Руководство по выбору методов влагостойкого испытания в камерах циклической влажности и температуры — Системное решение на основе особенностей образца и механизмов отказа

В универсальных стандартах надежности (GB/T 2423, IEC 60068, MIL-STD-810) «влажный тепло» выделен в отдельный климатический фактор. Цель — не просто проверить влагостойкость, а ускорить и выявить отказы, вызванные адсорбцией воды, конденсацией, «дыханием» и электрохимической миграцией. Камера циклической влажности и температуры (далее «камера») может создавать как стационарный, так и циклический режимы, но неправильный выбор метода ведёт к перерасходу ресурсов или искажённой оценке частоты отказов. Настоящее руководство рассматривает физику, ускоряющие факторы и границы применения стационарного (SSDH) и циклического (CDH) влажных теплоиспытаний с инженерной точки зрения и даёт практические правила выбора.

Физические модели и механизмы ускорения
2.1 Стационарное влажное тепло (SSDH)
Режим: постоянная температура и влажность (например, 40 °C/93 %RH, 85 °C/85 %RH).
Перенос массы: стадии «адсорбция–диффузия–равновесие»; равновесное содержание влаги описывается изотермой Генри.
Доминирующие отказы:
a) Рост диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь → падение пробивного напряжения.
b) Электрохимическая миграция (ECM) на металлизации или меди ПП → дендритные короткие замыкания.
c) Понижение температуры стеклования резин и герметиков → постоянная деформация сжатия.
Модель ускорения: Arrhenius–Peck
AF = exp[(Ea/k)(1/Tuse−1/Ttest)] × (RHtest/RHuse)^n
где n = 2–3, Ea — энергия активации (эВ), k — постоянная Больцмана.
2.2 Циклическое влажное тепло (CDH)
Режим: 24-часовые циклы «нагрев – высокая T/RH – охлаждение – низкая T/высокая RH», например 25 → 55 → 25 °C при ≥ 95 %RH; принудительная конденсация на переходах.
Перенос массы: перепад давления вызывает «дыхание»; пар конденсируется на внутренних поверхностях при охлаждении и испаряется при нагреве, создавая повторяющиеся фазовые переходы.
Доминирующие отказы:
a) Коррозия алюминиевых проводов в герметичных реле/корпусах ИС → обрыв цепи.
b) Расслоение покрытие–металл или заливка–подложка → капиллярные каналы.
c) Микротрещины в волокнистых композитах из-за различного swelling/shrinkage.
Метрика ускорения: число циклов конденсации; эмпирически 1 цикл ≈ 8–12 ч SSDH-коррозии.
Классификация образцов и выбор метода
3.1 По архитектуре
Класс A — сплошные однородные диэлектрики (фенолопласт, керамика, залитые трансформаторы).
Перенос: только поверхностная адсорбция, нет дыхания.
Рекомендация: SSDH; ресурс можно количественно оценить по Пеку.
Класс B — полости/герметичные корпуса (IP67-контроллеры, MIL-разъёмы, PV-клеммники).
Перенос: выраженное дыхание, повторная внутренняя конденсация.
Рекомендация: CDH, при необходимости с подциклами до −10 °C или −40 °C для усиления термомеханического несоответствия.
Класс C — покрытия (автомобильные датчики, конформные лаки).
Если важна влагостойкость самого покрытия → SSDH.
Если важна адгезия покрытие–металл → CDH.
3.2 По механизму увлажнения
Адсорбция/диффузия (полимеры): критерий отказа — падение объёмного сопротивления.
Порог: влагопоглощение < 0,5 % при 23 °C/50 %RH → SSDH. Дыхание/конденсация (герметичные полости): критерий — внутренняя коррозия. Порог: внутренний объём ≥ 5 см³ и степень защиты ≤ IP65 → CDH. Промышленные примеры 4.1 OBC новых энергетических автомобилей Конструкция: литой корпус Al, внутренняя заливка, силовой элемент на термопрокладке. Полевой отказ: ржавчина сердечника DC-DC-трансформатора → посторонний шум. Причина: микрозазор между прокладкой и корпусом; суточные колебания температуры вызывают дыхание. Сравнение: SSDH 85 °C/85 %RH, 1000 ч — без отказов. CDH 55 °C/95 %RH ↔ 25 °C/95 %RH, 10 циклов — появляется ржавчина. Вывод: CDH воспроизводит полевой отказ за 2 недели, сокращая время валидации на 60 %. 4.2 Антенный обтекатель 5G AAU Материал: стеклопластик на основе полиуретана, UV-топ-коатинг. Отказ: падение прозрачности для радиоволн → тревога по VSWR. Механизм: диффузия влаги повышает диэлектрическую проницаемость смолы; микротрещины CDH усиливают рассеяние. Профиль: IEC 60068-2-30 CDH (55 ↔ 25 °C, 6 циклов) + 2 ч UV-подцикл; расхождение с годовым экспонированием на Хайнане < 8 %. Дерево решений Шаг 1 — Оценка герметичности IP ≥ X7 и полость ≥ 5 см³ → ветвь CDH; иначе → SSDH. Шаг 2 — Доминирующий механизм отказа Деградация изоляции → SSDH; коррозия/расслоение → CDH. Шаг 3 — Эксплуатационные условия Суточный ΔT ≥ 20 °C и RH > 85 % → CDH; длительный стационарный высокий RH → SSDH.
Шаг 4 — Требования к модели ресурса
Нужен количественный MTBF → SSDH (модель Пека зрелая);
Требуется быстрый pass/fail → CDH быстрее.
Ключевые параметры испытаний
6.1 SSDH
Допуск T: ±2 °C; RH: ±3 %RH.
Скорость воздуха: 0,5–1,0 м/с, исключая стагнирующий слой.
Промежуточные измерения: 168, 500, 1000 ч; выдержка 2 ч при 25 °C/50 %RH перед измерением сопротивления изоляции.
6.2 CDH
Скорость нагрева/охлаждения: 0,5–1 °C/мин для обеспечения перепада давлений.
Контроль конденсации: повышение абсолютной влажности или лёгкий туман; диаметр капель на внутренней стенке ≥ 2 мм.
Низкотемпературная выдержка: при заявленной работе при низких Т продлевать до −10 °C или −40 °C на 1 ч.
Число циклов: автомобиль — 10, железная дорога/военка — 21.
Типичные ловушки
Ловушка 1: «CDH всегда строже и может заменить SSDH».
Поправка: CDH эффективно для герметичных систем; для сплошных диэлектриков добавляет нерелевантную усталость от температурных циклов → перетест.
Ловушка 2: «Повышение RH до 98 % ещё больше ускорит».
Поправка: RH > 95 % вызывает свободные капли, стекающие на образец, создавая локальную сверхкоррозию, не соответствующую полевым условиям и не поддающуюся моделированию.
Ловушка 3: «Любая видимая конденсация = годный тест».
Поправка: капли на стенке камеры ≠ дыхание образца; подтверждайте через смотровое окно или эндоскоп, что капли образуются на образце/внутри него.
Заключение
Влагостойкие испытания используют полярную молекулу воды как катализатор для воспроизведения за короткое время коррозии, старения и электрического дрейфа, с которыми изделие может столкнуться в течение жизни. SSDH и CDH нельзя просто ранжировать по «жёсткости»; они описывают два различных пути переноса массы и отказа. Только объединив конструкцию образца, степень герметичности, полярность материала и эксплуатационные условия с количественной моделью ускорения, можно принять научно обоснованное, экономичное и прослеживаемое решение. Рекомендуется привлекать команду DFR (Design for Reliability) на этапе согласования программы испытаний для моделирования топологии герметизации, кривых сорбции влаги и критических модов отказа, что сокращает число физических циклов и затраты на разработку. При необходимости корректировки профиля, экстраполяции ресурса или анализа отказов целесообразно совместное взаимодействие с производителями камер или независимыми лабораториями, чтобы обеспечить максимальное соответствие данных испытаний полевым отказам.