极端环境下电子设备的可靠性测试与评估

极端环境下电子设备的可靠性测试与评估

赵晓超  沈家龙  余海阳  钱宇琨

上海航天控制技术研究所 邮编201109

摘要：在极端环境下，电子设备的可靠性测试与评估是确保设备能够在恶劣条件下正常工作的重要环节。这些极端环境可能包括极端温度、湿度、压力、辐射、振动、冲击、腐蚀性气体等。在这些条件下，电子设备的性能可能会受到严重影响，甚至导致设备损坏或故障。基于此，本篇文章对极端环境下电子设备的可靠性测试与评估进行研究，以供参考。

关键词：极端环境下电子设备的可靠性测试与评估

引言

在现代社会，电子设备已成为我们日常生活和工业生产中不可或缺的一部分。随着技术的进步和应用领域的拓展，电子设备越来越多地被部署在极端环境中，如高温、低温、高湿度、低湿度、高海拔、强辐射、盐雾、沙尘等。这些极端环境对电子设备的性能和可靠性提出了严峻的挑战。对电子设备进行极端环境下的可靠性测试与评估，是确保其稳定运行和延长使用寿命的关键步骤。

1极端环境下电子设备的特征

电子设备需要具备抵抗极端温度（高温或低温）、湿度、压力、辐射、盐雾、沙尘等环境因素的能力。例如，在高温环境下，设备应能防止过热和性能退化；在低温环境下，设备应能保持正常工作而不发生冻结或脆化。在极端环境中，电子设备应能保持其电气和机械性能的稳定性，不受环境变化的影响。这意味着设备在长时间暴露于极端条件下后，仍能保持其功能和精度。设备通常需要有额外的防护措施，如密封外壳、防尘网、防水涂层、防腐蚀材料等，以保护内部组件不受外界环境的侵害。电子设备可能需要具备一定的适应性，以应对环境条件的快速变化。设备可能需要能够快速从低温环境切换到高温环境，而不会受到损害。在极端环境下，电子设备的可靠性尤为重要。设备应能在恶劣条件下持续工作，减少故障率和维护需求，确保长期稳定运行。极端环境可能增加设备发生故障或损坏的风险，因此，电子设备需要具备必要的安全特性，如过热保护、短路保护、电压稳定器等，以防止潜在的危险。在某些极端环境中，能源供应可能受限，因此电子设备需要具备高效的能源利用率，以确保在有限的能源条件下仍能正常工作。考虑到环境保护的要求，极端环境下的电子设备应尽可能使用可回收材料，减少对环境的负面影响。

2极端环境下电子设备的可靠性测试方法

2.1环境模拟测试

评估设备在高温环境下的工作性能和耐久性，通常会测试设备在最高工作温度下的稳定性和可能的热降解。评估设备在低温环境下的工作性能，包括启动能力、运行稳定性和材料脆化等问题。模拟设备在温度变化环境中的性能，评估材料的热膨胀和收缩、焊点疲劳和密封件的耐久性。评估设备在高湿度环境下的防潮性能，包括绝缘材料的吸湿性和电子元件的腐蚀风险。结合温度和湿度变化，评估设备在湿热环境中的耐久性和可靠性。模拟海洋或盐湖等高盐分环境，评估设备的金属部件和涂层的抗腐蚀能力。模拟高海拔环境，评估设备的密封性和散热性能。模拟深海或高压环境，测试设备的耐压性和结构完整性。

2.2机械应力测试

通过施加特定频率和幅度的正弦振动，评估设备在振动环境下的结构完整性和性能稳定性。模拟实际环境中可能遇到的随机振动，如车辆运输或飞机飞行中的振动，评估设备的耐振性能。通过长时间的振动暴露，评估设备的耐久性和潜在的疲劳失效。模拟设备在受到冲击或跌落时的响应，评估其结构强度和保护措施的有效性。模拟更复杂的冲击波形，评估设备的抗冲击能力。通过多次冲击暴露，评估设备的耐冲击性和可靠性。模拟设备在高速旋转或突然加速/减速时的加速度，评估其结构稳定性和性能。评估设备在直线运动中的加速度耐受能力。

2.3电气应力测试

电气应力测试是评估电子设备在电气环境中的性能和耐久性的关键步骤。这些测试旨在模拟设备在实际使用中可能遇到的电压波动、电磁干扰、静电放电等电气应力。评估设备在电压升高或降低时的性能，确保设备能够在电源电压波动范围内正常工作。模拟电源电压的瞬时冲击，评估设备的抗电压冲击能力。评估设备在工作时产生的电磁辐射水平，确保不会对其他设备造成干扰。评估设备对来自外部的电磁辐射的抵抗能力。评估设备通过电源线或信号线产生的电磁干扰。评估设备对通过电源线或信号线传导的电磁干扰的抵抗能力。模拟人体或设备对设备表面的直接静电放电，评估设备的抗静电放电能力。模拟设备周围环境对设备表面的静电放电，评估设备的抗静电放电能力。

3极端环境下电子设备的可靠性评估途径

3.1环境模拟测试

环境模拟测试是电子设备可靠性测试的重要组成部分，它涉及在实验室条件下模拟设备可能遇到的各种极端环境条件，以评估设备在这些条件下的性能和耐久性。评估设备在高温环境下的工作性能和耐久性，通常会测试设备在最高工作温度下的稳定性和可能的热降解。评估设备在低温环境下的工作性能，包括启动能力、运行稳定性和材料脆化等问题。模拟设备在温度变化环境中的性能，评估材料的热膨胀和收缩、焊点疲劳和密封件的耐久性。评估设备在高湿度环境下的防潮性能，包括绝缘材料的吸湿性和电子元件的腐蚀风险。结合温度和湿度变化，评估设备在湿热环境中的耐久性和可靠性。

3.2机械应力测试

机械应力测试是评估电子设备在机械环境中的性能和耐久性的关键步骤。这些测试旨在模拟设备在实际使用中可能遇到的振动、冲击、加速度等机械应力。评估设备在正弦波形振动下的结构完整性和性能稳定性。模拟设备在实际环境中可能遇到的随机振动，如交通工具的振动。通过长时间振动测试，评估设备的耐久性和预期寿命。模拟设备在受到冲击或跌落时的响应，评估其结构强度和保护机制的有效性。模拟设备在受到非线性冲击时的响应。通过多次冲击测试，评估设备的耐冲击能力和预期寿命。评估设备在高速旋转或突然加速/减速时的加速度耐受能力，如航空航天设备在发射过程中的加速度。通过离心机模拟高加速度环境，评估设备的结构强度和元件的固定性。

3.3公路运输、离心力

模拟公路运输过程中的振动、冲击和温度变化。可以使用振动台和冲击测试设备来模拟车辆在不平坦路面上行驶时的振动和冲击。同时，还需要考虑不同气候条件下的温度和湿度变化。使用离心机来模拟高速旋转或加速度环境下的离心力。这种测试通常用于评估设备在航空航天或高速旋转机械中的可靠性。根据国际或行业标准（如IEC、ISO、MIL-STD等）制定测试方案。这些标准通常会提供详细的测试条件和方法。对于公路运输，可能会参考ISO 16750-3或类似的振动和冲击测试标准。对于离心力，可能会参考ASTM E492或类似的离心力测试标准。在模拟环境中对电子设备进行测试，记录设备在测试前后的性能变化。对于公路运输，可能需要进行长时间的振动和冲击测试，以模拟实际运输过程中的累积效应。对于离心力，可能需要逐渐增加离心力的大小，直到达到预期的最大值。

结束语

极端环境下电子设备的可靠性测试与评估是一个复杂而重要的过程。它不仅关系到设备在实际应用中的表现，也直接影响到用户的满意度和企业的声誉。随着科技的不断发展，对电子设备可靠性的要求也越来越高，持续改进测试方法和评估标准，确保电子设备能够在各种极端环境中稳定可靠地工作，是行业发展的必然趋势。

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