产品处于工作或行径状态时,其表面不直接暴露在自然环境中。对于两种不同类型的构件表面应采取不同的工艺防护措施。
     (1)化学覆盖层
用电化学或化学的方法使结构件表面生产某种化合物而形成覆盖层,以达到抗环境因素影响的目的。常用的方法有氧化、钝化、磷化、阳极氧化等。化学覆盖层对I型和Ⅱ型表面都适用。
有色金属及其合金通常采取化学氧化或阳极氧化处理来达到防护的目的。阳极氧化膜具有多孔性和绝缘性,有较强的吸附能力,可作为油漆的底层,涂漆后,可大大提高其耐腐蚀性。化学氧化膜除了具有较强的耐腐蚀性和吸附能力外,还能导电,所以经常用于需要释放静电器件的表面处理。黑色金属通常采用氧化和磷化处理。
(2)金属和非金属覆盖层
金属覆盖层主要是通过电镀、化学镀、热浸镀、热喷镀等方法获得。就是在耐环境能力差的结构件表面覆盖一层耐环境能力较强的金属涂层,以提高整个构件的三防能力。金属覆盖层对I型和Ⅱ型表面都适用。常用的金属镀层有锌、镍、铜、铬、金等。选择镀层时,应根据产品所要使用的环境要求,同时兼顾基体材料的特性以及材料的相容性要求。
非金属覆盖层有油漆涂覆层和塑料涂覆层。油漆涂覆层在非金属覆盖层中应用的最为普遍,它具有一定的流动性,能够在物体表面形成一层连续薄膜,因而具有较好的防护作用。塑料涂覆层是采用环氧和聚乙烯等耐环境性能优良的树脂涂覆于被保护物表面。非金属覆盖层通常针对I型表面。
三防漆的种类很多,性能各异,漆种的选用应根据油漆的性能、适用范围以及产品的外形要求和实际使用环境而定。对于产品表面通常采用丙烯酸漆和聚氨脂漆,这两种漆色择优、保光、保色性、耐水、耐磨性好,具有突出的抗大气腐蚀性和三防性能,且耐热性较高,附着力强。
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