以環境應力篩選為對象，分析了環境應力篩選中結露的發生和危害，研究了如何通過濕度控制避免或減少環境應力篩選過程中的結露，提出了基于干空氣自動補償加壓的解決方案。現場試驗數據驗證了該方案的可行性。
環境應力篩選中凝聚現象的產生
在武器裝備、軍民用產品、元器件、板級和單元級模塊的環境應力篩選中，當溫度快速上升時，容易在產品上引起結露等物理現象，并由此產生:吸附、吸收、擴散、呼吸。冷凝現象與產品使用的材料、空腔的大小、加熱和冷卻的速度、相對濕度、箱內的氣壓和空氣流速有關。當試驗箱中的環境溫度升高時，由于熱慣性，產品表面的溫度低于環境溫度。當濕熱的環境空氣在露點以下與產品表面相遇時，空氣中的水蒸氣會在表面凝結形成露珠。如果產品是密封的，當試驗箱內環境溫度降時，產品外殼內壁溫度下降的速度會比腔內空氣下降的速度快，腔內濕熱的空氣也會在產品外殼內壁凝結成露珠。因為大部分產品沒有全密封，所以冷凝現象一般出現在加熱階段。
應力篩選中凝聚現象的危害
通常情況下，純冷凝水不足以造成產品故障。但在環境應力篩選試驗箱中，冷凝水會與其他因素融合產生物理/化學效應，從而影響產品的安全性和質量，如金屬氧化/電化學腐蝕、有機和無機表面涂層的化學或電化學破壞、摩擦系數變化引起的粘連或粘連、吸收效應引起的材料膨脹、物理強度降、電氣短路等。引起的典型故障故障如表1所示。
表1濕度環境對產品的典型影響下圖顯示了應力篩選過程中的失敗示例:
(a)焊點生銹(b)芯片變色(c)器件上的銹斑(b)網狀器件生銹圖1應力篩選期間的故障示例
在環境應力篩選中，控制結露的發生是避免非測試因素引起的結露導致失效的基本要求。
環境應力篩選中的濕度控制
1)溫度箱防結露方法分析
在環境應力篩選中，被測產品表面結露的根本原因是被測產品表面溫度低于溫度箱中空氣的露點。那么，有幾種可能的方法來防止測試產品表面的冷凝:
(1)改善箱內氣體的循環，使溫度箱內被測產品的溫度始終與箱內氣體的溫度變化同步，被測產品的溫度與箱內氣體的溫度相差很小，不足以引起被測產品表面結露。
(2)采取適當措施，使箱內氣體的露點上升速度滯后于被測產品表面的升溫速度，使箱內氣體的露點始終低于被測產品表面的溫度，防止被測產品表面結露。
(3)控制箱內氣體的jue對濕度使得箱內氣體的露點始終低于箱內氣體的下限溫度，從而避免了被測產品表面的結露。
在上述控制途徑中，途徑(1)的難度很大，因為被測產品的材質、體積、質量、結構都有很大差異，不同被測產品的熱慣量也有很大差異。在箱內氣體溫度變化率確定的情況下，很難保證所有被測產品的溫度變化率與箱內氣體的溫度變化率相同，被測產品與箱內氣體的溫差很小，這在工程上很難實現。采用方法(2)和(3)是可行的。當我們試圖降箱內氣體的jue對濕度時，可以有效地降箱內氣體的露點，從而保證被測產品的溫度高于箱內氣體的露點，防止被測產品表面結露。
經過對環境應力篩選實驗的長期觀察，我們發現影響溫度箱中氣體露點變化的主要因素有兩個:
(1)環境濕度:環境濕度高時，箱內容易發生結露。
(2)箱體的密封性:箱體密封性越好，環境濕度對箱內氣體的影響越小。
環境濕度是不可控因素，由于工作需要或工程原因，機柜很難做到jue對密封。一般溫箱內外都有不可避免的氣體交換，這是一般溫箱防結露的難點。為了克服環境濕度通過箱間隙對箱內氣體露點的影響，本文認為應向箱內通入一定流量的干燥空氣，使箱內氣壓高于箱外大氣壓，可防止箱外水汽進入箱內， 從而保證箱內氣體的露點低于待測樣品的表面溫度。
2)溫箱內氣體jue對濕度的影響因素
影響罐內氣體露點的基本因素是罐內氣體的相對濕度和氣體壓力。但當箱內氣體的jue對濕度為零或很低時，箱內氣體不會在溫度下限以上凝結。箱內jue對濕度與箱內氣體初始含水量、干空氣補充速率、箱內外氣體交換速率等因素有關。下面具體分析一下箱內氣體jue對濕度的幾個影響因素:
干燥空氣的置換速度
假設進入溫度箱的干燥空氣能與箱內原始氣體瞬間混合均勻，其中f1為任意時刻的jue對含水量(g/kg)，f0為初始jue對含水量(g/kg)，V為箱的容積，Q為干燥空氣的進氣量(m3/s)，T為時間(s)。于是；罐內氣體的含水量f1的變化滿足下列微分方程:
求解等式(1)給出:
考慮到箱內干燥空氣與原始氣體混合需要一定時間等因素，公式(2)可修改為:
類型:
T-修正系數，與干燥空氣的流量、箱體的尺寸和結構、箱體的密封性能有關。
可以看出，當一定體積的溫箱內氣體的含水量通過置換干燥空氣而降時，箱內氣體的含水量呈指數變化。箱內氣體的水分含量越低，水分含量降的速度越慢。為了盡快降箱內氣體的jue對濕度，應增加干燥空氣的進氣量Q。
箱內溫度變化
箱內空氣溫度的變化在箱內有兩個作用:改變箱內氣壓和改變箱內氣體的相對濕度。這兩種影響終會影響到罐內外水汽的交換。
假設加速箱密封，P0為箱內初始氣壓(大氣壓)，箱內氣體初始質量為m0，T0為初始溫度，那么一定體積V0的氣體，氣壓P與氣體質量M和溫度T的關系如下:
通過公式(4):
為防止箱外水汽進入箱內，箱內氣壓會發生變化△P1=P-P0≥0。
當罐內氣體冷卻后，將立即實現△ T < 0和△ M > 0。因此，必須向箱內加入至少△m的相同溫度的干燥空氣，才能使箱內氣壓大于外界大氣壓P0。
從以上分析可以看出，當箱內溫度降時，為了防止箱外的水蒸氣進入箱內，必須向箱內充入足夠量的干燥空氣，充入的干燥空氣量必須滿足:△ m > (m/t)。∣△·∣.
儲罐中氣體流量的變化
罐內氣體流量的變化影響罐內氣壓的不均勻分布，可使罐內局部區域相對罐外大氣壓產生負壓區，加速罐外水蒸氣進入罐內。
忽略罐內氣體密度的變化，罐內氣體速度V與氣體壓力P的關系為:
因此，氣流引起的壓力變化△P2為:
可以看出，盒內氣體流速快的地方，氣壓就低，在這個氣壓小于大氣壓的區域就容易出現負壓區。因此，箱體中心區域的靜壓p應滿足P > P∣△ P2 ∣的要求，以保證箱體內的氣體不會出現低于外界大氣壓的負壓區，從而防止外界空氣通過縫隙使水蒸氣進入箱體內。
3)溫箱中氣體濕度控制的實驗和結論
假設所選溫度的上下限為(-10∽+50)℃。為確保溫度箱中無冷凝，必須確保兩個條件:
①試驗初始狀態下試驗箱內空氣的露點溫度高于-10℃，jue對含水量為1.59g/kg，即室溫下溫度達到25℃，相對濕度為8%。
確保試驗初始狀態下試驗箱內空氣的露點溫度高于-10℃。通常，干燥空氣被注入試驗箱。干空氣機處理的空氣干燥度一般可達25℃，相對濕度1%，jue對含水量0.19 g/kg，露點溫度可達-35℃。根據公式(2)或公式(3)估算補充干燥空氣所需的時間。
②試驗時，保證箱內空氣不與外界空氣交換，避免試驗箱外含水量高的濕空氣進入箱內，以保證箱內氣體的jue對含水量控制在一定限度以下。
為了滿足條件②，有必要確保試驗箱中的氣壓始終高于環境氣壓。影響氣壓變化的主要因素是溫度變化、恒溫室內的風速和外界干燥空氣的補充速度。通過補充干燥空氣來調節箱內氣體，我們可以用公式(5)和公式(7)來估算在一定的溫度變化率和氣體流量下補充干燥空氣的流量。
為了驗證本文理論分析的有效性和可行性，我們在1立方米的常規快速變溫箱和密封處理的低壓箱中進行了以下實驗:
1)干空氣置換實驗及其作用
空氣干燥器處理的空氣干燥度為25℃，相對濕度為0.01%。處理后的干燥空氣以160L/min的速度注入1立方米的濕熱試驗箱，2小時后只能達到30℃，15%RH(見圖2，露點溫度為0℃)。理論上30分鐘內可以達到25℃，相對濕度0.1。
干燥空氣置換不足有兩個原因。一，干燥空氣進入箱體，沒有能混合就排出，因為這是一個逐漸混合-排出的循環過程，耽誤了干燥時間。第二，箱體密封不好，干燥空氣的流量不夠小，使有縫隙的地方向外排出，有縫隙的地方會有一部分流入箱體，而干燥空氣的流量很難大，所以第二個原因是主要因素。要解決這個問題，先分析一下盒子的結構，盒子里有很多不密封的因素:
防止氣壓上升的壓力平衡孔、加濕水系統管道、測試用預留引線孔、軸流風機軸處的密封、制冷蒸發器管道處的密封、門的密封等。排除上述因素后，低壓箱體結構按上述條件1小時后會達到常溫27℃，相對濕度0%(見圖3)，可見箱體的密封性直接影響初始狀態下的干空氣處理作用。
圖2達到30℃，15%RH圖3達到27℃，0%RH2)增加箱內氣壓防止水汽進入箱內的實驗驗證。
試驗前用干燥空氣代替試驗箱內的潮濕空氣，還需要保證試驗箱外的潮濕空氣不會再次進入試驗箱，使試驗箱內露點溫度足夠高，防止結露。這就要求試驗箱內氣流交換間隙中的氣壓始終高于環境大氣壓。一組循環期間，未注入干燥空氣和注入隔水管的壓力對比見圖4和圖5。
圖4 10℃，15%露點溫度只能達到-5℃圖5 -10℃，3.4%，露點溫度為-40℃，濕度控制工程設計在jue對環境應力篩選。
經過長期的實驗分析和研究，為防止環境應力篩選試驗中的結露，有必要在幾個方面改進設計:
1)試驗箱門密封結構設計
根據低壓盒的結構形式，密封和強度設計可以降強度。同時，門只考慮了負壓下門的密封性能好，正壓下密封性能差。因此，需要設計門的密封結構，減少注入的干燥空氣的損失，防止箱內正壓難以保持而引起的內外空氣交換。
2)濕度控制設計
考慮到溫度上升時需要降壓力以保持箱內壓力不太高，也需要有排氣位置以防止產品因壓力過大而損壞，溫度下降時需要增加壓力以保持箱內壓力不太低，需要補充干燥空氣以避免低壓將箱外濕空氣吸入箱內造成濕度增加。經驗表明，試驗箱內壓力比試驗箱外壓力高2kPa，對設備產品沒有影響。因此，試驗箱箱體設計有兩個壓力平衡裝置，可以控制以防止壓力上升/下降。一個裝置用于高溫降至低溫時補充干氣，另一個裝置用于低溫升至高溫時排出膨脹氣體。
在壓力平衡裝置的盒端增加一個壓力傳感器，在控制面板上擴展壓力測試界面，設置公差范圍。當超過公差時，給電磁閥一個開關信號以排氣/充氣，并確保壓力始終高于環境大氣壓力2kPa。
試驗箱內安裝集成溫濕度傳感器，控制面板上擴展濕度測試界面。試驗前對干燥空氣進行預處理，可以觀察到試驗箱內的濕度可以達到常溫，濕度為0。延30分鐘后，會發出聲音提示。只有在干燥處理完成后，工作人員才能開始測試。此外，測試過程中可以實時監控試驗箱內的溫度和濕度，保證試驗箱內空氣干燥。
3)增加一臺空氣壓縮機和空氣干燥處理器。
處理能力可達100L/min，jue對含水量約為0。預處理過程中，試驗箱內的濕空氣由電磁閥控制，當試驗箱內壓力達不到時，加入干燥空氣增加試驗箱內壓力。它由控制器編程和控制。干空氣注入的濕度達到0，延時1小時后，表示可以進行正式試驗。測試過程中，電磁閥由壓力檢測信號控制，以保證測試室內的正壓。
