濕度顯示卡在防水試驗中的應用

李 西，陳顯顧，詹 煬

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

引言

目前，防水試驗在數(shù)字電子產(chǎn)品可靠性測試中扮演重要角色。在防水試驗中，傳統(tǒng)的簡單目測已無法滿足對產(chǎn)品防水結(jié)構(gòu)失效的分析要求。傳統(tǒng)的目測僅能簡單判斷產(chǎn)品進水與否，試驗后檢查往往僅能顯示積水的最終位置，無法準確定位試驗中水滴所經(jīng)過的電子元器件，以致無法確定危害程度，這對失效產(chǎn)品的日后整改帶來巨大困難，因此準確對產(chǎn)品內(nèi)部進水路徑進行監(jiān)測顯得日益重要。利用濕度顯示卡遇水變色的特點，測試人員能夠準確定位進水路徑與分析防水結(jié)構(gòu)失效的原因。

1 IP防水試驗概述

在當前驗證產(chǎn)品防水性能的試驗中，GB 4208/ IEC 60529是當前最廣為應用的防水試驗標準之一。GB 4208/IEC 60529標準中規(guī)定第二位特征數(shù)字表示外殼防止由于進水而對設(shè)備造成有害影響的防護等級。對不同的防護等級(表1)，標準中規(guī)定了對應的試驗方法與判定條件。

表1 IP防水等級含義[1]

2 產(chǎn)品主要使用的防水結(jié)構(gòu)和設(shè)計

產(chǎn)品主要使用的防水結(jié)構(gòu)方法有打防水乳膠、塑膠注塑和O型密封圈等方法進行密封。O型密封圈是最普遍采用的一種防水方式。O型圈為截面為圓環(huán)形的密封圈，被應用于各種腔體零件的密封。通常情況，O型密封圈由人造橡膠所制成，在特殊情況中，O型密封圈也可由PTFE或熱塑性材料代替[2]。O型密封圈的主要用途是制造密封環(huán)境，對氣體或液體進行腔室的隔絕。

O型圈密封設(shè)計通常是由O型圈與凹槽所組成。O型圈為人造橡膠制的圓截面圈體。凹槽通常是對金屬或其他硬質(zhì)材料切削所制成，用以容納橡膠O型圈，以此形成密封環(huán)境[2]（見圖1）。

3 濕度顯示卡布置的設(shè)計方法

3.1 濕度顯示卡介紹與應用

濕度顯示卡為能夠顯示當前環(huán)境濕度狀況的卡片，用戶可通過濕度顯示卡顏色的變化來判斷當前濕度狀況。當環(huán)境狀況濕度達到濕度卡標示顯示濕度值時，濕度卡顏色可由干燥色轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼭裆穸蕊@示卡見圖2）。

圖1 典型的O型圈密封結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 濕度顯示卡

根據(jù)濕度顯示卡變色特點，靈活運用濕度顯示卡可顯著改善防水試驗的效果。濕度顯示卡運用于防水試驗的特點有：

1)可觀測性：對結(jié)構(gòu)復雜的設(shè)備，通常結(jié)構(gòu)深處的進水難以直接通過目測發(fā)現(xiàn)。通過濕度顯示卡的設(shè)置，能夠通過直接設(shè)置顯示卡于不易觀察處，通過顯示卡顏色的變化替代傳統(tǒng)的目測。

2)朔源性：傳統(tǒng)的目測僅能發(fā)現(xiàn)試驗后樣品積水位置，通常試驗后大部分進水位都積聚于樣品底部，難以判定樣品進水位置與流經(jīng)的電子元器件，對試驗的朔源與結(jié)果的判定造成困難。通過濕度顯示卡位置的合理設(shè)定，能夠直觀地對進水路徑進行尋跡與初始失效位置的朔源定位。

3)易用性：濕度顯示卡的使用具有良好的易用性。使用過程簡便、快捷，能夠在短時間內(nèi)完成對試驗樣品的制備。

3.2 濕度顯示卡布置原則

濕度顯示卡的位置設(shè)置需首先對樣品的防水特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析。顯示卡的布置位置需要著重考慮對樣品進水敏感的位置，較為常見的位置是外殼進水后會影響設(shè)備正常操作或破壞安全性的元器件、可能導致沿爬電距離引起漏電起痕的絕緣部件、可能導致短路的線路、各種帶電部件等。

布置濕度顯示卡的關(guān)鍵位置：

1)關(guān)鍵導電元器件：關(guān)鍵導電元器件對設(shè)備正常工作與安全性起直接影響，通常此類元器件包括電子芯片、內(nèi)部供電電池，負責設(shè)備主要功能的相關(guān)器件等（圖3，設(shè)置濕度顯示卡用于觀察設(shè)備內(nèi)部電池進水情況）。

圖3

2)供電電路接口：供電電路接口進水易導致設(shè)備短路，由于水的張力影響，水滴易積聚于接線口孔隙深處而不被發(fā)現(xiàn)，因此對其周邊部位設(shè)置濕度顯示卡即可容易觀察是否存在水滴經(jīng)過或流入縫隙（見圖4，設(shè)置濕度顯示卡于電路輸入端子）。

3)外殼密封邊緣處：外殼密封邊緣設(shè)置濕度顯示卡，主要用途為觀察設(shè)備外殼接口密封情況。此處設(shè)置濕度顯示卡能方便觀察到密封膠條失效的具體位置，同時也是判斷樣品腔體是否進水的關(guān)鍵依據(jù)。外殼密封邊緣處濕度顯示卡的數(shù)量應設(shè)置較高的密度，使得密封膠條失效位置的判斷更加精準（見圖5）。

4)外部引線口：外部出線口應放置濕度顯示卡進行觀察。樣品外部出線口通常會因線材的尺寸與或使用中受力等原因而出現(xiàn)縫隙。尤其進行IP等級強噴水試驗時，引線口處的絕緣塑膠與線體表面或機體外殼的壓力不夠，噴水易使之間產(chǎn)生縫隙而造成腔體進水（見圖6）。

3.3 使用濕度顯示卡的注意事項

1)使用過程中，應正確使用鑷子等夾持物對濕度顯示卡進行操作，切勿直接用手對顯示卡進行夾取。敏感的顯示卡易被手中的汗液等物質(zhì)所污染。

圖4

圖5

2)濕度顯示卡使用過程中，應注意使用環(huán)境的溫濕度。環(huán)境濕度過大易導致顯示卡提早由干燥色轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼭裆?，造成觀測困難或試驗結(jié)果偏差。

3)濕度顯示卡應牢固粘貼在產(chǎn)品上，防止因搬運或試驗過程中的振動導致顯示卡可能出現(xiàn)的移位。

4)應根據(jù)環(huán)境溫濕度選擇具有合適濕度感應范圍的顯示卡。過低的標示值易導致濕度顯示卡過于敏感或提前變色，同時對顯示卡的使用環(huán)境提出了過于嚴酷的環(huán)境要求。通常使用濕度標示值于40%RH～60%RH的顯示卡。

4 實例應用

4.1 產(chǎn)品防水結(jié)構(gòu)分析

本次試驗用樣品采用O型密封圈防水結(jié)構(gòu)，試驗過程著重考察O型圈防水性能。O型密封圈鑲嵌在金屬凹槽內(nèi)，通過蓋板對O型密封圈的擠壓來實現(xiàn)腔體密封。通過分析O型密封圈的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)出O型密封圈密封不良的原因如下：

1)高溫：O型密封圈橡膠于高溫條件下發(fā)生老化，導致密封圈發(fā)生變形、彈性下降、軟化等質(zhì)量下降[3]。

2)壓力不均：固定蓋板螺絲扭矩不同，蓋板下壓力不均，導致O型圈變形程度不一。O型圈變形量不同易導致孔隙產(chǎn)生，致使防水結(jié)構(gòu)失效。

3)設(shè)計與加工：O型密封圈密封效果很大程度上取決于正確的規(guī)格選定與密封結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量，錯誤的設(shè)計或劣質(zhì)加工均會對防水性能造成影響，例如規(guī)格尺寸的選擇、材質(zhì)選擇、加工精度、橡膠質(zhì)量等。[4]

圖6

4.2 試驗流程

1)環(huán)境條件控制：本次試驗濕度顯示卡選用50%RH等級，因此對腔體進行顯示卡布置時需對環(huán)境溫濕度進行嚴格控制。如條件許可，可在恒溫/恒濕室中進行。根據(jù)本次采用的顯示卡的感應等級，環(huán)境溫度控制在20℃～25℃，環(huán)境濕度需控制在50%RH以下。

2)濕度顯示卡布置：本次試驗驗證重點為O型圈防水結(jié)構(gòu)，因此需將濕度顯示卡沿O型圈卡槽位置進行排布，放置的位置應盡可能貼近O型密封圈，根據(jù)樣品尺寸大小，合理分配濕度顯示卡的排列密度。本次試驗共使用顯示卡14個，均勻分布于樣品O型圈卡槽周邊（見圖7）。

3)蓋板鎖緊：為防止蓋板壓力不均導致樣品的O型圈密封效果不良，使用扭矩電批，使用同樣扭矩對樣品對稱位置的螺釘依次擰緊。

4)防水試驗：本次防水試驗按照GB 4208-2008 的IPX5等級進行。標準試驗噴嘴在所有可能的方向向樣品外殼噴水，噴嘴內(nèi)徑為6.3 mm，水流量為（12.5±0.625）L/min，主水流的中心部分為離噴嘴2.5mm處直徑約為40mm的圓，噴嘴至外殼表面距離為2.5m，試驗樣品外殼噴水時間為1min/面，共6min（見圖8）。

圖8

5)樣品檢查：試驗后，應將樣品外殼表面積水清除干凈，用適當壓力的風槍將縫隙內(nèi)的水滴輕輕吹出，以免這些水滴影響環(huán)境濕度或開蓋時進入樣品內(nèi)腔。將樣品移入溫濕度受控的環(huán)境中，溫度應控制在20℃～25℃范圍，濕度為50%RH以下[5]。開啟防水蓋板，觀察濕度顯示卡的變色情況，以及樣品內(nèi)腔內(nèi)有無積水。若顯示卡未變色，說明該顯示卡未沾染水份；若變色明顯，則表明該位置進水。檢查發(fā)現(xiàn)，顯示卡未變色，也未發(fā)現(xiàn)積水，表明樣品O型密封圈密封效果良好。

5 結(jié)束語

本文對濕度顯示卡在防水試驗中的應用做出了介紹。濕度顯示卡在防水試驗中的應用具有可觀測性、朔源性、易用性的特點。通過對試驗樣品進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)與防水特性的分析，合理地使用濕度顯示卡，可以顯著改善防水試驗效果。

[1] GB 4208-2008，外殼防護等級(IP代碼)[S].

[2] EPM, The seal man’s o-ring handbook .

[3] Dictomatik, global o-ring size reference guide.

[4] Eriks, Precision o-ring manual , 2002 .

[5] IEC 60529:2001，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].