电子产品可靠性试验中冷浸及冷设计方法探讨

周敏，曾庆国，江丰，陈中文

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东　广州　510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东　广州　510610）



电子产品可靠性试验中冷浸及冷设计方法探讨

周敏1，2，3，曾庆国1，2，3，江丰1，2，3，陈中文1，2，3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东广州510610）

论述了如何在方案初期就正确地理解标准规定、产品特性和冷设计的要求，形成一个清晰的设计和试验理念，以便于制定出一个严酷程度正确、一致性好的可靠性试验中冷浸试验剖面的方法。概述了电子产品一般的冷设计方法，鉴于航天电子产品设计的先进性，列举了其冷设计的一个案例，该方法也适用于其他平台上的电子产品。

电子产品；可靠性；冷浸；冷设计

0　引言

冷浸是为了考核受试产品在经历了最严酷的冷运输条件和贮存条件后的性能，其普遍存在于车辆、船载、机载和航天等平台的电子产品可靠性试验中，是电子产品可靠性试验的重要和常见的组成部分。虽然这是一个常见的试验项目，但在制定试验剖面及准备试验时，仍会面临一些缺乏所要的参考信息的问题，例如：受试产品内部的温度在冷浸前的稳定时间、受试产品内部在冷浸后加电时的温度和冷凝程度等信息的缺乏，都会导致在进行试验的过程中，不知如何避免受试产品内部欠应力或过应力等问题。这些信息是产品设计的结果，准确地设计出并实测这些信息之所以很难，是因为很难在方案初期就开始对其加以重视。理解标准规定、产品的特性和冷设计的要求，把各个琐碎的细节分析透彻并贯穿起来，形成一个清晰的设计和试验理念，制定一个严酷程度正确、一致性好的冷浸试验剖面，这正是本文想要解决的问题。

本文论述了如下内容：1）冷浸阶段剖面的基本参数，试验前需要调查的产品内部温度与环境温度的跟随性曲线，以标准中船载电子产品可靠性试验冷浸剖面作为例子；2）车辆、船载和机载等平台上的电子产品可靠性试验冷浸阶段剖面的特点；3）试验前预处理方法；4）如何对试验箱进行控制，使它很好地运行出这些剖面；5）受试产品在可靠性试验冷浸前后的温度跟随性记录方法；6）冷浸阶段后的典型故障现象；7）电子产品一般冷设计方法，鉴于航天领域中电子产品设计的先进性，举出其冷设计方法的一个案例，该方法也适用于其他平台上的电子产品；8）对文章进行总结并给出了文中所论述的问题的结论。

1　可靠性试验标准中含冷浸阶段的标准试验剖面

国内外可靠性试验标准主要有GJB 899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》［1］、MIL-STD-781D《工程研制、鉴定和生产可靠性试验》和MIL-HDBK-781D［2］《工程研制、鉴定和生产可靠性试验方法、方案和环境》（后面的两个标准合在一起被统称为781D）。GJB 899A-2009和781D对船舱内外设备受试产品在冷浸期间是否通电的规定存在不同之处，781D规定受试产品在冷浸阶段通电；GJB 899A-2009则规定受试产品在冷浸阶段不通电，在冷浸结束后当环境温度升高到规定的工作温度后再加电，GJB 899A-2009给出的内部安装有温控设备的水面航船的可靠性试验-冷循环剖面如图1所示。

可靠性试验标准中规定冷浸阶段前实际上要经过降温段，冷浸结束后还会有个升温段。以下讨论都是基于受试产品在冷浸期间不通电，在冷浸结束后当环境温度升高到规定的工作温度后再加电的条件下展开的。因此，试验实施过程中存在3个重要参数：开始降温至冷浸正式开始的时间 （若不将这段时间放在试验剖面内，则最终的试验时间不能算作有效的试验时间）、冷浸时间长度和冷浸结束后温度上升段中的加电时间点。第1个和第3个参数需要根据电子产品的内部温度与环境温度的跟随性曲线来确定，由于通常不便将传感器放进产品内部，因而仅靠试验前测试是很难得到这些曲线的，应该在设计过程中就要调查清楚：1）受试产品的内部温度跟随环境温度从常温下降至冷浸温度的跟随曲线；2）受试产品的内部温度与环境温度从冷浸温度升至规定的工作温度的跟随性曲线；3）冷浸后，在船舱内环境温度上升的过程中，受试产品在加电时间点的内部温度。

图1　GJB 899A-2009中给出的内部安装有温控设备水面航船的可靠性试验-冷循环剖面

2　冷浸阶段试验剖面及冷设计所基于的特性调查

以某船用电子产品为调查对象，其内部结构如图2所示，选取其内部4个不同的位置，测量这些位置的温度随环境温度的变化情况，测得的结果如图3所示。

图2　某船用电子产品内部不同的安装位置示意图

图3　某船用电子产品内部不同位置的温度与环境温度的跟随性曲线

3　可靠性试验冷浸剖面特点及其影响分析

由图3可见，在降温期间开始冷浸的时间及升温期间加电的时间点不同，所产生的试验结果可能也会有很大的不同。提出可靠性试验的环境应力条件要求时，冷浸温度、冷工作温度、热浸温度和热工作温度等都应符合可靠性试验标准，而且要针对重要细节提出原则，例如：是否要求将受试产品的内部温度稳定到冷浸温度，否者，试验的严酷程度距离实际应力就会存在很大的距离。以下列举一些典型的情况进行说明。

3.1水面船载温控舱内电子产品可靠性试验冷浸剖面特点及其影响分析

在水面船载温控舱室内部安装设备的可靠性试验标准剖面中，1个循环的应力模仿的是1昼夜的气候缓慢变化过程，由于船载产品体积大、质量大，内部温度与试验箱内空气温度的跟随性很慢，从而导致了设备的降温及温度稳定时间很长，因此，运行试验剖面时，要考虑循环间的较长的过渡时间；冷浸后的剖面模拟了温控舱室内的温度在冷浸后的升温过程、湿度变化过程和振动环境应力。

冷浸阶段前的温度稳定时间、冷浸结束后的加电时间点和测试时间点是影响到这类电子产品的可靠性试验的严酷程度一致性的关键参数，分3种严酷程度：1）最严酷的是：试验箱降温前箱内湿度很高，冷浸前受试产品内部温度达到稳定，冷浸后升温段湿度高，升到剖面规定的温度 （例如：10℃）时立刻通电，此时，由于内部温度还处在工作温度之下，因而容易造成低温损伤，并且因电路上水汽凝露而使得爬电距离减小 （特别是对于非密封产品而言），试验设备即使试验中侥幸地启动成功，也可能在今后使用时因电路表面凝露出现而发生极间短路；2）试验前如果按统一规定的方法对受试产品进行预处理，并使受试产品的内部温度达到稳定，这种方法在实施上容易保持一致性，且能达到对产品内部材料施加冷浸应力的效果；3）最不严酷的是：试验箱降温前箱内湿度低于标准对预处理的要求，以每分钟低于5℃的速度降温，到达冷浸温度就开始冷浸，不要求冷浸前受试产品的内部温度达到稳定，升到规定温度后延时通电，以便等待受试产品的内部温度升上来。

因此，在剪裁上述可靠性试验冷浸的应力条件要求时，要保证试验在严酷程度上的一致性，要确定试验的严酷程度，除了明确冷浸温度和时间外，还应该明确以下3个内容：1）确定试验箱开始降温前，对受试产品进行预处理的方法；2）确定在进入每个冷浸试验循环剖面0 min之前，试验箱降温至冷浸温度的时间，受试产品的内部温度跟随试验箱内温度的下降而下降到冷浸起始温度的时间，期间受试产品不加电 （该过渡时间不记为有效时间）；3）冷浸后试验箱的空气温度升至10℃多长时间后，对受试产品进行加振、加电，以及有关湿度控制的要求。

3.2其他类型的电子产品可靠性试验冷浸剖面的特点及其影响分析

其他类型的电子产品的可靠性试验冷浸阶段剖面参数对试验严酷程度的影响与上述情况是类似的，只是许多电子产品，例如：地面固定设备、地面移动设备、直升机、登陆艇和内河航道小艇等，其可靠性试验剖面不分冷循环、常温循环或热循环，没有循环间过渡时间，但其可靠性试验剖面中的一个循环包含了所有由任务剖面剪裁的综合环境应力，且在循环中应力值是首尾相同的 （参见图2）。试验标准中的标准剖面里的冷浸段往往比实际发生的时间短，例如：剖面剪裁时有些系统 （例如：无人机）可能在一个时期封存不用，其试验剖面的冷浸时间会更长，例如：达到6 h以上。

4　可靠性试验中试验前预处理方法分析

试验前预处理方法和进入冷浸阶段前的温度稳定时间往往没有在试验大纲的试验剖面里注明，但是，这两个方面对试验的严酷程度的影响是很大的，严格来说，应该在产品设计方案初期就和试验大纲［3］一起被定下来，以便在设计的早期就做相应的考虑。至少要做到在试验前有规定可循，在试验记录中也应将此项内容清楚地记录下来，以保证试验的一致性和可追溯性。

受试产品预处理的目的是为了消除或部分消除试验样品过去所受的影响，并保持试验结果的一致性。在可靠性试验中，冷浸试验是第一个循环，冷浸试验前有必要对受试产品进行预处理。此外，一般还要在受试产品进箱前，把试验箱内的材料烘干。预处理可依据相关规定及具体情况来进行，GB/T 2421-2008 5.4.1给出了受控恢复条件，并注明控制的恢复条件也可用于预处理；GJB 150.4A［4］规定，低温试验前应使受试产品内部的温度在正常大气条件下达到稳定。湿热试验前使试验品在温度40～50℃的条件下干燥不少于2 h，或在温度25℃±5℃、相对湿度50%的条件下放置24 h。实际上，预处理的环境温度、湿度和时间规定得越具体，试验结果的一致性就会越好。

可靠性试验一般以冷浸阶段开始，所以一般预处理完成之后，试验箱的温度便开始下降，模拟海面或陆地上环境温度的缓慢变化，例如：昼夜变化，通常低于1℃/min。

5　可靠性试验冷浸阶段受试产品的温度跟随性记录方法分析

由以上讨论可知，受试产品内部在经历可靠性试验冷浸阶段前后的实际温度分布值，是制定试验剖面、进行可靠性试验和故障分析等工作的重要参考数据，可用来了解试验的严酷程度、对试验故障进行可追溯分析，还可进一步地据此对受试产品的冷却方式、结构工艺、低温工作的温度指标和预热电路等方面进行评估。

表面温度测试一般会采用细线热电偶 （例如：直径为0.1 mm）和耐高低温的胶布，应注意将细线热电偶接触点的一段 （例如：1～2 cm）贴紧被测量的表面，以尽量保证测试的结果不受空气温度的影响，同时避免在接触空间积蓄热量。对于一个机柜，需要测试的表面通常有：液晶显示器外表、元器件表面、密集插板之间的槽、柜内面板表面和绝缘层板 （聚乙烯），值得注意的是，应该以对工作温度敏感的器件的表面温度为主要调查对象，受试产品中，一些热惯量大的物体 （例如：胶木等）的表面温度的稳定时间很长，只要是不影响到器件的工作温度的，都不给予考虑。

6　冷浸阶段后常见的故障现象分析

受试产品内部稳定在冷浸温度后再开始冷浸，冷浸后温度升高到规定的温度后加振、加电及测试，能暴露产品内部材料、材料间的固定或接触存在的瑕疵和电路表面冷凝防护设计的不足，此阶段出现的故障主要有：1）显示器黑屏，原因是电子器件基材的热胀冷缩及振动效应导致焊球脱落，形变导致管腿的焊点出现开路；2）爬电距离小、电压高的极点之间因出现冷凝发生打火；3）工业级交流接触器产生啸叫声，发生间歇吸合。此外，一些电子产品长时间冷浸后，升温后加电时，由于元器件的温度还处于工作温度之下，因而即使加电启动成功，仍容易造成工作不稳定。

追溯到早期设计及试验阶段，上述状况没被暴露或发现的原因有：1）在高加速筛选等环节，低温、湿度应力是不便实施加速的；湿度应力未在采用大量液氮降温的强化试验的应力之中施加，也未在早期的计算机热仿真之中施加；2）以为只要加电能够成功，设备内部的温度升起来后就没有问题了，但实际上，在这个过程中，工作参数得不到保证；3）产品改型后，功率增大导致电压偏置增高了，通道数的增加导致电路布线密度增大，进而导致爬电距离偏小，这一问题往往容易被忽略；4）忽视异常现象，例如：当交流控制器发生轻微啸叫时，习以为常，不认为是故障。

7　电子产品一般冷设计方法及举例

电子器件的工作温度范围由其生产厂规定，它规定了保证器件的工作性能达到特定规范内的工作温度范围。一般来说，设计电子产品时，选择的器件的工作温度范围一般都符合技术要求中关于工作温度的规定，人们对电子产品工作发热时如何冷却研究得比较多，而对冷浸前后电子产品内部在冷浸阶段及冷浸前后与环境温度变化的跟随性、预加热设计和如何减小冷凝现象等方面研究得相对较少。反观航天电子产品，其不工作时经常处于严酷的无控制的温度中，因而其在加电工作时刻的内部温度值十分重要。一些早期的船载电子产品大机柜，底部安装了加热系统，在几年后更新型号时，新的设计师不知其作用，故将其取消了，直到做可靠性试验时出了故障才明白安装的加热系统的作用。

7.1电子器件的内部温度跟随性结构工艺设计

使得电子器件在低温后启动时快速温升的方法有很多。当然，当电子产品安装在温控舱内时，首先要做的是提高PCB的环境温度的跟随性，加热器与PCB间的热阻越小，电子器件被加热的速度也就越快。热设计工程师可通过设计机箱的结构及内部元器件的排版来改变热阻，改变热阻可以为PCB迅速加热，并保证PCB处于失效模式对应的门限温度之上。

此类设计对大的固定电子产品是比较有意义的，其内部温度随环境温度变化的速率比较慢，能延缓降温速率，但是，如果需要在冷浸结束升温后，使内部温度尽快地达到工作温度，则设计时应该将热交换时间常数降低，例如：将关键材料的热传导系数降低。当采用强迫风冷的时候，风道设计十分重要，例如：如何避免漩涡，增加热交换系数等。

7.2电子器件的内部温度在冷浸后启动时的加热温升方法

改变热阻需要改变器件的几何尺寸，但这种方法会导致昂贵的代价，当这种方法不适用时，电子器件内部温度在冷浸后启动时最常用的加热温升方法之一便是在外壳内安装加热器，很明显，加热器提供的热量越多，加热速度也就越快。加热器的安装位置和功率对如何快速地使得PCB加热到最低工作温度的影响很大。最容易控制的参数是发热器的供热量。但是，较大的发热器也增加了达到失效模式温度的可能性。为了弥补这方面的不足，可使用PWM控制器来控制发热器的接通时间的长度，用这个方法，有间隔地按占需要功率的比例传送给PCB热量，这种方法的优点是可以用一小部分的热量为PCB加热，通过优化热负载功率和PWM的脉冲周期及脉宽，可以可靠地保证加热器发生失效时PCB的温度限制在关键值以下。资料表明，这种设计不但能够使得正在冷浸的电子产品的内部温度在启动前快速地达到最低的工作温度，而且，还防止了加温过程中电路失效时导致的电子产品过热的现象的产生。这个目标看似简单，但要特别注意的是加热器在热的环境内会延长加热期间的最坏的失效模式，所以，设计时要进行优化，确定如何得到最快的加热周期，而且必须保证在持续加热的过程中，不会使得电子器件内部的温度超过其最高工作温度。

8　结束语

由上述讨论可知，可靠性试验中的冷浸阶段剖面的制定应留意以下几个方面：1）认真考虑进入冷浸剖面前的温度稳定时间，其依据是受试产品内部在冷浸前降温段及冷浸后升温段中的温度跟随性；2）在研发阶段，应观察或预计冷浸后升温过程中的冷凝现象对产品性能的影响，并采取相应的设计。值得注意的是：1）许多产品在设计阶段虽然做了HALT/HASS，但由于试验箱内采用液氮降温，箱内湿度太低，因而冷浸后升温过程中没有观察到冷凝现象；2）在环境试验的冷浸试验中没有与可靠性试验中的冷浸阶段后相同的升温段；3）进行冷设计时，需要针对可靠性试验冷浸阶段剖面的要求开展电子产品在确定温度稳定时间常数、优化冷却流道和热传导等结构及电子加热方面的冷设计方法研究。

总之，制定一个电子产品的可靠性试验冷浸阶段剖面及产品的冷设计是一件慎重的事情，是否会产生疏忽，取决于对受试产品所处的真实的综合环境条件及其在此环境中所发生的损坏的机理有无基本的了解。实践及分析表明，在电子产品的设计方案阶段就应高度重视这些问题，并且应将标准理解、管理严谨和设计技术研究等方面都结合在一起并做到位。

［1］中国人民解放军总装备部电子信息基础部标准化研究中心.可靠性鉴定和验收试验：GJB 899A-2009［S］.

［2］工程研制、鉴定和生产可靠性试验方法、方案和环境：MIL-HDBK-781D［S］.

［3］中华人民解放军总装备部电子信息基础部技术基础局.装备可靠性工作通用要求：GJB 450A-2004［S］.

［4］中国航空综合技术研究所.军用装备实验室环境试验方法第4部分：低温试验：GJB 150.4A-2009［S］.

［5］TUDRYN C D，BLALOCK B，BURKE G，et a1.Low temperature therma1 cyc1e survivabi1ity and re1iabi1ity study for brush1ess motor drive e1ectronics［C］//IEEE Aerospace Conference，2006：37.

Discussion on the Cold Soak in Reliability Test and Cold Design Methods of Electronic Products

ZHOU Min1，2，3，ZENG Qing-guo1，2，3，JIANG Feng1，2，3，CHEN Zhong-wen1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincia1 Key Laboratory of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；3.Guangdong Provincia1 Research Center of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity and Environment Engineering Techno1ogy，Guangzhou 510610，China）

The method of how to correct1y understand the standard provisions，product characteristics and co1d design requirements，and how to form a clear design and test idea at the early stage of the project are e1aborated so as to formu1ate a co1d soak test profi1e with proper severity and good consistency during the re1iabi1ity test.Besides，the genera1 co1d design methods for e1ectronic products are introduced.And in view of the advancement of the design of the aerospace e1ectronic product，a case of the co1d design of the product is cited，which is a1so app1icab1e to the e1ectronic products on other p1atforms.

e1ectronic product；re1iabi1ity；co1d soak；co1d design

TB 114.32；TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0007-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.002

2016-01-29

周敏 （1963-），女，广东广州人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心高级工程师，主要从事电子系统可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性研究工作。