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浅谈环境试验中湿度的影响机理
2021-12-31 21:53:48· 来源：汽车测试网
Part1: 湿度的影响机理在汽车电子零部件的DVP中经常会要求做一些带湿度的环境试验，以模拟在高湿的环境条件下验证产品的电子电气可靠性水平。试验这门学科本身涉
Part1: 湿度的影响机理
在汽车电子零部件的DVP中经常会要求做一些带湿度的环境试验，以模拟在高湿的环境条件下验证产品的电子电气可靠性水平。试验这门学科本身涉及的知识点非常广泛，想玩转试验其实也没有那么容易，这是一门综合的学科和技术，需要持之以恒的学习和实践！下面我们就一起探讨以下关于湿度试验的基本失效机理和影响。
总体来说，环境试验中的湿度现象主要表现在以下五个方面：
【吸附现象】：
气体分子在空间运动时可能碰撞固体物质的表面，当一定数量的气体分子停留在固体物质表面上的浓度高于它在气相中的浓度就会产生凝结。这种气体在固体表面上的停留的现象称之为吸附。试验结果表明，气体吸附量与固体物质的性质、温度及平衡时的气体的压力三者有关。温度越低，压力越高，吸附量就越大。
【凝露现象】：
凝露就是水分子在被试验样品上吸附的一种现象，但它是在试验温度变化时才会产生。在温度上升时，被试验样品表面温度低于周围空气露点温度时，水蒸气变回在被试验样品表面凝结成液体形成水珠。在交变湿热试验温度上升阶段，由于被试验样品的热惯性，所以它的温度上升会滞后于试验箱内的空气温度。由此就会在被试验样品表面产生凝露现象。这种表面凝露量的多少取决于被试验样品的热容量的大小以及空气温度上升的速度和温度上升时的相对湿度。在温湿度试验的降温阶段，封闭外壳的内壁比内部空气的温度下降更快，这时也会出现凝露现象。
而露点温度与环境温度的温差与相对湿度有关，其规律是：
①相对湿度为90%RH，其温差变化范围为1.5~2℃；
②相对湿度为85%RH，其温差变化范围为2.5~3℃；
③相对湿度为80%RH，其温差变化范围为3.5~4℃；
④相对湿度为70%RH，其温差变化范围为5.5~6℃。
这个规律说明，相对湿度越大，产生凝露的温差范围越小。
【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向浓度小的地方迁移。温湿度试验中水蒸气向浓度较低的内部扩散的速度与水蒸气浓度梯度、材料的活化能和温度有关。
【吸收现象】：
吸收是指水蒸气与空气混合后通过材料的间隙进入材料内部，它可以由扩散、渗透或毛细凝结三种物理过程综合形成。扩散和渗透除了与试验条件中的湿度和温度有关外，还与材料的扩散或渗透系数有关，这也就是说与被试验样品的材料特性有关。毛细管凝结现象是有毛细管内水分的表面张力造成。当水分吸附在设备试验样品表面微小毛细管上时，若水分与毛细管润湿得很好，则其页面将形成凹形，这时睡眠表面张力的作用，使凹面上的饱和蒸汽压力比周五水汽压低。因此，在周围水汽尚未饱和时，孔隙内弯月面就有可能达到饱和水汽压，使水汽在孔隙内凝结起来。不断的凝结会使蒸汽吸入毛细管深处。这种现象造成的吸收与毛细管的大小形状有关，另外也与被试验样品的材质有关。
其中吸收和扩散作用：水分子可以通过固体材料分子间的间隙扩散到材料内部，遵循Fick和Non-Fickian定律。
【呼吸作用】：
对于不完全密封的封闭外壳的产品，若内部有较大容积的空腔，当试验温度变化时，空腔内的空气压力随之变化。由于这种压力的变化引起空腔内外空气的流动称之为呼吸作用。在温度上升阶段这周呼吸作用是由空腔向外流，而在降温阶段这种呼吸作用是想空腔内流动。当内腔与外界空气产生流动时也会带来内腔湿度的变化。
水汽侵入产品主要有2条路径：
①通过吸附在产品内外表面形成凝露；
②通过扩散进入材料内部。
值得注意的是：上述的物理现象，在温湿度试验中通常会是多个同时作用，只是某些时候会是某一现象来主导。如温度上升时凝露是造成被试验样品表面吸潮的主要原因；高温阶段的扩散和吸收是造成被试验样品吸潮的主要原因；而在降温阶段呼吸作用会使得潮气渗入空腔内部。
通常这些湿度和温度相互耦合，会导致的产品失效表现的模式有：
a)、加速金属表面的氧化和电蚀作用;
b)、加速表面有机涂层电化学反应, 破坏表面涂层的保护作用;
c)、由于材料的吸附作用导至材料膨胀, 从而引发结构的损伤;
d)、由于吸湿、吸附等物理现象的影响, 会引起电气绝缘性能降)低;
e)、由于凝露和游离的水汽, 会导至电气短路, 热传递特性变差, 光学器件成像与传输质量变坏。
据统计，电子产品故障中由受潮引起的故障占各环境因素引起故障的19%。
Part2: 不同类型的湿度试验对比
湿度试验在不同的OEM企业标准和国际国家标准中大体可以分为两类：恒定湿热和交变湿热。比如说：GB/T 2423.3 实验Cab：恒定湿热实验；GB/T2423.4 实验Db：交变湿热（12h+12h循环）。IEC 60068-2-78是稳态湿热；IEC 60068-2-30是交变湿热…..
对于这两种试验的主要区别有以下两点：
1、实验过程中有无凝露的产生
恒定湿热实验过程中要求不能有凝露产生，实验主要依靠水汽的扩散、吸附作用，引起材料特性变化、产品的机械性能和电性能变化，达到识别产品缺陷的目的。
交变湿热实验过程中依靠温度的变化，形成呼吸作用，在产品内外表面形成凝露，使产品吸水引起材料特性变化、产品的机械性能和电性能变化，而且凝露会引起电化学反应，加速腐蚀过程，甚至会引起产品短路。
2、产品内部湿度的变化差异
恒定湿热是恒温恒湿的环境，设备受潮主要由水汽的吸附、扩散引起。
根据塑封器件的吸湿测试，可以得到如下结论：①外界环境相对湿度越大，塑封材料达到湿度饱和时水汽含量越高；②塑封材料中水汽达到饱和的时间与湿度关系不大，一般贮存300h后水汽可达到饱和。
交变湿热是变温环境，设备受潮除了受水汽的吸附、扩散影响外，凝露是一个非常重要的影响因素。
所以：
如果失效原因是由水汽扩散引起的，比如高分子材料性能变化，优先选择恒定湿热实验；如果失效原因是由凝露引起的，比如金属腐蚀或相邻器件短路，优先选择交变湿热实验。在失效分析的过程中，也要注意是哪一种湿热试验，其导致失效的主要影响机理侧重点不同！
在产品设计过程中，为了避免湿气对产品的侵蚀，可以考虑一些设计方法和方式：
1. 产品采用密封设计，防止湿气进入产品内部。在密封之前将产品内部清洁干净，并且将密封腔内的湿度尽可能降低，以避免低温时在内部产生凝露。如果有条件，可以采用抽真空、充惰性气体或干燥空气的办法；
2. 大体积产品采用通风、排水等措施消除湿气，必要时可采用加热或除湿机来消除湿气；
3. 表面涂三防漆来隔绝湿气，或者产品内部通过灌胶等方式来隔绝湿气；
4. 产品表面涂防露涂层，避免产生凝露；
5. 通过增加调湿板、吸潮剂等装置来调节腔体内的湿度；
6. 产品采用保温隔热设计，保证腔体内部的温度稳定；
7. 对电子元器件趋于进行coating处理等等。
其次在做不同类型的湿度试验时，通常以下这些方面和细节是需要被关注的：
1. 试验用水电导率的要求，保证试验用水的纯净度；
2. 试验箱内部的清洁；
3. 湿度纱布的及时更换；
4. 恒定湿热关注湿度和温度的相对稳定；
5. 样件之间，样件和箱壁之间的间距要求等。
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