环境因素对产品的影响温度应力.docx
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环境因素对产品的影响温度应力
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环境因素对产品的影响－－温度应力
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1温度应力对材料的影响
环境因素及其影响：
环境条件：
产品所在空间对产品工作状态有影响的物理、化学、生物力及其随时间的变化规律统称环境条件。
环境因素：
构成环境条件的各种物理、化学、生物力称为环境因素，
环境参数：
描述环境因素应力水平及其变化状态的参量。
2.1高温影响以及防护
高温对材料的影响很多，主要是使材料性能恶化，造成元器件失效、设备故障失效。
这些可以是热力效应、电磁效应、辐射效应，化学动力学效应作用的结果。
其机理是，随着温度增加，电子、原子、分子运动速度加快，激发出上述效应。
高温的主要影响以及诱发的典型故障：
主要影响
诱发的典型故障
绝缘物质失效
热老化
电性能改变、击穿、接触不良
氧化
结构损坏
结构变化
结构损坏、增加机械应力
软化、熔化和升华
变形、卡死、爆裂
物理膨胀
电气元件热诱发失效模式：
元件
失效模式
风扇
漏电、润滑剂恶化
陶瓷电容器
电介质常数和电抗变化，高温下绝缘电阻降低；不适合作精度要求高的场合
电介质
电介质漏电增加，寿命缩短；电流汇漏增加，电抗大大改变
电容器
串连电阻增加
云母电容器
增加绝缘电阻，铝离子迁移，漂移
纸制电容器
电阻改变，绝缘电阻下降，功率因数提高
铝电解电容
温度升高寿命减小
钽电容器
电介质泄漏，电抗改变，绝缘电阻、串连电阻改变
线圈
变形、熔化、不稳定、介电性能改变
标准的连接器
破裂、介质损坏
级间的连接器
破裂、介质损坏
二极管
击穿电压改变，电流泄漏增加，漏电增加，断电
钎焊接头
失去强度
电位器
噪声增加，力矩、线性和电阻改变，高温下绝缘电阻降低
电阻器
电阻增加，断电、漏电
开关
触点氧化
热敏电阻
断电、漏电增加
变压器
电介质性能降低，断电，漏电，热点异常
半导体
泄漏电流增加，增益改变、漏电增加，断电
晶体管
电压不变时温度升高基极电流增加，导致增加集电极电流，工作点飘移
继电器
温度高时驱动电压高
高温防护措施：
a）选用耐高温的元器件；
b）加强散热、通风措施；
c）降额使用发热元器件；
d）找出过热点，采取均热措施；
e）在过热点局部强制散热；
f）利用热管效应，将发热件置于易散热的位置；
g）将设备壳体作为发热件的散热器
2.2低温影响以及防护措施：
低温的影响与高温相反，由于电子、原子、分子运动速度减小，导致物质收缩、流动性降低、凝结变硬。
低温的主要影响:
失效模式
失效机理
润滑性能损失
增加粘度和固化
电性能改变
结冰
损失机械强度，裂纹、断裂
脆化
结构损坏
物理收缩
低温防护措施:
影响
防护措施
收缩不均
谨慎的选用材料
在活动零件之间留有合适的间隙
表面采用比热大的材料
材料性能和部件可靠新退化
谨慎选择具有良好低温性能的材料和部件
低温的保护措施：
a）选用耐低温的元器件；
b）选用低温下不发生冷脆的材料制造结构件；
c）设计与加工时注意采用无应力集中的结构和工艺；
d）加装加温防寒电路
2.3温度冲击的影响以及防护：
温度冲击造成的影响：
当环境温度突然变化时，由于物质热容量的影响，设备与环境要进行能量交换，交换方式只能有辐射、对流、传导三种。
由于一台设备由多个零部件、各种材料构成，各部分的吸热、导热、散热能力不同，设备各零部件之间，同一零件的各部分间形成温差。
其热胀、冷缩的程度不同，形成强大的内应力，从而产生温度冲击效应。
失效模式
失效机理
内应力过大、扩大原有缺陷失效
结构件变形破裂
膨胀收缩不同
活动部件卡死
膨胀收缩不同
粘合件剥离
膨胀收缩不同
电工填充物龟裂
膨胀收缩不同
粘结
膨胀收缩不同
焊缝、焊点脱落
膨胀收缩不同
紧固件松动
膨胀收缩不同
密封件漏气、漏液
膨胀收缩不同
芯片及分离元件性能变劣
交变热应力造成电、磁特性变化
电路失效
触点、电刷变形
继电器、电位计接触不良
交变热应力造成电、磁特性变化
传感器性能变化失效
交变热应力加剧能量释放与获取过程
老化加剧
温度冲击的防护措施：
a）尽可能采用密封结构；
b）设备的壳体应有足够的热容量；
c）尽可能采用膨胀系数相同的材料；
d）采用热的良导体作为结构件；
e）活动件之间留用足够的膨胀间隙；
f）避免虚焊的发生
2温度应力对公司产品的影响
1.电源模块高温纹波噪声增大
路由器1603/4的第一版调试后，其以太网口在常温下工作正常。
但在进行高温试验的过程中，以太网口出现丢包。
重新上电，配置，以太网口依然如故，有丢包现象。
以太网口是所有路由器都涉及到的一个端口。
低端路由器包括1603/4均采用68160作为以太网处理芯片。
68160对电源的纹波比较敏感。
对68160芯片的电源管脚用示波器进行跟踪测试，同时对68160进行局部加热，可以明显的看到68160电源的纹波超出了芯片的要求。
实际上，高温情况下测量整个单板的5V电源纹波均比较大，但由于只有68160对纹波敏感，从而引起以太网口丢包。
后经更换板内DC-DC（从输入9V到5V）变换，问题得到解决。
2.电源模块热保护
SBS128X高温55℃，通过光路测试VC4业务，发现有随即B3误码产生。
B3误码产生原因是由于线路板和交叉板之间总线数据传输错误引起的，检查总线上的接口时序关系，时序良好，测试总线接口芯片（SS61S16）上拉电阻1.5V电源，发现在高温情况下电源有瞬间跌落现象，断定这是引起B3误码的原因。
更换总线接口器件的电源供给模块，1.5V电源瞬间跌落现象消失，B3误码问题解决。
在高温环境下，电源模块由于其本身的过热保护，在进行设计时要考虑单板的功耗。
3.电源功耗考虑不周，导致输出为0
在OptiXOSN3500产品环境实验过程中，高温55度情况下，SSN1EGT2单板配置交叉环回业务会出现严重丢包，有时甚至业务完全终断，回到常温状态单板掉电一段时间，然后重新上电可以恢复正常。
首先，在高温环境重现问题，待现象出现后用Zmud对单板下各级环回，如下图：
从光口侧进行1、5、6、8环回，发现1、5环回通，6、8环回不通。
由于5和6环回之间有虚级联RAM的接口，所以初步判断是PM5397与RAM之间的接口引起的问题。
初步设想是由于温度升高后引起接口时序的变化而产生的问题。
试着采用调整FPGA送给PM5397的时钟的时序，但发现这样是徒劳。
后注意到此电源芯片为3.3V转1.5V电源，而1.5V电源就是专门供PM5397与RAM之间的接口用的IO电源。
发现此电源实测电流确实大于该电源芯片的额定工作电流，常温下就已经不处于正常工作状态。
又找来电吹风，对工作状态的单板进行局部加热，实验结果，常温下1.5V电压很正常，但只要电吹风打到最大档，对准1.5V电源芯片吹上几秒钟，就可以马上看到电压降低，如果再继续几秒钟，电源会没有输出，即为0V。
所以，通过这种现象，基本上可以断定是由于此电源芯片设计不合理导致的高温丢包问题。
最后，更换1.5V电源芯片TPS7101QD，用额定电流更大的MIC29302代替，再次进入环境实验室进行高温55度验证，一切正常，高温不会丢包。
单板的PM5397芯片与RAM的接口总线上应用了大量的上下拉100Ω电阻，我们在当初计算功耗的时候并没有考虑到这些电阻的静态功耗。
总共54组上下拉电阻，产生的功耗为（1.5*1.5/200）*54＝0.6075W，那么增加的电流就有0.6075/1.5＝0.405A。
而单板采用的电源芯片最大额定电流就只有500mA，这样上下拉电阻的静态功耗加上芯片的功耗就超过了芯片的承受能力，实测电流达到628mA。
从而导致了单板高温丢包。
4.直流电源模块低温自激问题
低温实验时，用单音测试QC81BRCM单板的发射增益，在输出信号两边有对称的单音杂散，该杂散具有如下特点：
在输出信号两边对称，与输出信号频率间隔±400KHZ左右，其绝对幅度大小与温度有关，大致是在低温-15℃时相对于载频信号为-60dBc左右，温度越低杂散越大，温度升高杂散降低，当温度升高到0℃时，杂散基本淹没在底噪中。
问题的原因是给某放大器供电的DC-DC电源产生自激引起的，电源模块LP2951ACMM自激引起的杂散调制到放大器上，在该放大器输出端即可测到杂散。
LP2951ACMM的资料上说明该芯片的输出电容C7001有要求，对此容值的选取与负载工作电流有关，电流大此值应相应变大，电流小此值应相应变小，如电流小选过大的容值也会引起不稳定。
同时对此电容的ESR和谐振频率有要求，要求此电容的ESR<5欧（具体值与负载电流有关，在36mA负载电流下该电容ESR引起的不稳定值基本为10欧以上），谐振频率>500kHz。
低温时杂散重现可能是因为:
（1）低温下放大器U702增益变大，从而工作电流增大，需要更大的输出电容。
（2）输出电容温度特性差，低温下输出电容的容值变小。
（3）输出电容在低温下ESR变大。
前两种情况都需要增大输出电容的容值，加大容值容易，如何在增加容值的同时进一步减小电容的ESR？
采用电容并联的方法，可解决该问题。
用两个4.7uF的电容并联作为输出电容，既增加了输出电容的容值，又可减小总输出电容的ESR。
后经测试验证，顺利通过试验。
5.电阻匹配不妥，造成信号回沟
单板A在做环境实验时发现低温启动不成功，单板处于反复复位状态，查看告警信息，为FPGA逻辑初始化失败，即加载不上。
实验室也能重现可排除是芯片在低温下有问题的可能性，测试时序可以发现裕量充分，细测FPGA加载的几个信号特别是时钟信号，发现沿上有回勾，这样的回勾，对于XC2S300E来说，足以引起误判，特别是在低温条件下。
分析实际情况，单板A上有两块FPGA芯片FPGA0和FPGA1，两者成链后由CPU加载，共用时钟信号FPGA_CLK，由于CPU在单板右上角而FPGA芯片在单板左下角，走线很长，始端加了33欧匹配电阻；而为支持两个逻辑芯片的单独调试，时钟信号在送到FPGA0芯片侧时通过两个0欧的分叉电阻分开，分别送往FPGA0和FPGA1；另外为方便调试每个FPGA芯片都可单独支持电缆加载，电缆连接器是由从串加载和JTAG调试共用的，放在在单板的右下角，分别通过一个0欧电阻选用，如下图所示：
这样子导致整个走线非常长特别是分叉很长，从CPU发出的FPGA_CCLK信号在FPGA0芯片接收之前同时接收到了到从FPGA1上反射回来的信号，导致回勾。
形成这种情况的根本原因是因为反射，所以要解决这一问题就是减小反射，方法为：
将FPGA_CCLK信号和FPGA0、FPGA1相连的分叉电阻由0欧改到51欧，同时将CPU送过来信号的始端匹配电阻由33欧改为0欧，这样可以使反射回来的信号基本衰减完，不致于在沿上形成回勾。
但同时由于线上串阻太大而导致时钟电平偏低，高电平仅有2.8V，经过和xilinx技术支持确认，作为TTL电平，XC2S300E和XC2S100E接收2.8V的高电平没有问题。
6.时序紧张
SBS128X高温55℃，通过光路测试SS61S16VC4业务，发现有随机误码产生。
误码产生固定为对应的几条总线，更换SS61S16，仍为该几条总线存在误码，经测试，发现交叉板内从SD535到16923之间，这几条总线数据信号反射严重，造成数据的建立时间不足，交叉板SS61XCS板内时序紧张，在高温情况下产生误码。
修正交叉板内数据走线，更换匹配电阻阻值，改善数据波形，误码问题得到解决。
7.时序紧张
多媒体某产品在进行环境测试中，在高温+55℃工作时图象出现马赛克和跳帧，在温度循环（-5℃/+55℃）的高温段出现相同的问题，在低温工作等其他测试中没有出现该问题，问题现象100％重现，说明该产品的高温容限设计存在问题。
数据线ED相对于时钟上升沿的建立时间（6）最小需要4ns，时钟上升沿与读有效RE的上升沿的延迟（9）最大有4ns，那么数据相对于RE的建立时间最少要4＋4＝8ns才可靠，在实验室常温下实测数据相对于RE的建立时间为8ns，已经是临界值了。
在实验室用电吹风加热ERAS板的FPGA时，会发现数据边沿向Re上升沿移动数个ns，数据的建立时间接近0ns，同时传送的图像会出现马赛克。
这就是高温下出问题的原因所在——高温下数据建立时间不够。
8.器件温升过高，通过PCB表面铺铜提高散热效果
TXX/RXX是XX系统中非常重要的信号转换板。
XX环境实验高温和高低温循环出现的误码问题，产生误码的原因在RXX板，后定位为该板上的：
G公司的GDX8（10.66G解复用DEMUX芯片）温升过高。
由于该器件的特殊性，目前器件的顶部使用的散热器已经足够大，考虑到单板的机械性能，散热器的重量已经不能再增大，同时由于Rj-top太大，对于这种器件改善顶部散热也只能起到事倍功半的效果，充分利用地线，打通PCB，PCB背面留亮铜。
备用附加措施：
如果回归测试仍不能解决问题，在背面加散热器，保证散热器与亮铜良好接触。
安装结构如下图。
改板后该单板顺利通过环境试验，器件的顶部（即正面）的温度普遍下降，最大达十多度，说明改板已经起到将器件热耗引到PCB并通过PCB散热的效果。
试验测试的结果也表明对结温有有效的降低。
9.芯片滤波不彻底，噪声增大
OptiX320G印度入网测试时，进行低温工作（－5度）、高温工作（＋55度）环境试验时，6个机柜中发现有12块LWC单板上报LOF，在定位问题中，对温度测试中出现LOF问题的5块单板在常温进行测试，发现其输出抖动较大，其输出抖动较大的原因是由于时钟数据恢复芯片CDRS3076模拟电源处的噪声较大。
为了进行对比实验，将其中的＃1－＃3单板在S3076模拟电源处增加4.7UF去耦电容一个，滤除低频干扰；将＃4、＃5单板在该处除增加4.7UF去耦电容外，另将200mA的滤波电感直接短接。
将这批修改后的单板在常温和高低温再进行测试，发现修改后所有单板在高低温下LOF告警消失，且抖动性能有一定改善，特别是采用第一种方案修改的单板抖动性能良好。
在高温下＃2、＃3单板级连18小时无误码，低温下＃1、＃2、＃3单板级连18小时无误码。
10.电容低温容量下降
无线产品线微蜂窝电源模块在进行HALT实验时，发现三台样品中有一台电源在低温-33℃时不能正常启动，一台在-50℃时不能正常启动。
电源模块辅助电源电路示意图如下所示：
在正常环境条件下，当输入电源（高压直流）开通时，通过电阻网络给辅助电源电路的电容C充电，当充电至PWM控制芯片UC2843的启动电压，则控制芯片开始工作，输出PWM控制信号，整个电源开始工作。
当环境温度很低时，由于辅助电源的启动电解电容C在低温下容量减小，温度越低，电解电容容量越小，在-55℃甚至可以减小40％，使得其储能不够，而使用的PWM控制芯片为UC2843，启动电流相对较大，导致UC2843启动时，电容C上的电压下降很多，不能维持UC2843正常工作，UC2843关断，如此循环，电容C一直处在充放电状态，而不能保持住UC2843工作的电压。
原因找到即可以提供解决办法，一个办法是加大电容C的容量，一个办法是减小PWM控制芯片的启动电流，鉴于PCB已经完成，更改电容容量会造成封装不能兼容，故决定更改控制芯片。
UC2843的升级版是UCC28C43，后者采用的是BiCOMS技术，启动电流典型5uA，最大10uA，而UC2843的启动电流将近1mA。
解决措施：
将UC2843更换成UCC28C43，由于UCC28C43是CMOS芯片，其启动功耗小，试验证明，-60度可以迅速起机。
11.锁相环阻尼系数过大，导致温变过程中出现误码
在传输××光口板的HALT实验的温度循环中，发现单板业务在温度快速切变（60℃/m）的时候出现了瞬间误码的现象，分析原因可能有两个：
（1）时序余量不够。
在时序比较紧张的地方，可能会因为不同信号对温度的反应不一样，在温度快速变化的过程中造成时序短期交错引起误码。
经过时序方面的测试，发现时序满足芯片的要求，且余量足够，因该不是该方面的问题；
（2）锁相环参数设计不合理。
锁相环设计对温度比较敏感，在温度快速变化过程中引起短时间失锁。
原因是部分参数设计不合理，对温度快速变化环境适应能力差。
由于排除了第1种可能性，怀疑第2种：
分析锁相环，发现单板锁相环的环路阻尼系数z偏大。
ͼ1环路滤波电路
计算环路增益。
鉴相灵敏度
0.328V；38.88MHz的VCXO的调谐范围是盻70ppm，即5443.2Hz，调谐电压范围0~3.3V，则压控灵敏度；
；环内分频比N=2。
环路增益
。
滤波器时间常数为：
自然角频率
阻尼系数
由以上计算可知该锁相环的阻尼系数ζ偏大。
ζ不能太小，ζ<0.707时环路相应处于欠阻尼状态，会发生超调，容易引起失锁，所以ζ一般应大于1；ζ也不能太大，因为ζ很大后，环路的瞬态相应能力减弱，所以保险设计ζ一般控制在2左右。
这样可以提高锁相环在温度快速变化的环境中适应能力。
所以针对单板的整改方案是：
电阻R252，R257由100K，换成11K；电阻R255，R258由150K，换成20K；电容C106，C107由0.33u，换成0.22u。
以此将ζ控制在2左右。
再次实验验证，经过3个温度循环（60℃/m），瞬间误码现象消失。
12.器件参数随温度漂移
某户外产品采用FSK（频移键控）的方式来实现网管数据的解调，去东北某地去开试验局，期间遭遇少见的大雪降温天气，夜间温度在－30℃左右，白天的气温也近－20℃。
多台设备出现了网管信号中断的情况。
经试验，当实验箱的温度降到－12℃时，在数据整形端口已无输出；在测试检波后初始解调信号，发现解调信号已处于比较电平以下，故没有整形信号输出。
芯片工作原理框图
因FSK输入信号幅度很小，需经过多级限幅放大，再进行相位鉴频，之后检波滤除高频载波，输出频率相对较低的数据信号。
由于此时的信号不规整，幅度也较小，须经过整形才能使用。
数据整形器实际是一个比较器，基准电平是套片部电路提供。
如下图所示是数据整形前的情况。
数据整形示意图
经测试，发现在高低温实验中基准高电平存在很大的漂移，在2V~3V之间。
经查，芯片是模拟集成器件，其温漂比较大。
参考资料上的自调整电路，结合电路的特点和要求，设计了一个温漂跟随补偿电路，对温漂进行了补偿。
其原理如下：
温度补偿电路原理
用一个由R1和C1构成的低通滤波器把交流成分滤除，只留下直流，然后再对其进行合适的分压后作为比较电平送到数据整形器中。
适当选取R1和R2的比值，将比较电平基本固定在所要求的理想位置。
当外界环境温度的变化引起初始解调信号的电平变化时，低通滤波器的输出电平也随之变化，并且变化的方向和幅度是一致的，于是比较电平随着温度的变化在改变，而且基本维持在解调数据的中间位置，波形整形器始终能够整形出良好的数据信号。
通过进一步的高低温实验（－40℃～+65℃），比较电平基本上稳定在解调信号的中间附近，不会偏到解调信号的两边，整形后的波形没有没有任何变化。
问题得到了完全的解决。
13.稳压管稳压低温漂移
无线产品线一体化工作箱电源在在进行HALT实验时，发现三台样品中有一台电源在低温-10℃时不能正常启动，另外两台在-30℃时不能正常启动。
在正常环境条件下，当电源正常工作时稳压管1N4750A和稳压管1N4748A不会导通，光耦不会导通，过压保护不会起作用。
由于稳压管的稳压值较高时，属于雪崩击穿，稳压电压值表现为正温度系数的特性，当温度越高时能稳压的值越高，反之当温度降低时能稳压的值越低。
而光耦的正向导通电压是呈负温度系数的，即温度升高而正向导通电压下降，这可以和稳压管的正温度系数刚好形成补偿的，但是稳压管的温度系数远大于光耦的温度系数，这样当温度降低时稳压管的稳压值的降低成了主导因数。
故当环境温度降低时，稳压管1N4750A和1N4748A的稳压值，由原来正常温度时能稳压到50.14V，降为低温时仅能稳压48V或以下，而输出电压一直为48V不变，这样1N4750A和1N4748A导通，同时光耦导通，电源模块过压保护电路动作。
PWM芯片VCC控制电路在光耦导通时会将VCC关断，从而PWM芯片因无VCC而停止工作，整个电路停止工作，从而整个电源模块不能正常起动。
将22V的稳压管1N4748A换成24V稳压管1N4749A，这样在低温时尽管稳压值发生了漂移，但在相同的低温下稳压管1N4749A较稳压管1N4748A能稳压的电压相对高一些，稳压管不导通，光耦不导通，过压保护电路不工作，这样就能保证不会出现低温-30℃不起机的现象。
带来的影响是输出过压保护点增高。
在室温25℃时，换了稳压管时过压保护点由原来的50.14V，变为53.11V，在电源要求的最高工作温度+55℃时经测试过压保护点为54.47V，在电源要求的最低工作温度-10℃时经测试过压保护点为52.39V，修改之后在-50℃能保证正常起机。
14.参数漂移，导致低压保护
在B产品可靠性试验中，当环境温度为55℃，且模块供电电压为25.5V时，发现两个T模块进入告警状态。
经查，告警原因在于T模块执行了低压保护动作。
T模块的保护电路原理图如图。
而低压保护点设计值为25V，为何会产生漂移？
T模块保护电路原理图
V-是比较器LM393的基准电压，由7812输出电压电阻分压可得：
V-＝Vs×R303÷（R303＋R313）；
VD303是18V稳压管1N4746A：
V＋＝Vout－Vd；
根据LM393比较器的特性，有：
V＋＝V－；
则继电器动作的临界电压Vout（on）＝[Vs×R303÷（R303＋R313）]+Vd；
低压保护点设为25V，.低于此电压时低压保护电路起作用，将断开模块供电。
根据上述计算公式可以计算出各器件的参数（图中标注）。
取Vout（on）=25V、Vs=12V、Vd=18V、R303=3.6K，则R313=5.11K，如果实际的Vout为26V，则输出电压与低压保护启动电压之间的隔离电压为1V。
由于器件参数温度漂移和取值误差，在温度变化后，低压保护启动电压Vout（on）将有所变化。
根据器件手册提供的参数，考虑最恶劣的情况：
1.7812最大输出为12.6V@-55℃~150℃；
2.电阻误差1%；
3.稳压二极管1N4746A的温度漂移为18mV/℃（如图二）；
4.环境温度为55℃时，假设稳压二极管的温度为75℃进行计算，
则：
V－=5.11×（1+0.01）×12.6÷（5.11×（1+0.01）+3.6×（1-0.01））=7.45V；
Vout（on）＝7.45＋（18＋（75－25）×0.018）＝26.35V
在环境温度为55℃时，低压保护启动电压可向上漂移至26.35V，而Vout的标称输出电压仅为26V。
即，当电压低于26.35V时，有可能启动低压保护，造成功放异常断电。
图8.5稳压二极管温度系数
解决措施：
保护点设计需考虑器件温漂和精度的影响。
将R313阻值调整为3K，即有：
V－=3×（1+0.01）×12.6÷（3×（
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