湿热试验箱印刷电路板组件可靠性试验

一、实验目的

1. 评估印刷电路板组件（PCBAs）在湿热环境下的可靠性和稳定性，确定其能够承受的湿热极限条件。

2. 检测 PCBAs 在湿热环境中的潜在失效模式，如腐蚀、漏电、短路、开路等，为产品改进和质量控制提供依据。

3. 研究湿热环境对 PCBAs 电气性能和物理性能的影响，包括电阻、电容、电感等电学参数的变化以及外观、尺寸等物理特性的改变。

4. 通过可靠性试验，建立 PCBAs 在湿热环境下的可靠性模型，预测其在实际应用中的寿命和可靠性。

二、实验设备

1. 湿热试验箱：能够精确控制温度范围在 +[低温下限值]℃至 +[高温上限值]℃之间，湿度范围在 [湿度下限值]% RH 至 [湿度上限值]% RH 之间，温度波动度小于 ±[温度波动度允许值]℃，湿度波动度小于 ±[湿度波动度允许值]% RH，温度均匀度在规定空间内小于 ±[温度均匀度允许值]℃，湿度均匀度小于 ±[湿度均匀度允许值]% RH。具备良好的加热、加湿和除湿系统，能够按照设定的温湿度变化曲线进行运行。

2. 印刷电路板组件（PCBAs）样品：选取多个不同批次、不同生产工艺或不同供应商的 PCBAs 作为测试样本，确保样品具有代表性。在实验前，对所有样品进行外观检查和电气性能测试，记录初始状态下的各项参数，如电阻、电容、电感值，以及外观有无缺陷等。

3. 电气测试设备：包括数字万用表、示波器、LCR 测试仪（电感电容电阻测试仪）、绝缘电阻测试仪等。用于在试验过程中定期测量 PCBAs 的电气性能参数，如电阻、电容、电感的变化，以及检测是否存在漏电、短路、开路等故障。

4. 光学检测设备：如显微镜、放大镜等，用于在实验前后对 PCBAs 的外观进行详细检查，观察是否有腐蚀、裂纹、变色、焊点脱落等物理缺陷的出现。

5. 数据采集系统：连接上述测试设备，实时采集和记录在实验过程中 PCBAs 的各项性能参数和测试数据。数据采集系统应具备足够的采样频率和精度，以确保能够准确捕捉到 PCBAs 性能的细微变化。同时，具备数据存储和导出功能，方便后续对实验数据进行分析和处理。

三、实验样品

四、实验条件

1. 温度和湿度范围

• 温度：设定试验温度范围从 +[低温下限值]℃（如 25℃，可根据实际应用环境和产品标准进行调整）开始，以 [温度步长值]℃（如 5℃）为间隔，逐步升高至 +[高温上限值]℃（如 85℃）。然后再从高温上限值以相同的温度步长降至低温下限值，完成一个温度循环。

• 湿度：在整个温度变化过程中，湿度保持在相对恒定的高湿度水平。设定湿度范围从 [湿度下限值]% RH（如 70% RH）开始，逐步升高至 [湿度上限值]% RH（如 95% RH），并在试验过程中尽量保持湿度稳定在该范围内，湿度波动度控制在 ±[湿度波动度允许值]% RH（如 ±3% RH）以内。

2. 试验周期
   每个温度 - 湿度循环作为一个试验周期，根据产品的实际使用环境和可靠性要求，确定进行 [试验周期数量] 个试验周期。例如，对于一些高可靠性要求的产品，可能需要进行 100 个或更多的试验周期；而对于一般性的产品，可进行 50 个左右的试验周期。每个试验周期的持续时间根据实际情况和试验设备的性能进行设定，一般为 [周期持续时间值] 小时（如 24 小时），以确保 PCBAs 在每个周期内都能充分经历温湿度变化的影响。

3. 温湿度变化速率
   在温度升高和降低过程中，设置温度变化速率为 [升降温速率值]℃/min（如 1℃/min），以模拟实际环境中较为缓慢的温度变化情况，避免因温度变化过快而导致 PCBAs 产生过大的热应力。湿度的上升和下降速率相对较慢，一般控制在 [湿度变化速率值]% RH/min（如 5% RH/min）以内，以确保试验箱内湿度能够均匀地分布并稳定在设定值附近。同时，在温湿度变化过程中，要注意避免温度和湿度之间的相互干扰，确保温湿度变化曲线按照预定的模式进行。

五、实验步骤

1. 实验前准备

• 将湿热试验箱放置在平稳、通风良好的环境中，并确保其电源连接正常。按照设备操作手册进行预热和校准，检查试验箱的各项性能指标，如温度范围、湿度范围、温度波动度、湿度波动度、温度均匀度、湿度均匀度等是否符合实验要求。

• 将准备好的印刷电路板组件样品安装在特制的试验夹具上，确保样品在试验过程中能够稳定固定，并且与试验箱内的温湿度传感器和测试设备之间保持良好的接触和连接。同时，将电气测试设备和光学检测设备与样品进行正确连接，并调试好数据采集系统，设置好数据采集的参数和频率，确保能够准确记录实验过程中的各项数据。

2. 初始检测

• 在将样品放入湿热试验箱之前，使用光学检测设备（如显微镜、放大镜等）对每个 PCBAs 样品进行详细的外观检查，记录电路板的表面状况、元器件的外观、焊点的质量等信息，确保样品表面无明显的物理缺陷，如划痕、裂纹、氧化等。

• 使用电气测试设备（如数字万用表、LCR 测试仪、绝缘电阻测试仪等）对样品进行电气性能测试，测量各项电学参数，如电阻、电容、电感值，以及绝缘电阻等，并将测试结果记录下来作为初始数据。这些初始数据将作为后续评估 PCBAs 在湿热环境下性能变化的参考依据。

3. 湿热试验

• 外观检查：使用光学检测设备对样品进行仔细观察，检查是否有新的物理缺陷出现，如电路板表面是否出现腐蚀斑点、变色、元器件引脚是否有氧化现象、焊点是否有开裂或脱落等。记录发现的任何外观变化情况，并拍照留存作为证据。

• 电气性能测试：使用电气测试设备对样品的各项电气性能参数进行测量，与初始检测数据进行对比，分析电阻、电容、电感值的变化情况，以及是否存在漏电、短路、开路等电气故障。将测试结果记录到数据采集系统中，以便后续进行数据分析。

• 将安装好样品的试验夹具放入湿热试验箱内，并关闭箱门。按照设定的试验条件，启动湿热试验箱，开始进行温度和湿度的循环控制。在试验过程中，实时监测试验箱内的温湿度变化情况，确保温湿度曲线符合预定的模式。

• 在每个试验周期内，按照预定的时间间隔（如每 12 小时或每 24 小时），对 PCBAs 样品进行中间检测。中间检测包括外观检查和电气性能测试两部分：

4. 结束试验与最终检测

• 完成规定的试验周期后，停止湿热试验箱的运行，并将样品从试验箱内取出。在取出样品时，要注意避免样品受到二次损伤或污染。

• 对样品进行最终的全面检测，包括外观检查和电气性能测试。外观检查使用与初始检测相同的光学检测设备，详细观察样品在经过整个湿热试验后的外观变化情况，并与之前的中间检测记录进行对比，评估腐蚀、氧化等物理缺陷的发展程度。电气性能测试则使用与初始检测相同的电气测试设备，再次测量样品的电阻、电容、电感值以及绝缘电阻等参数，与初始数据和中间检测数据进行综合分析，评估 PCBAs 在湿热环境下电气性能的稳定性和可靠性。

5. 数据记录与分析

• 统计分析：计算各项性能参数在不同试验周期下的平均值、标准差、变异系数等统计指标，评估参数的变化趋势和稳定性。通过比较不同样品之间的统计数据，分析生产工艺、元器件类型等因素对 PCBAs 可靠性的影响。

• 趋势分析：绘制各项性能参数随试验时间或试验周期的变化曲线，直观地观察参数的变化趋势。分析曲线的斜率、拐点等特征，确定 PCBAs 在湿热环境下性能开始发生显著变化的时间点或试验周期，以及性能变化的速率和规律。

• 相关性分析：研究温度、湿度与 PCBAs 性能参数变化之间的相关性。分析在不同温湿度条件下，哪些性能参数更容易受到影响，以及温湿度变化对不同类型 PCBAs（如单面板、双面板、多层板）的影响程度是否存在差异。通过相关性分析，建立温湿度与 PCBAs 可靠性之间的数学模型，为预测产品在实际湿热环境中的可靠性提供依据。

• 失效模式分析：根据外观检查和电气性能测试结果，确定 PCBAs 在湿热试验过程中出现的主要失效模式，如腐蚀导致的开路或短路、元器件参数漂移引起的电路性能异常等。统计不同失效模式的发生频率和分布情况，分析失效模式与温湿度条件、样品结构、生产工艺等因素之间的关系，为改进产品设计和制造工艺提供方向。

• 在整个实验过程中，通过数据采集系统实时记录 PCBAs 样品的各项测试数据，包括每个时间点的温度、湿度、外观检查结果、电气性能参数等。将这些数据按照时间顺序和测试项目进行分类整理，存储为电子表格或数据库格式，以便后续进行详细的数据分析。

• 对实验数据进行分析，主要包括以下几个方面：

六、测试项目及评估标准

1. 外观检查

• 腐蚀：观察 PCBAs 表面的金属部分（如铜箔线路、焊点、元器件引脚等）是否出现腐蚀现象。腐蚀程度可分为轻微腐蚀（表面有少量腐蚀斑点，不影响电路连接和功能）、中度腐蚀（腐蚀面积较大，部分线路或焊点开始受损，但电路仍能工作）和严重腐蚀（线路或焊点严重损坏，导致电路开路或短路，功能失效）。评估标准为在规定的试验周期内，不允许出现严重腐蚀现象，轻微腐蚀和中度腐蚀的程度和范围应在可接受的范围内，具体可根据产品的使用要求和行业标准进行确定。

• 变色：检查 PCBAs 的基板颜色是否发生明显变化。轻微的变色可能是由于湿度和温度的影响导致材料的轻微老化，一般不影响性能；但如果出现大面积的明显变色，可能意味着电路板材料发生了化学变化，可能会影响其电气性能和可靠性。评估标准为变色程度不应超过产品规定的允许范围，且不应导致电路板的标识模糊或难以辨认。

• 裂纹：使用光学检测设备仔细检查 PCBAs 的基板和元器件是否出现裂纹。裂纹可能是由于热应力或湿应力引起的，会严重影响电路板的机械强度和电气连接。任何发现的裂纹都应被视为严重缺陷，评估标准为不允许出现裂纹。

• 焊点完整性：观察焊点是否有开裂、脱落或虚焊等情况。焊点的质量直接关系到电路的连接可靠性，不良的焊点可能导致电路开路或接触不良。评估标准为在试验过程中，焊点的不良率应控制在一定的范围内（如小于 [焊点不良率允许值]%），具体根据产品的质量要求和焊接工艺标准确定。

• 元器件外观：检查元器件的本体是否有变形、膨胀、开裂等异常现象。元器件的损坏可能会导致电路功能失效，对于一些关键元器件，如芯片、电容器等，应特别关注其外观变化。评估标准为元器件应保持其正常的外观形状和尺寸，不允许出现明显的损坏迹象。

2. 电气性能测试

• 电阻值变化：使用 LCR 测试仪或数字万用表定期测量 PCBAs 上关键电阻元件的电阻值。计算电阻值在试验前后的变化率，评估标准为电阻值变化率应在产品规格书规定的范围内。一般来说，对于普通电阻元件，电阻值变化率不应超过 ±[电阻变化率允许值]%（如 ±5%）；对于高精度电阻或对电阻值变化敏感的电路，要求更为严格，电阻值变化率应控制在更小的范围内。

• 电容值变化：使用 LCR 测试仪测量 PCBAs 上的电容元件的电容值。分析电容值在湿热环境下随时间的变化情况，评估电容的稳定性。电容值变化率的评估标准与电阻类似，根据电容的类型和在电路中的作用，一般不应超过 ±[电容变化率允许值]%（如 ±10%）。如果电容值变化过大，可能会影响电路的频率特性、滤波效果等，导致电路性能下降。

• 电感值变化：对于含有电感元件的 PCBAs，使用 LCR 测试仪测量电感值的变化。电感值的变化可能会影响电路的谐振频率、电磁兼容性等性能。评估标准为电感值变化率应在合理范围内，一般不超过 ±[电感变化率允许值]%（如 ±5%），具体根据电路设计要求和电感元件的规格确定。

• 绝缘电阻测试：使用绝缘电阻测试仪在规定的电压下测量 PCBAs 的绝缘电阻。绝缘电阻是衡量电路板绝缘性能的重要指标，它反映了电路板上不同线路之间以及线路与地之间的绝缘状况。在湿热环境下，绝缘电阻可能会因水分的侵入和电路板表面的污染而降低。评估标准为在试验后，PCBAs 的绝缘电阻应不低于 [绝缘电阻最小值] MΩ（具体数值根据产品的绝缘等级和使用环境要求确定）。如果绝缘电阻低于规定值，可能会导致漏电、短路等安全隐患，影响电路的正常工作。

• 功能测试：在湿热试验过程中，定期对 PCBAs 进行功能测试，以确保其在湿热环境下仍能正常实现预定的功能。功能测试应根据 PCBAs 的具体功能和应用场景进行设计，可以包括输入输出信号的检测、逻辑功能的验证、通信功能的测试等。评估标准为在整个试验周期内，PCBAs 应能够按照设计要求正常工作，不允许出现功能失效或异常的情况。如果在试验过程中发现功能故障，应及时记录故障现象和发生的时间，并进行详细的分析和诊断，以确定故障原因是否与湿热环境有关。

七、数据记录与分析

1. 数据记录

• 在实验过程中，使用数据采集系统或手动记录的方式，详细记录每个 PCBAs 样品在不同时间点的测试数据，包括温度、湿度、外观检查结果（如腐蚀情况、变色程度、裂纹有无、焊点状态、元器件外观等）、电气性能参数（电阻值、电容值、电感值、绝缘电阻、功能测试结果等）。确保数据记录的准确性、完整性和及时性，为后续的数据分析提供可靠的依据。

• 对于每个测试项目和每个样品，建立独立的数据记录表，记录其在整个实验过程中的数据变化情况。同时，在数据记录表中注明测试时间、测试条件（温湿度）、样品编号等相关信息，以便于数据的追溯和对比分析。

• 在记录外观检查结果时，应使用文字描述和图片相结合的方式，尽可能详细地记录发现的各种物理缺陷的特征和位置。对于电气性能测试数据，应保留原始测量数据和计算得到的参数变化率等数据，以便进行更深入的数据分析。

2. 数据分析

• 绘制图表：将记录的数据以图表的形式进行展示，以便更直观地观察和分析数据的变化趋势。例如，绘制电阻值、电容值、电感值等电气性能参数随时间或试验周期的变化曲线；绘制温度、湿度与性能参数变化之间的关系曲线；绘制不同样品在相同测试条件下性能参数的对比柱状图等。通过图表分析，可以快速发现数据的异常波动、趋势变化以及不同样品之间的差异，为进一步的数据分析提供线索。

• 统计分析：对各项测试数据进行统计分析，计算平均值、中位数、标准差、变异系数等统计指标。这些统计指标可以反映数据的集中趋势、离散程度和稳定性。通过比较不同试验周期、不同样品之间的统计指标，评估 PCBAs 在湿热环境下性能的变化规律和可靠性。