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三防设计_图文

三防设计
1. 三防技术的现状 2. 环境(自然)适应性设计 3. 三防设计技术

讲座提纲
一. 三防技术的现状
1. 三防技术的发展阶段 2.当前企业”三防”存在问题剖析 3.三防体系的建立与技术管理

二. 环境(自然)适应性设计 1.环境分类
2.相关术语 3. 环境类型 4. 结构件分类 5. 环境因素及其影响 6.环保设计

三. 三防设计技术
1. 三防设计的重要性及典型案例分析 2.结构材料和工艺选择(A类、B类、C类环境)

一. 三防技术的现状
1. 三防技术的发展阶段 1.1 起步阶段 ( 1963~1966 ) 1) 确定了”三防”的地位 2) 组建了三防技术队伍 3) 目标:仅停留于“ 工艺” 防护 缺乏顶层设计的全局观念

三防技术的现状
1.2 初级阶段 ( 1984~1990 )
通过” xx ”总体设计---对”三防”技术抓总(自上而下)

1) 恢复了”三防”技术队伍 2) 由工艺防护 转向 优选材料 3) 重视”三防检测”及”三防认证” 4) 进展:恢复了 “自上而下” 抓三防

三防技术的现状
1.3 发展阶段
(1991~2006) 由原电科院 (现中电总公司)专家组抓总,列入科工委预 先研究课题.

1) 作为系统工程抓 “ 三防 ” 2) 由工艺防护转向”三防设计” 3) 完成了电子行业”三防统测”工作 4) 完成了” 三防手册”的编写 5) 开始编写设计规范性文件及管理办法

1.4 当前业界三防设计技术的状态
1) 由于多种原因处于缓慢发展状态 ? 人员变动 ? 领导变更 ? 急功近利 2) 军方及用户比生产厂(所)更重视 3) 大型民营企业重视程度高于军品

4) 认识上的差异 ------抓基础力度不够 , 缺乏长远规划.

2. 当前企业”三防”存在问题剖析
2.1 观念上的差距 1) 对三防重要性认识不够或缺少方法 2) 只重视”工艺防护” 忽视 “三防设计” 3) 领导(技术) 找不到突破口或仅停留在技术层面上,未 在管理上下功夫. 2.2 认识上的 “滞后”
绝大多数 “三防”问题是在产品研发后期或使用中发现, 由于“三防” 不是直接创造 “效益”, 往往在前期被忽略, 而一旦发现问题, 只能事后 补救.

论证阶段

方案阶段 工程研制阶段 定型阶段 生产

使用阶段

存在问题剖析
2.3 如何解决 1) 领导重视(有专人负责)
按“三防设计的管理规定” 程序,“自上而下” 抓。 做到每个环节都在可控范围内。

2) 建立”三防体系”; 3) 重视三防设计;
? ? ?

逐步完善并优化 “三防设计规范”; 逐步做到按规范设计; 避免设计的随意性。

3.三防体系的建立与技术管理
3.1 定义----三防体系
三防体系是为使电子设备达到三防技术要求而应具备 的条件:

1)三防设计专家及环境工程专家; 2)电子设备三防设计指南及管理规定; 3)三防设计文件及支撑性设计文件; 4)三防检测 及认证 (Q C).

三防体系的建立与技术管理

设计指南 管理规定

设计文件

支撑性设计文件

三防体系设计文件----第一层次
第一层次----管理性文件 1. 通用性的设计指南 2. 三防技术工作的管理规定

三防体系设计文件----第二层次
第二层次-----设计文件 1. 金属及非金属材料的选用设计规范; 2. 表面处理----金属镀层、化学转化膜及有机涂 覆层的选用规范; 3. 结构件三防设计规范; 4. PCBA敷形涂覆的材料和工艺; 5. 关键辅料的选用规范。

三防体系设计文件----第三层次
第三层次----支撑性设计文件 1. 关键工艺的工艺规范、作业指导书; 2. 关键材料和结构设计的试验数据、研究报告; 3. 产品、部件的质量控制、检测方法及三防试验数据; 4. 产品售后的三防性能(市场返回的三防事故定性、 解决方案、结果); 5. 结构件、外购件的三防性能及质量控制; 6. 其它有关三防质量控制的信息和文件。

三 防体系的建立与技术管理
3.2 三防设计
1) 定义
根据电子设备寿命期环境剖面及三防等级要求,对其系统设备和某些特 定单元及部件采取的防湿热,防霉菌,防盐雾腐蚀的设计思想,设计方法和 防护工艺措施.

2) 原则
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将三防设计纳入到系统和设备的功能设计中,避免单纯的工艺防护和事后 补救措施. 按规范设计,避免设计的随意性。 三防新设计,新工艺,新材料必须经试验、评审并制定典型工艺规范。 设备及关键部件的三防性能,须按军标中有关规定进行试验,以满足必需 的环境适应性要求.。 跟踪设备在(使用)寿命期内所出现的三防问题。

三防体系的建立与技术管理
3) ? ? ?

三防设计应具备的条件 有专职或兼职的领导 (负责顶层设计) 有专业从事三防设计的专家(编制设计规范及专
项工艺)

逐步完善”三防设计规范”及三防体系建设 ? 有称职的专职检验(环境工程专家) ( QC ) 4) 目标: 按规范设计 避免设计的随意 性。

三防体系的建立与技术管理

3.3三防的技术管理 ( SJ 20812—2002 )
1) 2)

3)
4) 5)

组织管理---有领导及建立三防设计师制度 建立三防技术协调组 三防等级的确定 过程管理 主要工作

三防体系的建立与技术管理
4) 过程管理
论证阶段 方案阶段 工程研制阶段 定型阶段 生产使用阶段 ----三防设计师应全方位参与并制定各阶段工作计划.

5) 主要工作
a. 参加调研,了解环境剖面, 平台环境, 任务剖面.

b. 编制三防设计指南, c. 提出急需解决的专项课题, 协助计划部门实施专题(滚动)计划. d. 引进三防新技术,新材料,新工艺. e. 组织编制设计(工艺)规范. f. 汇总及反馈三防设计,工艺,材料有关问题的信息, 提出解决办法.

二. 环境 (自然) 适应性设计(1)
1. 环境条件分类
a. 按自然气候分:如湿热、干热、暖温、寒温、寒冷…… b. 按产品所处状态:如运输、贮存、使用等; c. 按产品使用场合:室内、室外、舰船、车载、机载…… d. 按环境因素的属性:如气候、机械、生物、电磁、特殊介质… 第四种分类法是70年代后期国际电工委员会推荐的分类法, 适合于电工、电子产品。

环境 (自然) 适应性设计(2)
1.1.气候类型与环境因素
日平均值的多年平均值

气候类型 恒定湿热

低温 ℃ +17

高温 ℃ +33

当RH≥95%时 最高温度 (℃)

最高绝对湿度 (g/m3)

+31

32

湿 热
极干热 中等干热

+12
+8 +0 -10 -15 -29 -45 -55

+35
+43 +35 +35 +30 +29 +25 +26

+28
+26 +24 +23 +20 +18 +13 +18

27
24 22 20 17 15 12 14

干 热
暖 温 寒 温 寒 冷 极 冷

环境 (自然) 适应性设计(3)
2. 相关术语
1)寿命期环境剖面(Life cycle environment profile----LCEP)
LCEP用以表征设备在整个寿命期内会暴露于其中的环境或环境的 综合,LCEP应包括以下内容:
a。从设备出厂验收、运输、贮存、使用、维修直到报废所遇到的环境应力 的综合; b。每个寿命期阶段的环境条件相对和绝对限期出现的次数及频度的可能性。 c。LCEP是设备制造商在设计前应了解的信息,包括:
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使用或部署的地域; 设备要安装、贮存或运输平台; 有关相同或类似的设备在此平台环境条件下应用状况。 LCEP应由设备制造商的三防专家制定,是设备三防设计和环境试验剪裁的主要依据,它对要研 制的设备在真实环境下的性能和幸存性方面的设计提供依据。它是个动态文件,一旦得到新的信息, 它它应当定期修订更新。 LCEP应在设备的设计规格书中环境要求部分出现。

环境 (自然) 适应性设计(4)
2)平台环境(Platform environment)
设备由于被连接到或装载于某一平台上后而经受的环境条件。平台 环境是由此平台和任何环境控制系统诱发或强迫作用造成的结果。

3)诱发环境(Induced

environment)

主要是指人为的或设备产生的某一局部环境条件,也指自然环境强 迫作用和设备的物理化学特性综合影响造成的任何内部条件。

4)环境适应性(Environmental adaptability)
电子设备、整机、分机、元器件以及材料在预期的环境中实现其功 能的能力。

环境 (自然) 适应性设计(5)
3. 环境类型和三防等级
防护等级
环境类型 民用

军品

环境(自然)类型的说明
温湿度受控的室内或被密封的有限 空间内.
不受控的环境,偶尔会R.H 100%如 仓库,地下室,户外简单遮蔽等.
恶劣环境如:海上舰船,岛屿或距离海 岸,盐碱地3.7Km;冶炼,化工,皮革 厂1~3Km 受有害物质(酸,碱,盐。 SO2 H2S 等)侵蚀。

A类
B类

A
B

二级

一级

C类

C

环境 (自然) 适应性设计(6)
4. 结构件分类-----按所处环境划分
4.1 “Ⅰ” 型表面和 “Ⅱ” 型表面
分类
Ⅰ型
(暴露)

定义
表面

Type Ⅰ
(exposed) surfaces

Ⅰ型表面是指当设备处于工作或行进状态时,直接暴露 在自然环境中的表面或能受自然环境因素直接作用的 表面。自然环境因素包括:温度,湿度,雨,雪,盐雾,日光 及风沙等。例如,直接暴露在上述环境中任何设备的 外表面都是Ⅰ型表面。

Ⅱ型 (遮蔽)表面

Ⅱ型表面是指当设备处于工作或行进状态时,不直接暴 露在自然环境中的表面,并且不会受到雨,雪,日光及风 (sheltered) 沙等直接作用的表面。如电子设备方仓的内表面,户 surfaces 外机柜的内表面及内部的结构件。

Type Ⅱ

环境 (自然) 适应性设计(7)
4.2 结构件分类 a. Ⅰ型结构件:处于Ⅰ型面的结构件。 b. Ⅱ型结构件:处于Ⅱ型面的结构件。

环境 (自然) 适应性设计(8)
4.2 结构件类型
按设备工作时所处的自然环境, 将结构件分为Ⅰ型结构件和Ⅱ型结构件两类. 除安 装或工作时能与自然环境直接接触的外露零件外, 大多数零件属于Ⅱ型结构件.

环境类型

结构件类型

A类
B类 C类
密封件 内部

只有Ⅱ型结构件
除户外只有简单遮蔽的外壳属于Ⅰ型结构件, 其它属于Ⅱ型结构 件.

外壳及附件、天馈系统是Ⅰ型结构件.
无论何种类型的外部环境, 其内部属A类环境. 无论何种类型的外部环境, 其内部都属于Ⅱ型结构件.



环境 (自然) 适应性设计(9) ----- 6. 环境因素及其影响
5. 环境因素及其影响

5.1 温度 5.2 湿度 5.3 粉尘 5.4 盐雾 5.5 游离腐蚀性气体 ( SO2 H2S SO3- ) 5.6 霉菌 5.7 昆虫, 啮齿动物 5.8 太阳辐射( 紫外线、臭氧)

5.1 温度的影响
环境因素

影响因子
热老化 加速金属氧化 设备过热 粘度下降 蒸发 结构变化 凝露,结冰 脆裂 物理收缩 元器件失效 机械应力

典型故障模式
绝缘失效 触点电阻变大 EMIS材料电阻变坏 元器件(IC)损坏,焊点脱开,着火等 导热脂, 润滑脂流失,失效. 橡胶,塑料膨胀,变形. 机械故障(卡死) 导致性能变坏; 橡胶,塑料及元器件失效; 结构变化,引起泄漏; 某些器件在超过其限度后性能下降或失效。 结构件失效, 焊接,焊点开裂, 粘接和灌封件损坏, 涂层开裂、脱层等。

高温

低温

温度 冲击

温度的影响
1)温度有利一面 高温对驱潮湿有利,并可防止凝露及露点的产生。 2)负面影响 当设备工作时会产生热量,机柜内部气压升高而气体外溢。而不 工作时气温下降,则外部湿气及污染物会进入机柜内。

5.2 湿度
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设备和工程材料腐蚀过程中, 水是主要的介质. 当大气中RH<20 % 几乎所有腐蚀现象都停止. 因此防潮是三防中最重要的一环.
当RH达到60 % 时, 设备表面层会形成 2~4 个水分子厚的水膜.当有污染物溶入时, 会有化学反应产生. 当RH达到 80 % 时, 会有 5~20个分子厚的水膜, 各种分子都可自由活动 当有碳元素存在,可能产生电化学反应. 临界湿度` (Critical R· )-----一种物质明显吸收水份的湿度。例如: H a。氯化钠:当在20℃ 时,CRH为 75 % b。铁或钢:当在20℃ 时,CRH为 65 % c。锌合金:当在20℃ 时,CRH为 70 % 水分子很小,足以能穿透某些高分子材料的网状分子间隙而进入内部或通过涂层 的针孔而达到底层金属产生腐蚀。

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潮湿----冷凝
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对电子设备而言,潮湿是以三种形式存在:雨水,冷凝和水汽。 水是电解质,能溶解大量的腐蚀性离子对金属产生腐蚀。 当设备的某一处的温度低于“露点”(温度)时,该处表面:结 构件或PCBA会有凝露产生。 影响电路板的主要是凝露和灰尘,当凝露的水分蒸发后,污染物 就会以一圈的形式残留在电路板上,其中硫酸盐占的比例为 25~60 %,这一圈将是吸附潮湿,腐蚀PCB及器件的源头。 潮湿同时是酶菌、盐雾的载体。

潮湿-----湿热的影响
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破坏防护渡层,加速电化学腐蚀; 结构件锈蚀,影响外观及功能; 对电路板(PCBA)可产生电流泄漏、信号串扰、枝晶生长、导线断开; 绝缘材料受潮使绝缘电阻和耐压水平下降,造成短路、爬电、飞弧甚至 于火灾。 射频接口对潮湿更敏感; 微波器件功率下降,甚至于失效; EMIS衬垫/铝合金产生电化学腐蚀而EMC失效。

5.3 粉尘
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粗尘:粗粉尘是直径在2.5~15微米的不规则颗粒, 一般不会引起 故障, 电弧等问题. 但影响连接器的接触. 细尘: 细尘是直径小于2.5微米的不规则颗粒, 细尘落在PCBA (单板)上有一定的附着力,须通过防静电刷才可除去。 细尘的腐蚀性很大,尤其是当含有腐蚀性的酸、碱、盐时,当 RH大于60%时,能透过阻焊膜或敷形涂层将铜导线腐蚀断开。 粉尘+盐雾+湿热对PCBA的腐蚀最大-----C类区域常见的案例。

粉尘的成分
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大气中的污染物有三种存在形态:以气体形式(H2S);悬浮的 有机或无机酸(硫酸、盐酸);离子悬浮棵粒物。所有这三类形 态都依赖于潮湿才起腐蚀作用。 气态腐蚀物在大气存在时间很短,会产生化学反应或被地表吸收。 而悬浮的颗粒吸附离子污染物沉降于电子设备的内部而造成故障。 这是野外电子设备失效的共同之处。 细尘中可溶性盐类的含量:不同地域 含量差别较大,沿海和被 污染环境最高含量可达20%以上。

有关细尘的检测数据
某城市的一次细尘分析
含碳有机物 硫酸根离子 碳元素物

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物质 含量 %

NH4
8

NO3
6

未知物 18

31

28

9

污染物的来源
1)

硫酸根离子
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酸雨---主要是燃煤产生SO2导致酸雨。 铅---酸蓄电池的排放气体 化工厂、电镀厂的排放物。
海洋大气环流,海风夹带的盐雾可深入大陆20~50Km,悬浮于空气被风 扇带入设备内部。 土壤中含有盐碱(地)或在盐湖沙漠区域,沙尘中含有盐碱。

2) 卤素(氯离子)的来源
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粉尘的危害及防护
1)

粉尘的危害性
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由于粉尘沉降在PCBA表面, 产生电化学腐蚀, 故障率增加. 粉尘+湿热+盐雾对PCBA损害最大, 沿海、沙漠(盐碱地)、淮河 以南霉雨季节化工、矿区附近地区,电子设备故障最多。

2) 粉尘的防护
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密封或半密封 防尘网-----必需定期更换(须有备件及操作规程) 定期清洁处理(刷除或清洗)

5.4 盐雾
1)

盐雾的形成
盐雾是海浪、潮汐及大气环流(季风)气压、日照等自然因素造成, 会随风飘落至内陆,其浓度随离海岸距离而递减,通常离海岸1Km处 为岸边的 1 % (但台风期会吹向更远)。

2) 盐雾的危害性 ? 使金属结构件镀层破坏; ? 加速电化学腐蚀速度导致金属导线断裂、元器件失效。

3)类似的腐蚀源
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手汗中有盐、尿素、乳酸等化学物质,对电子设备回产生与盐雾 同样的腐蚀作用,因此在装配或使用过程中应戴手套,不可裸手 触摸镀层。 焊剂中有卤素及酸性物,应进行清洗,并控制其残留浓度。

5.5 有害气体
1)

大气中污染物存在的形式
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以气体形式,如 H2S SO2 O3 CO NH3 悬浮的有机酸和无机酸; 离子悬浮棵粒; 这三种形态都依赖于潮湿才能起腐蚀作用。
橡胶、塑料、油漆、PVC导线、包装材料释放的有害气体; 有害气体:H2S SO2 乙酸、甲醛、有机气氛、挥发性有机硅类 气氛等。 RTV硅橡胶固化时释放的有害气体 ------在密封机箱内, 禁用双组份缩合型硅橡胶;慎用RTV单组份硅 橡胶。

2)

局部微环境的有害气体
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有害气体的危害性
1)银层变色
H2S、SO2及其它含硫气氛在潮湿和紫外线作用下使镀银件产生化学反应生成Ag2S。

2)加速银离子迁移
在潮湿和有电位差的条件下,银离子会发生迁移,而H2S、SO2会加速其迁移,结果是厚 膜电路引线间短路而造成灾难性后果。

3)镀层
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阴极镀层: 在潮湿条件下通过孔隙腐蚀底层金属;在电路板有电位差情况下会产生枝晶生长、造成短路、电 弧和潜在的失火源。 阳极镀层: 对镀锌等阳极镀层会破坏钝化膜从而加速腐蚀。

4)贵金属触点“中毒”

5.6 霉菌的危害
1) 霉菌的危害
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霉菌吞噬和繁殖使有机材料绝缘性下降, 损坏而失效. 霉菌的代谢产物是有机酸, 影响绝缘性及抗电强度而产生电 弧. 长霉表面影响外观.
尽量选用不长霉的材料; 如必须加防霉剂需考虑其它因素.

2)

防范
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5.7 昆虫、噬齿动物(鼠害)
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啃噬电缆,破坏结构,破坏绝缘. 垫窝引起短路. 鼠尿引起腐蚀. -----在实际案例中, 由鼠害导致的设备失效比 想象的要多.

5.8 太阳 辐射( 紫外线、臭氧)
1)光老化是对户外产品中非金属材料的重要试验项目, 很多材料(如橡胶、 塑料)在户外会因紫外线、臭氧作用而降解、失效。 2)实验方法:
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大气暴露试验:真实、简单、环境多样性、但试验周期长。 人工加速试验:快速、与大气暴露试验有较好的对应关系。

3)加速实验
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材料:紫外线 ASTM G53 使用UVB310nm

4h/60℃; 4h/50℃ 共1000h。

臭 氧
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ASTM D518 暴露70小时。 GB 12527—90(附录A) 1006 h GB 12527—90(附录A) 70 h

试样:氙 灯

臭 氧
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合格:不降解、无龟裂、强度变化±30 %

6. 环保设计-----指令及禁用物质


文件(指令)
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WEEE Directive (欧盟议会和欧盟理事会关于报废电子电气 设备指令)

Directive of the European Parliament and of the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment

?

RoHS (欧盟议会和欧盟理事会关于在电气电子设备中限制使用某些有害
物质指令)

Directive of the European Parliament and of the Council on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Equipment.



从2006年7月欧盟市场禁用以下物质:
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?
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铅 汞 六价铬 镉 多溴联苯 (PBB) 聚溴二苯醚 (PBDE) 等6种有毒物质。

环保设计----回收率、环保标识


回收率
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回收率增加至设备重量的 75 % 以上。 组件、材料和物质再利用和再循环将增加至设备重量的65%以 上。



环保标识
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为便于分类收集生产者对投放市场的电子电气设备印有适当标 志。 标识:环保、分离回收、回收材料、设备分拆、包装材料等标 识。

环保设计----禁用物质的限量
序号 禁用物质 石棉及石棉化合物
氯氟烃和碳卤化合物(一、二级臭氧耗损物)

极限含量(PPm) 0

1

2 3 4 5 6 7 8
9

0
0 800

卤代二恶英和呋喃 铅及其化合物(乙酸铅、硝酸铅、硫酸铅)

汞及其化合物
镉及其化合物 六价铬及其化合物
多溴联苯(PBB)及其衍生物如多溴联苯醚(PBDE)
多溴联苯氧化物(PBDO)

100
75 900

900
5

多氯联苯及其衍生物(PCTS)

三。三防设计技术
本章分二个问题讲解 1. 三防设计的重要性及典型案例分析 2. 结构材料和工艺选择 2.1 A类环境 2.2 B类环境 2.3 C类环境

三防设计技术 (1)
1.三防设计的重要性及典型案例分析.
1.1 造成三防事故的原因 根据多年的统计分析:
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事故中属设计不当或设计错误占 80 % 由加工或工艺问题占20 %

1.2 造成三防事故的主要原因:

② ③ ④

没有设计规范的支撑、造成设计的随意性; 对产品的(寿命期)环境剖面缺乏了解; 认识上的片面:把三防技术仅看作是工艺问题; 缺乏对三防(自上而下)管理的力度。

三防失效案例一:选材错误
海上(舰船用)电子设备模块材料选用LY12 (2A12),军检湿热240h,长白粉。 采用喷三防漆保护。 ? 海上使用一年后,漆层底部长白粉(误认为长 霉) ? 应选用LF系列防锈铝合金或者LD31(6063); 不选硬铝。
?

三防失效案例二:电偶腐蚀
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钛合金天线行架与铝合金接触,在沿海工作不到一年, 由于电偶腐蚀而散架,无法修复。 铝合金盖板与镀银件接触导致铝合金腐蚀。 镀银模块于铝合金底座接触,导致铝底座腐蚀。 镀银器件安装在铝合金面板上,湿热试验后导致铝面 板腐蚀,器件外壳改为镀镍后,通过试验。 SMA高频连接器,用镀锌螺钉,在湿热环境6个月后, 彩锌螺钉生锈,应选用不锈钢紧固件。

三防失效案例三:应力腐蚀
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海军某舰,天线采用钢管焊接涂漆,二年后焊 接处锈蚀而断裂。

C类环境焊接处应力腐蚀

三防失效案例四:工艺设计(流程)错误
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?

机柜侧门镀彩锌后喷烘漆或喷粉(内侧未喷或 局部需导电而保护),湿热试验后镀锌部位长 白粉。 镀锌表面丝印文字符号,经高温烘拷后,彩锌 钝化膜失效,湿热后长白粉。

三防失效案例五:对环境剖面了解不够
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在东南沿海、海南等盐雾地区工作的电子设备 PCBA断线、器件失效。 该地区湿热、盐雾沉降量大或尘土中含盐而导 致电化学腐蚀的结果。

三防失效案例六:设计思想
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海岸、舰船大、中型密封腔(如天线罩)积水 这是因为:暴露于大气的密封件不可靠;一旦 密封失效,内部积水形成R· H100% 应设计成开放式结构,可采用防水透气阀(压 力平衡器)使内腔与大气相通。

三防失效案例七:不规范设计
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某埋地设备由于采用平垫(拼接)造成雨季漏 水。 正确设计:低应力压缩密封,应采用“O”形圈或
“D”形圈,不采用平垫。

三防失效案例八:户外结构件锈蚀
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?

户外设备(C类、B类环境)钢结构件锈蚀; 紧固件锈蚀。 解决方案:
① ②



采用奥氏体不锈钢 采用热浸锌+喷漆(底漆+面漆150~200微米)重 防护体系。 紧固件选用不锈钢(奥氏体)。

C类环境钢结构件锈蚀

户外钢结构件(C类环境)腐蚀严重

三防失效案例九:包装(贮存)失效
?

某厂军品显示器线路板采用铝塑真空包装, 储存在长 江流域(有霉雨季),二年后、发现有长霉:
– – – –




扁平电缆表面严重长霉; 减振橡胶板(不是硅橡胶)有白色点状霉点; 连接器塑料件长霉; 纸标签(涂漆)长霉; 铝合金结构件长白粉。 原因:可能是热压封口处漏气,潮湿气体进入,湿热的局 部环境在高温环境下长霉。

三防失效案例十:选材重于防护(工艺)
?

?
?

用于C类环境的结构材料采用铝合金的总成本 (包括维护成本和风险)要优于钢构件. 某些结构件采用不锈钢会更合算. 采用工程塑料复合材料(SMC), 由于可批量生 产和耐蚀性好,是降低成本的方向.

典型案例分析
1.3 简单的总结
① ② ③ ④

必须按设计规范设计-----做到有章可循,有法可依,减少设计 上的随意性. 选材重于防护(工艺). 设计思想(方法论)重于设计技术. 需注意的几个问题:
?

?
? ? ?

电偶腐蚀 应力腐蚀 缝隙腐蚀 处理好降低成本与维护成本(可靠性成本)的关系. 注意整个寿命期环境剖面的防护.

三. 三防设计技术 (2)
2. 结构件材料和工艺选择
?

?

A、B、C类环境下设计(选材)须遵守的原则; 各类环境下常见的腐蚀问题和设计应注意事项。
2.1 A类环境; 2.2 B类环境; 2.3 C类环境。

2.1 A类环境防护

2.1 A类环境的防护
2.1.1 A类环境防护的概述
? ?

A类防护的材料和工艺选择范围广泛. A类防护的重点在于:
? ? ? ? ?

合理的选用材料. 局部喷涂。 金属(镀锌层)丝印。 EMC材料的接触腐蚀。 运输、储存环境剖面的不可预见性。

2.1.2 金属材料的选用---黑色金属
a-1钢板 (常用品种)
钢板分类 冷轧钢板 热轧钢板 预镀钢板 碳素结构钢板 碳素结构钢板 电镀锌 热浸锌 覆铝锌板 镀锡板 不锈钢板 弹簧钢带 奥氏体 (热浸镀铝锌合金) (马口铁) (普通,镜面,磨砂,拉丝)
1Cr18Ni9 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 0Cr17Ni12Mo2

常用牌号 08 08F Q235A (耐指纹) DX2 铝的含量不同,其性能有差别 SPHC(薄板<2.5mm)

可选不同材料

65Mn

sus301 (1Cr17Ni17)

黑色金属材料的选用---钢
a-2 钢板(件)的选用和防护
基材 表面处理 防护原理
耐蚀性

注意事项

(中性盐雾试验)

预镀 钢板
冷 轧 板 或 钢件
不锈钢

(预镀)
电镀锌 镀铜+镍
镀铜+镍+铬

预镀锌膜厚 1~3 微米 热镀锌膜厚 5~20微米
镀层厚 6~12微米(A) 镀锌镍层10微米(B、C)

平板面24h无腐蚀
Cr+6钝化-----168h Cr+3钝化-----72/48h 48~72h 48~72h 48 h 500 h

限A类使用,切口边 会锈蚀,须隐蔽。
对手汗敏感;高温钝 化层破坏耐蚀下降。 耐磨、装饰 耐磨 优选304、316或 1Cr18Ni9Ti 户外构件需热浸锌+ 有机涂层(重防护)

Fe/Ep.Cu20 Ni30
Fe/Ep.Cu20 Ni30 Cr0,3

钝化
磷化(或镀 锌)+喷漆、

选用奥氏体材料 厚度 80~120 微米

钢板
(件)

有色金属材料的选用----铝
b 铝及铝合金选用
① ②

铝及铝合金的耐蚀性: 纯铝>防锈铝>锻铝>压铸铝>硬铝 硬铝(合金铝)通常表面有一层包铝层(纯铝)保护基体材料,当机 加工后,基体裸露由于铜元素的分部,在贫铜区会产生凹蚀坑及“白 粉”状腐蚀物。因此,在湿热环境下应用硬铝如2A12等的加工件(破 坏包铝层)要非常慎重。 根据结构特点及功能要求铝及铝合金的选用原则是: ? 无承力要求及导电件选用纯铝; ? 有一般承力要求的钣金件可选用防锈铝; ? 铝型材及机加工件例如:屏蔽盒可选用锻铝6061或6063; ? 压铸铝合金应选用YL102,而尽量不用ADC12(含铜)。



LY-12硬铝潮湿试验后腐蚀图片

有色金属材料的选用----铝
几种铝合金性能比较 抗张强度 Mpa
抗蚀性
(无包铝)

材料

H112

O

T4

T5

T6

中性盐雾 试验 (h)

机械加工性能
切削性好 光洁度高 变形小

5A06 6061 6063
2A12

295

315

>100 271 >100 164 210 >100

切削性好 光洁度高 变形小 切削性好 光洁度高 变形小
切削性差 变形大

235

235 405

< 24

有色金属材料的选用---铝
b-1 铝及铝合金 型号及状态 铝材分类 新型号 应用场合
非受力件,耐蚀好


板 型材

纯铝
防锈铝Al--Mg 锻铝Al-Mg-Si 锻铝Al-Mg-Si

1100—H24
5A06 5052---H32 6061—T6 6063、6061 6061 6063 YL102
ADC12

中等受力件,耐蚀好 厚板机加工件 高强度用6061—T6

棒材 锻铝
压铸铝合金( Al-Si) 压铸铝合金( Al-Si-CU )

耐蚀性好,流动性差

耐蚀性差,流动性好

铸铝在潮湿环境下腐蚀图片

有色金属材料的选用---铝
B-2锻铝6061和6063的性能
a.

化学成份 型号 Cu
0.15~0.4 ≤0.1

Mg
0.8~1.2 0.45~0.7

Mn
≤0.15 ≤0.10

Fe
≤0.7 ≤0.35

Si
0.4~0.8 0.2~0.6

Zn
≤0.25 ≤0.10

Ti
≤0.15 ≤0.10

Cr
0.04~0.35

6061
6063
b.

0≤0.10

力学性能 型号及状态 6061 6063 6063 T6 T5 T6 抗张强度 屈服点 伸长率

N/mm2
265 160 205 (241)

N/mm2
245 110 177 (230)

%
8 8 8 (15.2)

铝合金的涂覆与防护
b-3 铝合金的选用和防护 耐蚀性(中性盐雾试验) 表面处理 防护原理
无色化学 氧化 铬酸盐转化膜, 低于1μ,致密

注意事项

铝 板
100h无腐蚀

压铸铝 48h
(不能)

表面导电

阳极氧化
化学镀镍 镀金/镀银

膜厚大于6微米
化学镀膜层均匀
镍底层起屏蔽保护作 用

240h 以上

表面不导电
可焊性 无特别要求, 必须镍底层。

通常用其特殊功能而不要求耐蚀性; 当膜厚30微米时,有可能通过96 h。

镀金:72h无腐蚀;钎焊不要求 镀银:不要求,应考虑防变色。 500h 以上无蚀点

喷涂(漆)

有机涂层

有色金属材料的选用---铜、锌
c 其他金属材料---铜、锌的选用
材料 紫铜(纯铜) 黄铜(铜锌) 青铜(铜锡磷)
(铍铜)

型号
T2-M ( Y ) T3-Y ( M ) H62
QSn6.5-0.4-Y QBe2-Y

表面处理

耐蚀性

注意事项
高导电或导热零件 紧固件,一般导电及连 接器用 电连接, EMC, 连接器
A类环境下屏蔽罩(可焊) C类环境下,不可靠
对有重量特别要求的构件,但 须考虑到接触腐蚀问题.

钝化,镀镍,镀锡, 良好 镀银,镀金 钝化,镀镍,镀锡, 良好 ,镀银,镀金 钝化,镀银,镀金

良好

白铜(铜镍)
压铸锌合金 压铸镁合金

BZn18-18
ZZnA14Y ZZnA14Cu1Y AZ91D


镀锡, 镀镍或 喷漆.
化学转化,微弧氧 化,喷涂.


24,240,500 小时(盐雾)

2.1.3 A类环境结构、工艺要求


电镀、氧化件要避免深凹、盲孔及积水结构;
在前处理时,盲孔内会截留腐蚀性液体而不易清除。 应避免夹缝结构,以防储留腐蚀液。


? ?

组合工序的安排:
带有螺纹连接、压合、搭接、铆接、点焊等组合件,原则上不允 许进行电化学处理(电镀、阳极化); 不同类金属材料的组合件不能在一起进行溶液处理。应尽可能采 用涂漆或在电化学处理后进行组合。



镀锌层须考虑的潜在问题:
经铬酸盐钝化处理的镀锌层零件,其使用温度不得超过71℃ 。这对于 有喷漆局部保护的零件不适用,会使裸露的锌层钝化膜失效。

A类环境结构、工艺要求


“氢脆”
高强度钢(抗拉强度超过1050MPa)在电镀过程中会出现氢 脆现象。弹性零件一般不建议电镀,由于环境或特殊要求(导 电、耐磨等)必须电镀时,电镀前应消除应力,电镀后进行除 氢处理。
a)

b)

成型、淬火后,零件应在149 ℃ ~260℃下烘拷30分钟,以消除应 力,然后进行清理和镀覆。 电镀后立即将零件置于177 ℃~204 ℃下烘烤5小时,然后进行钝 化处理。

A类环境结构、工艺要求


电偶腐蚀 不同金属的接触电位差在A类环境应控制在 0.4V. A类环境的设备须考虑到运输、储存时所会 遇到的B、C类环境



A类环境结构、工艺要求
6)关于PCBA的防护 军用电子设备PCBA需进行敷形保护涂覆.
a. 要考虑运输, 储存, 维修时可能遇到B, C类环境. b. 提高可靠性及环境适应性能力.

2.1.4 A类环境防护的设计
在A类环境的防护设计中有以下几个问题须特别注意:
① ②

镀锌件局部喷涂或丝印后,经高温烘烤镀锌件钝化膜会失效, 湿热后产生白粉. EMC屏蔽材料与所接触的金属(铝或镀锌层)都超过了允许的最大电位差(0.4V). ? 电解板(镀锌层)与导电布(镍镀层)间的电位差是0.9V. ? 铝合金导电氧化与导电布(镍镀层)间的电位差是0.45V~0.6V. ? 铝合金导电氧化与导电橡胶之间的电位差是0.6~0.7V. 非金属材料的应用不规范 ? 自身长霉的材料; ? 选用胶粘剂不当; ? 散发出有害气体的材料---如某些橡胶中有”硫” ? 不符合环保等法规要求的有害材料. 对某些外购件的环境适应性控制不当 ? 紧固件 ? 镀层的选择与质量





2.2 B 类环境防护

2.2 B类环境的防护
2.2.1 B类环境防护的概述
① ② ③ ④

B类环境防护由于对环境剖面的复杂性很难定位,同时又要 考虑成本因素,因此是最困难的。所以在军品防护等级上 只分二级(B类和C类合为一级防护)。 所有对A类环境的防护要求,在B类环境中都必须满足,同 时还有更高的要求。 B类环境防护的重点是正确选用防护材料和工艺。 B类环境剖面(极端环境)的特点是:
? ? ? ?

长时间的湿热环境; 湿热+灰尘; 湿热+灰尘+盐雾 B类环境的举例:温湿度不受控的室内;地下室;户外简单遮

蔽;一般环境的户外设备。

2.2.2 B类环境防护的特点







由于有室外设备, 结构件分为: “Ⅰ”型结构件和 “Ⅱ”型结构件二类 除安装在户外设备的外表及附件外,其它的大多数 零、部件属于“Ⅱ”型结构件。 “Ⅰ”型结构件除奥氏体不锈钢和某些铝阳极化(如 微弧氧化)特殊零件外,所有的金属件都须采用有 机涂层覆盖。 户外 “Ⅰ”型面的紧固件, 应采用不锈钢(奥氏体)材 料会更可靠.

2.2.3 B类环境的防护


户外设备的涂层系统应采用:
? ?

喷粉:聚酯系列,不采用环氧系列。 喷漆:采用丙稀酸或丙稀酸/聚氨酯体系。





户外钢结构件有可能尽量考虑采用热浸锌+喷涂有机涂层防护 体系如:底座、承力弯角件、埋地部分等极易腐蚀部分。 室内设备主要考虑在长期湿热环境下的防锈蚀和灰尘+盐雾的 极端环境下的防护。 压铸铝件的化学氧化(无色)在湿热环境下会腐蚀成“白粉” 状,ADC12会更严重,有可能应在无需导电部分喷漆。





PCBA的防护 考虑到B类环境的剖面,PCBA应进行敷形保 。 护涂覆。

B、B类环境钢结构件工艺处理不当导致锈蚀

2.2.4 B类环境的防护




尽量不用预镀板,如果有局部喷涂(接地或导电) 要处理好接触腐蚀及切口边的锈蚀问题。 重视防尘设计:在B类环境的室内设备,良好的防尘设计是
保证设备可靠工作的重要条件。防尘网属易损件,应设计成方 便更换,易于清理并有详细的操作规程。





屏蔽材料与金属接触腐蚀的规避,应遵守0.25V的规 定. 材料选用:按规范选用。未经试验的或预计有问题 的材料,应经试验后优选并制订规范再应用。

2.3 C类环境的防护

2.3.1 C类环境的特点


腐蚀介质
? ?

?

盐雾 盐碱粉尘 有害气体及酸雾、酸雨。 东南沿海、海岛、舰船; 沙漠(盐碱湖)、盐碱湿地及周边。 化工厂、皮革厂、矿山、冶炼厂、火电厂周边; 海外:东南亚、西亚、中东、印度及加勒比沿海地区
这一带区域或高温、高湿、高盐雾。昼夜温差大或环境污染严重。处于 该区域的通讯电子设备、安装结构件、紧固件、天馈系统属于C类环境 “Ⅰ”型面。在该环境剖面,金属的腐蚀速度比一般地区高几倍~几十倍。


? ?

C类环境的典型地区

?
?

2.3.2 C类环境的防护


C类防护主要依靠材料的选择(用于Ⅰ型结构件)
选用
可优选

可选材料 铝合金

主要用途及防护工艺
主体结构材料.a 化学氧化喷户外粉(漆);
b 阳极化,喷户外粉(或漆)

不锈钢
碳钢
其它金属

可优选(奥氏体)
慎选 慎选,须配合严 格工艺

紧固件、主体结构、附件。钝化或喷漆
安装附件。简单的主体构件。热浸锌、喷漆。

配套件,表面应喷漆或用套管防护。

C类环境铝合金选用不当腐蚀

C类环境的防护


不锈钢的选用
? ? ? ?

?

选用奥氏体材料,如:1Cr18Ni9;1Cr18Ni9Ti; 0Cr18Ni9;0Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢无磁性; 要求钝化处理,通过中性盐雾试验 48小时 无腐蚀; 紧固件须定点供货; 每枇次应进行盐雾试验检测。

C类环境的防护


结构形式的要求及安装后工艺处理
?

?
? ?

要避免凸出的棱角和尖锐的切边(应打磨成圆角)再进行防护处 理。 安装件的折弯半径应是板厚的1倍以上,以避免应力太大而产生应 力腐蚀。 避免缝隙腐蚀;采用连续焊,在焊接部位须喷二道底漆及二道面 漆(尽量减少针孔率)。 安装后的涂漆工艺: a .当Ⅰ型面上有导电连接部位时,应尽可能设计成永久性连接: 即在装配完成后涂覆有机涂层或灌注密封胶。 b . C类环境中现场安装后,须在所有装配紧固件部位及漆层破损 处进行补漆处理。

C类环境的防护


倒圆角:

C类环境下,所有Ⅰ型面结构件的金属外 部棱边应该倒成圆角,以利于获得适当厚度 的涂敷层(电镀或热浸锌层、喷粉层或喷漆 层的厚度)。 金属的锐边上涂层是达不到设计要求的厚 度。通常倒圆角半径在3.18mm左右.

C类环境紧固件及结构件锈蚀

C类环境设备的紧固件锈蚀情况

C类环境的防护


非金属材料的选用
? ?

?

涂料:喷粉选用聚酯料;油漆选用丙稀酸或丙稀酸/聚氨脂。 密封材料: 橡胶-----硅橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶。 密封胶-----RTV硅橡胶。 防水胶带-----EPR。 塑料:要求耐候性好、耐紫外线及耐低温。如:PC、PET、 PVC等

C类环境波导法兰漏水、结构件锈蚀

C类环境电缆橡胶密封套开裂漏水

2.3.3 C类环境防腐蚀设计
① ②







暴露在外的所有构件应避免积水,尽可能消除缝隙,防止灰尘,盐雾沉降. Ⅰ型表面原则上不允许有裸露金属(包括镀层,不锈钢除外). 应当用有机 涂层覆盖,涂层应耐紫外线辐射. 对大容积构件(如:天线箱体,天线罩,高频箱)应避免气密性设计, 应有通 气孔或加有防水透气阀.使腔体内,外压力平衡.否则腔内会积水. 对有密封要求的模块,密封圈应选用高抗撕硅橡胶制成的”O”形或”D” 形圈.不允许密封圈有接缝, 或采用橡胶板裁剪成衬垫,实践证明这是不 可靠的. 室外型设备的某些构件,可选用复合材料的模压制品(如SMC或玻璃钢) 这类材料具有比强度高和耐腐蚀性及批量生产成本低的特点. 黑色金属的重防护:采用热浸锌、(或喷锌、喷铝)工艺,厚度在 50μm~150μm再喷底漆+二道面漆。用于户外机架、褂梁埋地构件等。

简单的总结
? ? ? ? ? ?

三防技术是一项“自上而下”抓的系统工程; 要尽量多了解设备的“寿命期环境剖面”; 按规范设计; 要跟踪已使用的设备“故障”情况,总结经验; 不断“滚动修订”完善设计规范; 建立并完善“三防体系”,逐步克服设计上的 随意性。


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