Факторы, определяющие построение электронных средств
К основным факторам внешней среды, воздействующим на РЭА, можноотнести:
1) температуру,
2) влажность,
3) давление,
4) пыль,песок,
5) фоновыеизлучения, включая солнечную радиацию,
6) биологическуюсреду.
Влияние этих факторов может быть значительным, в особенности, еслиони проявляются совместно. По степени влияния этих факторов на РЭА различаютследующие группы условий эксплуатации:
Л – легкие (to»+20oC,влажность £80%, р»760 мм рт. ст., нет воздействия пыли, песка,излучений и биологической среды); они характерны для закрытых, отапливаемых ивентилируемых помещений.
С- среднее (to=-50 ¸ +70oC,влажность периодами достигает 98%, воздействие пыли, песка, биологическойсреды); они характерны для наземной, полевой и передвижной аппаратуры.
Ж – жесткие (to=-80 ¸ +100oC,влажность £98%, давление до 5 мм рт. ст., воздействие пыли, песка, фоновогоизлучения среды среднего уровня); они характерны для авиационной РЭА. -
ОЖ – особо жесткие (to=-100 ¸ +250oC,влажность до 100 %, давление до 5*10-6 мм рт. ст., воздействиесильных фоновых излучений, пыли, песка); они характерны для ракетной РЭА. Кроме отраслевых стандартов климатические воздействия определяютсяв соответствии с ГОСТ 15150-69 – «Машины, приборы и другие технические изделия.Исполнения для различных климатических районов». Согласно этого ГОСТ всяповерхность Земли разбивается на 6 климатических регионов:
У – умеренный климат;
ХЛ – холодный климат;
ТВ – влажный тропический климат;
ТС – сухой тропический климат;
М – умеренный холодный морской климат;
ТМ – тропический морской климат.
Помимо этого, данный ГОСТ устанавливает также категории РЭА взависимости от размещения:
1 категория – РЭА, эксплуатируемая на открытом воздухе.
2 категория – РЭА, эксплуатируемая под навесом;
3 категория – РЭА, эксплуатируемая в закрытом помещении сестественной вентиляцией (без искусственно регулируемых климатических условий),но при существенном уменьшении воздействия солнечной радиации, ветра, росы,колебаний температуры и влажности.
4 категория – РЭА, размещаемая в закрытых наземных и подземныхпомещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями окружающейсреды;
5 категория – РЭА, эксплуатируемая в неотапливаемых иневентилируемых помещениях, в которых может быть влага при ее частичномконденсировании.
Поскольку диапазон рабочих температур может для разных групп составлять:
-55 ¸ +55°С; -65 ¸ +85°С; -65 ¸ +125°С;
-65 ¸ +200°С; -65 ¸ +350°С; -65 ¸ +500°С;
то местные перегревы могут во много превосходить эти указанныетемпературы, а следовательно, без дополнительных мер, уменьшающих этитемпературы, и без анализа влияния этих факторов на работу элементов, немыслимосоздать работоспособную и надежную аппаратуру. Влияние температуры на параметрыэлементов и свойства материалов РЭУ проявляется следующим образом:
1) принизких температурах:
— электролитические конденсаторы замерзают и перестают работать,
— аккумуляторные батареи разряжаются,
— воск изащитные компаунды твердеют и растрескиваются,
— резиновыеамортизаторы теряют свою эластичность и перестают работать,
— вмеханических подвешенных узлах наблюдается замерзание смазки,
— в реленаблюдается слипание контактов,
— вштепсельных разъемах из-за различных ТКЛР пластмассы и металла происходитнарушение контактов,
— уменьшаются усилительные свойства транзисторов.
2) приповышенных температурах:
— происходитизменение люфтов и натягов, для ряда элементов могут возникнуть нежелательныедеформации и коробления (например, в катушках высокой частоты и конденсаторахпеременной емкости),
— некоторыесопротивления и емкости конденсаторов постоянной емкости могут изменять своизначения на величины, намного превышающие рабочий разброс,
— проводимость полупроводников резко возрастает, а именно диоды и транзисторыизменяют расчетные данные для своих параметров, особенно b, h11 и Jко – длятранзисторов и Rобр – для диодов, что может привести к потериработоспособности схем на этих элементах,
— рядматериалов (например, термопластичных пластиков и компаундов) подвергаетсянедопустимым размягчениям, и начинают течь и т.д. и т.п.
Влияние повышенной влажности проявляются в следующем:
1) увеличиваетсядиэлектрическая проницаемость изоляционных материалов;
2) снижаетсяих удельное поверхностное сопротивление;
3) уменьшаетсяэлектрическая проницаемость воздушных зазоров;
4) происходятпобочные физико-химические процессы в диэлектриках и металлах.
Эти причинывызывают нежелательные изменения емкости конденсаторов, уменьшениесопротивления изоляции, искрение, пробой, разбухание и отслаиваниедиэлектриков, коррозию металлов, появление плесени внутри аппаратуры.
При малой величине влажности наблюдается высыхание диэлектриков иих растрескивание.
Наиболее стойкими к действию влаги из диэлектриков являютсяфторопласт, полистирол, полиэтилен; менее стойки – термопластики, керамика исильно подверженными являются бумага, ткани, гетинакс, текстолит и др. Изметаллов менее всего подвержены коррозии свинец, алюминий, несколько больше –медь, никель и очень сильно железо. Проникновение коррозии вглубь металла характеризуютсяследующими цифрами (в мкм/год): Pb – 4, Al – 8, Cu –12, Ni – 32, Fe –200. Этиданные справедливы для химически чистых металлов. В реальных конструкцияхиспользуются технические металлы, скорость коррозии у которых еще выше за счетвключения различных примесей. Скорость коррозии металлов зависит от величиныотносительной влажности (рис.1), а также от температуры и состава газаокружающей среды. Пленки сплавов, образующихся на металлах, являются хорошимизащитными средствами от коррозии, в особенности, пленки окислов алюминия ититана (Al2O3, Tio2). При конструировании РЭАследует также учитывать т.н. «контактную коррозию»- коррозию, возникающую засчет разности электрохимических потенциалов металлов. В табл. 1 для некоторыхметаллов приведены значения электрохимического потенциала.
Таблица 1Металл Mg Al Zn Cr Fe Ni Pb Cu Ag Au j, В -1,55 -1,3 -0,76 -0,56 -0,44 -0,25 -0,13 +0,34 +0,8 +1,5
Из таблицы видно, что наиболее недопустимыми гальваническимипарами являются: алюминий-медь, хром-золото, магний-сталь, сталь-медь и др.
Рассмотримвлияние влаги на характеристики узлов РЭА на некоторых примерах.
Пример 1. Пусть имеем 2 — каскадный усилитель импульсов, собранныйна печатной плате из стеклостеклолита СФ-1-0,8. Импульсы на входе имеютдлительность t=1мкс, а на выходе временная задержка должна составлять tф£0,1 мксек. Ширинапечатных проводников «в» составляет 1мм, а минимальные расстояния h между нимиравны 0,5 мм. Считаем также, что временная задержка импульса в основном обусловленаемкостью коллекторного перехода транзисторов и паразитной емкостью печатных проводников.При эксплуатации усилителя в среде с повышенной влажностью (порядка 98% для тропиков)влагопоглощение стеклотекстолита СФ-1 составляет 2-5% от веса сухого образца,имеющего e=7. Даже незначительное проникновение воды (e=81) в материалдиэлектрика увеличивает его диэлектрическую проницаемость в несколько раз. Примем,что это увеличение равно 3.
Определим вначале для выбранного варианта конструкции идеальнуюпаразитную емкость печатных проводников по формуле:
/>,
где в и h – ширина и расстояние между проводниками.
/>.
Считаем, что задержки в обоих каскадах равны, тогда временнаядопустимая задержка на один каскад составит />tф1£0,05 мксек. Поскольку
tф1=3 RкCå,
где Cå=Cк+Спар, Rк – коллекторная нагрузка (принимаемRк – 2кОм), Ск – емкость коллектрного перехода транзистора (принимаем Ск=5пФ),то получим, что
/> />
Последние ограничения накладывают допуски на возможную длинупараллельных проводников
/>/>
При действии влаги изменение емкости печатных проводников прямопропорционально изменению e при постоянных размерах конструкции. Так как намибыло принято трехкратное увеличение e, то Суд=5пФ/см, Спар=10пФ, Сå=15пФ, tф1=0,09мкс и tф=2tф1=0,18мксек>0,1мксек.
Следовательно, с учетом действия влаги на конструкцию дляобеспечения требований ТУ на него необходимо:
— либо ввести конструктивное ограничение на длину параллельныйпечатных проводников, а именно,
/>
— либо применить более влагостойкий материал, например,стеклотекстолит СТЭФ-1 (влагопоглощение не более 0,5¸2%, т.е. примерно в 3раза меньше), — либо повысить качество влагонепроницаемого лакового покрытия.
Пример Пусть имеем микрополосковую линию, выполненную наполикоровой подложке и работающую в 3-см диапазоне. Известно, что толщинамикрополосковых проводников составляет 10¸15 мкм с учетомнаращивания пленочных проводников электрохимической медью. Если принять, чтосрок хранения изделия должен составлять не менее 2¸3 лет, то за это времяглубина коррозии меди, даже химически чистой, будет равна (2¸3)12=24¸36мкм, т.е.микрополсковая линия исчезнет. Поэтому ее необходимо защищать покрытием сэлектрохимическим потенциалом, близким к электрохимическому потенциалу меди. Изтабл. 1 видно, что можно применить серебрение или золочение. В силу технологическихособенностей выбирают золото. Непосредственно осаждать золото на нихром нельзяиз-за большого электрохимического потенциала этой пары. Величина золотогопокрытия с учетом подслоя меди должна выбираться из глубины проникновениявысокочастотного тока в металл по формуле:
/>, (2)
Где Хэ – глубина проникновения тона, мм,
p – удельное сопротивление металла, />
f – рабочая частота, МГц.
Для случая золота (р=0,024/>) и l=3см, т.е. f=104МГцполучим:
/>
Для диапазона волн l=20 см Хэ=2мкм
Отметимтакже возможные изменения других параметров микрополосковых линий в случееизменения диэлектрической проницаемости их подложек на 20¸30%. Для поликора можно принять e=10. Тогда под действием влаги изменение e составляет 2¸3. При этом известно, что длинна волны вмикрополосковой линии равна
/> (3)
где l — длина волны в свободном пространстве,
к –коэффициент удлиннения волны, определяемый из графика (рис.2),
b и h –ширина микрополоскового проводника и толщина подложки.
Примем, чтоb=h=1мм, тогда k=1,2 В нормальных условиях влажности и при 98% влажностиполучим соответственно для l=3: /> и /> т.е.изменение длинны волны в микрополосковой линии составило 10%, что можетоказаться существенным в некоторых случаях.
Аналогичносамостоятельно можно определить изменение волнового сопротивления линии,пользуясь исходной формулой для этого параметра:
/> [Ом]. (4)
/>
Рис. 1.
/>
Рис. 2
Условияработы авиационной, ракетной и космической РЭА характеризуются, как правило,пониженными значениями атмосферного давления (рис. 3). Зависимость рабочихзначений атмосферного давления от высоты над уровнем моря оговорена ГОСТ4401-64 (табл. 2)
Таблица 2H, км 1 2 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 26 31 р, мм рт. ст. 674 596 526 462 354 267 199 145 106 78 57 41 16 7,7
Влияниепониженного давления на работоспособность РЭА проявляется через следующиеявления:
1. Уменьшаетсяэлектрическая прочность воздушных промежутков,
2. Ухудшаются условиятеплообмена конвекцией, что вызывает дополнительные перегревы изделий,
3. В герметичных блокахвозникают дополнительные механические напряжения в стенках, крышках и деталяхкрепления за счет перепада давлений.
Зависимостькоэффициента относительной электрической прочности воздушных промежутков отвысоты над уровнем моря представлены в табл. 3.
Таблица 3.H, км 1 2 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 26 31 КЕ 1 0,9 0,8 0,72 0,56 0,45 0,35 0,3 0,25 0,19 0,14 0,1 0,05 0,03
/>
Рис. 3
/>
Рис. 4
/>
Рис. 5
/>
Рис. 6
Заметив чтос дальнейшим уменьшением давления (ниже 6-7 мм рт. ст.), т.е. с повышениемвысоты более, чем 30-40 км, электрическая прочность возрастает и подчиняетсязакону Пашена (рис. 4).
Уменьшениеконвективной теплопередачи определяется из графика (рис. 5), где величинакоэффициента k представляет собой отношение коэффициентов теплоотдачи призаданном и нормальном давлениях:
/>/>, (5)
Этоуменьшение теплоотдачи, в свою очередь, приводит к уменьшению электрическойпрочности из-за повышения температуры узлов и температуры окружающего их объема(среды). Коэффициент снижения напряжения поверхностного перекрытия в интервалетемператур +20¸+150°С при всех значениях атмосферного давленияот 760 мм рт.ст. до 3мм рт.ст. близок к температурному коэффициенту измененияплотности воздуха и может быть оценен следующей формулой:
/> (6)
где Т –температура платы, поверхности узла и т.п.,
tn,tном – температура окружающего воздуха в нормальных и номинальныхзаданных условиях.
Значениекоэффициента Kt от температуры окружающей среды представлены втаблице 4
Таблица 4t,°C 50 70 100 120 150 175 200 Kt 0,9 0,85 0,78 0,75 0,7 0,65 0,6
Такимобразом, оба указанных фактора при пониженном атмосферном давлении могутзначительно уменьшить диапазон рабочих напряжений в радиоэлектронных устройствах.
Пример:требуется определить рабочее напряжение питания радиоэлектронного блока напечатной плате, работающего при Р=7,7 мм рт.ст. (31км высоты) и температуреокружающего воздуха tном=+70°C. При этом известно что рабочая частота блока равна 5МГц, азазоры между печатными проводниками составляют порядка 1мм. Из справочныхданных определяем электрическую прочность воздуха при промежутке 1мм длянормальных условий Е0=4кВ/мм. Согласно данным таблицы 3 определяемэлектрическую прочность при пониженном давлении Е=4*0,03=120В/мм. Пробивноенапряжение при этом в зазоре в 1мм равно 120 вольт. Как следу из графика рис.6величина этого напряжения при частоте 5МГц должна быть уменьшена на 25%, т.е. uf=0.75*u0=0.75*120=90 вольт. Далее учтем снижениенапряжения поверхностного пробоя от окружающей температуры согласно даннымтабл.4, т.е. uпр=uf*Kt=90*0.85=76вольт. Поскольку величина рабочего напряжения обычно выбирается в 1,5-2 разаменьше, то в нашем случае в итоге получаем
/>.
Откуда видно,что применение ламп, даже сверхминиатюрных, для печатных узлов в этих условияхнецелесообразно.
Воздействиепыли и песка заметно сказывается на работе наземной РЭА, в особенности,транспортной. Частицы пыли имеют размеры от 5 до 200 мкм, могут быть абразивнымии гигроскопичными. При высокой влажности (свыше 75%) пыль впитывая влагу,становится проводником, а при малой величине влажности (5-10%) частицы пылиэлектрически заряжаются. Частицы песка состоят, в основном, из округленныхзерен кварца со средним диаметром 500мкм.
Влияние пылии песка на работу РЭА проявляются в следующем:
1. сухаяпыль и песок попадая в подшипники и другие кинематические пары, засоряютсмазки, вызывают заедания и износ; в реле они могут привести к отказу в срабатыванииконтактов, электростатически заряженная сухая пыль увеличивает опасностьпоражения от электрического разряда высоковольтных источников напряженияэлектроннолучевых трубок и т.п.,
3. влажнаяпыль снижает на несколько порядков поверхностное сопротивление изоляции диэлектриков,способствует развитию пробоя и коррозии металлов, в особенности, с примесьюсажи, адсорбирующей ангидрид 50г.
Фоновыеизлучения имеют различную природу их образования: солнечную и электронногопроисхождения. Спектр солнечных лучей занимает, в основном, диапазонрентгеновского и инфракрасного излучения. Энергия солнечных лучей, падающих наземную поверхность составляет 2кал/см2мин (солнечная постоянная) изависит от поглощающей способности атмосферы во времени.
Космическоеизлучение образует несколько поясов радиации вокруг Земли, первый из которыхрасположен на высоте от 2 тысяч до 5.4 тыс. км и имеет максимальнуюинтенсивность при нейтронном излучении 10 рад/час (если радиация состоит изтяжелых протонов, то это значение возрастает до 100рад/час). Второй поясрадиации начинается на высоте порядка 13 тыс. км и простирается до 19,3 тыс. кми имеет интенсивность радиации порядка десятых долей рад/час.
Наиболеесильным для РЭА являются фоновые излучения, возникающие при ядерных взрывах иработе ядерных реакторов.
Различают 4типа ядерного излучения: мгновенное (гамма — лучи), инициированное (нейтроны игамма — кванты), стационарное (альфа и бета — частицы) и остаточное (продуктырасщепления атомов).
Остаточноеизлучение обладает сравнительно малой интенсивностью и, как правило, непредставляет опасности для аппаратуры. Примерно такой же эффект оказывает на ЭСстационарное излучение.
Наиболееопасными видами являются гамма – излучение, обладающее высокой проникающейспособностью, и нейтронное излучение, вызывающее дефекты решетки и сильнуюионизацию. При высотном ядерном взрыве с эквивалентом в 1Мт течение 1 мксек ирасстоянии в 160 км гамма – излучение может дать дозу облучения мощностью в 107рад/сек.В этих условиях ЭС может поглотить радиацию порядка 106 – 1010рад. Поток нейтронов является причиной большинства необратимых повреждений материалови деталей ЭС. Уровни ядерной радиации, вызывающие изменения свойств материалов,могут быть оценены либо дозой поглощения в радах либо плотностью потокаэквивалентных нейтронов, приходящихся на 1 см
Наиболеестойкими к радиации являются металлы и сплавы, выдерживающие значительные дозыоблучения (порядка 1010 – 1012 рад), при этом несколькоувеличивается их прочность и теряется ковкость (вязкость), электрические характеристикипрактически не меняются.
Далееследуют ионные материалы (керамика, кварц, стекло, сталлы), выдерживающие дозыв 107 ¸ 108рад. Изменения электрических и механических свойств при этом незначительные, однако,увеличивается стойкость к пробою, а кварц и стекло начинают тускнеть, терять прозрачность.
Классматериалов пластмасс и эластомеров более подвержены радиации и изменения ихсвойств начинают наблюдаться уже со значений доз радиации порядка 105– 106 рад. В табл. 5 указаны уровни радиации, вызывающие изменениясвойств этих материалов.
Таблица 5Материал Применение
Доза радиации,
рад
Плотность потока быстрых
нейтронов, нейтр/см2 Пороговые изменения
Изменение
св-в на25% Пороговые изменения
Изменение
св-в на25%
Эластомеры
Каучук (неопрен)
Бутиловый каучук
Силиконовый каучук
Пластмассы
Полистирол
Полиэтилен
Полиамид
Фторопласт-4
Амортизаторы
Герметик, изоляция
Покрытия
Изоляция
Изоляция
Изоляция
5,5*106
2*106
1,3*106
8*108
2*107
8,6*105
1,7*104
2,5*107
4*106
4,2*106
4*109
108
4,7*106
3,7*104
2,8*1015
4,3*1014
4,9*1014
2,8*1017
4*1015
2,6*1014
4,8*1013
6,3*1015
8,4*1014
1,6*1015
1,4*1018
2*1016
1,4*1015
1014
Из таблицывидно, что доза радиации и плотность потока быстрых нейтронов находятсяпримерно в соотношении 1:108. Термопластичные материалы приоблучении становятся хрупкими и деформируются. Они темнеют или обесцвечиваются.Кроме того, у некоторых наблюдается побочный эффект – разложение материала свыходом газа и образованием кислот. Так, например, прекрасный во многихкачествах фторопласт-4 (химически инертный, температуростойкий — +250°С, высокочастотный и т.п.) практическинепригоден для использования при сравнительно малых дозах облучения (104рад) за счет образования при облучении фтористоводородной кислоты. Наиболеестойким является полистирол, применяемый часто в виде покровного лака и несущихконструкций. Большинство эластомеров при облучении становятся твердыми ихрупкими (неопрен, кремнеорганическая резина), а бутиловый каучук – клейким.Органические пропитки и изоляционные масла увеличивают свою вязкость, образуютотстой и выделяют газ.