為了評估吸附的影響(見圖10),我們再次利用了教科書的知識。水分子的數量是由一側的絕對濕度決定的(由于達到漆或塑模表面的水蒸氣的速率較高,更高的水濃度會導致更高的吸附率),和另一側的溫度(更高的溫度導致更高的吸附率)。綜合考慮這兩個作用方向相反的因素,意味著在表面的水含量會達到一個平衡狀態,主要是由空氣中的相對濕度rh()決定的。
在模型里引入吸附率依賴度,見圖12。在與時間有關的區域,與吸附有關的特性在rh ≤ 0.93的幾乎飽和濕度這個極端,和rh 幾乎為0的區域內擺動,取決于實際存在的相對濕度。
圖 21: 吸附的影響; rh 特性在td 和干熱現之間輪換
整個rh的依賴范圍在飽和濕度和干熱之間,可以用公式6到公式8定義與時間有關的情況,公式9和公式10用于與時間無關的情況。在大括號里的項表示了與濕度有關的方面。
公式 6:
for T < Tcriteff, i.e. for time-dependent processes;
公式 7:
for T < Tcriteff , i.e. for time-dependent processes;
公式 8: ;
(經驗公式,用于T > Tcrit eff條件下與時間無關的過程)。
公式 9:
用于 T > Tcriteff, 與時間無關的的過程;
公式10: 用于 T ≥ Tcriteff, 與時間無關的的過程;
為了防止和檢驗這個線性rh 依賴度是否對我們的模型也有效,對第1種漆和第2種漆進行了另一個偏執濕度測試。選擇的條件是90 °C和 40 % RH (pvapor = 280 hPa),恰好與前面在70 °C和90 % RH下測試的蒸汽壓力一樣。測試結果帶入圖22和圖23的ln√t – 1 / T圖(看綜合星號,0.40 rh at 90 °C,1/T = 0.00275 K-1)
我們的結果證實實際的吸附率與實際的相對濕度rh成正比。對于給定的溫度,在干熱和幾乎飽和濕度td (rh 約為 0.90 至0.93)暴露時間Δln√texp的結果差異顯示在與時間相關的區域,與rh線性相關,見圖22和23。對于給定的rh ,得出的新特性落在td 的特性線和與干熱相關的實際rh 數據之間。計算得出的rh = 0.4棕色破折線恰好穿越90°C, 40 % RH的實際測試點。
在公式8的時間無關區域,推導出二次方程,從我們的測試結果的經驗數據估計出來。在時間無關區域檢驗在較低rh的適用性,要在今后的研究中獲得更堅實的測試數據。
在幾乎所有的技術應用里,電子元器件會在溫度超過100 °C的正常大氣壓下工作。因此,出于實際需要,會在達到元器件的上限溫度內,通常在與時間相關區域內進行所有預測。
公式11和公式12描述了估算擴散Deff 的系數,以及臨界溫度相關涂漆或塑模系統的Tcrit 或 Tcrit eff。
公式 11:
公式 12: 或
為了簡化計算,這里Deff事實上是表達的是滲透率(S0 x D0),包括與溫度相關的氣體溶解S,是對漆/R層界面上的實際水汽濃度的相對測量。
相關材料數據或功能信息可以直接從ln√t – 1 / T圖讀出來,或可以給給出的公式簡單地算出來。
6.3.實際使用模型和ln√t – 1 / T圖
我們把具體測量數據轉換到圖19和圖20。我們在給定的電阻膜材料上使用了兩種不同的漆,現在可以完全顯示其特性,并且可能在整個規定溫度-濕度-時間域內做預測。
圖 22: 第一種漆, 直接讀出 EA / k 和ln{xlacq /√(4D x …)}, 用虛線框起來
可以獲得以下數據:
A. 塑模 / 漆:
· 擴散系數 D0, Dt crit 和 D20;
· 擴散過程的活化能 EA lacq;
· 電負載的減速效應 (焦耳熱) ΔEAJoule;
· 臨界溫度 Tcrit 是一個特性;
· 有效的臨界溫度 Tcriteff, 與討論的具體情況相關。
圖 23: 第2種漆,直接讀出 EA / k 和ln{xlacq/√(4D x …)}, 用虛線框起來
B. 功能層 (金屬層):
· 活化能EAlayer;
· 偏置電壓加速效應 ΔEAbias, 在層界面上達到臨界水汽濃度時;
· 非臨界暴露時間texp最大值的預測工具,對于每個給定的溫度、濕度和負載條件。
示例:
現在我們可以用具體數據估計和比較第1種和第2種電絕緣漆。
未來,我們可以預測現場或測試應用的情況,如在130 °C (T = 403.12 K) 和 155 °C (T = 428.12 K)工作溫度、最小負載,以及最壞氣候條件41 °C和 75 % RH下的電氣應用。
結果見下表。
給定R層的活化能是相同的,可以用EAlayer / k直接讀出,如?EAR-layer = 0.96 eV。
計算最大與時間無關的偏置濕度加速,做為差值ΔEAbias = 0.16 eV。
*) 備注:有記錄的最高溫度和濕度是2000年在沙特阿拉伯的Dharhan,溫度是41℃,濕度超過70 %( pvapor = 59 hPa; 41 °C / 100 % RH: 78 hPa)。
結果:
兩個材料在兩個環境條件下都出現了差異。然而,即便在更糟的自然氣候條件下和130℃的環境溫度下,預計壽命也分別達到4000年或33E+9年,比現場使用對元器件的實際要求高得多。在155℃環境溫度下,這些被調查的電絕緣漆之間特性的差異變得十分明顯。
結論
-偏置濕度可以是破壞性的,即便滿足了標準(AEC-Q200)的官方要求。
-獨立的85 / 85或HAST測試只適用于評估耐潮能力的相對比較,對推測所研究的薄膜電阻系統沒有幫助。兩種測試都可能是破壞性的。
-對環境里達到非破壞性的漂移水平的暴露時間進行標準化,用于新的預測模型。
-分配蒸汽壓力,直接讀取允許的暴露或加速因子上的信息,就可以產生一個簡單實用的預測工具。
-公開的模型(如Lawson)不適用于薄膜電阻,也不使用通用方法和與濕度加速有關的問題。
-相對濕度是一個描述實際吸附率的重要參數,在試驗研究里其影響無疑是可度量的。其他作者根據rh依賴度設計出模型,在一些使用模塑或功能材料的特定情況下已經被采納。因此他們的結果模型一定是不同,并且只有在不變的模塑材料和功能層的激活能情況下才有效。他們沒有考慮到重要的各個擴散情況和系統的氧化特性。
-我們的模型遵從與擴散有關的系統特性,如本文所討論的涂層材料的實際密封特性。
-像85 / 85 或HAST測試的標準要求可以用客觀數據對實際應用需求和器件使用條件進行評估;
-模型和ln√t – 1 / T圖的描述是從對薄膜電阻的試驗研究推導的,將會形成廣泛影響,被轉換用于所有模塑或涂漆的有熱或濕度有關降級效應和健康預測的有源和無源元器件。
附錄:符號表及其含義/解釋
評論
查看更多