Факторы, определяющие построение электронных средств

К основным факторам внешней среды, воздействующим на РЭА, можно отнести:

1) температуру,

2) влажность,

3) давление,

4) пыль, песок,

5) фоновые излучения, включая солнечную радиацию,

6) биологическую среду.

Влияние этих факторов может быть значительным, в особенности, если они проявляются совместно. По степени влияния этих факторов на РЭА различают следующие группы условий эксплуатации:

Л – легкие (t^o»+20^oC, влажность £80%, р»760 мм рт. ст., нет воздействия пыли, песка, излучений и биологической среды); они характерны для закрытых, отапливаемых и вентилируемых помещений.

С- среднее (t^o=-50 ¸ +70^oC, влажность периодами достигает 98%, воздействие пыли, песка, биологической среды); они характерны для наземной, полевой и передвижной аппаратуры.

Ж – жесткие (t^o=-80 ¸ +100^oC, влажность £98%, давление до 5 мм рт. ст., воздействие пыли, песка, фонового излучения среды среднего уровня); они характерны для авиационной РЭА. -

ОЖ – особо жесткие (t^o=-100 ¸ +250^oC, влажность до 100 %, давление до 5*10^-6 мм рт. ст., воздействие сильных фоновых излучений, пыли, песка); они характерны для ракетной РЭА.

Кроме отраслевых стандартов климатические воздействия определяются в соответствии с ГОСТ 15150-69 – «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов». Согласно этого ГОСТ вся поверхность 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 в зависимости от размещения:

1 категория – РЭА, эксплуатируемая на открытом воздухе.

2 категория – РЭА, эксплуатируемая под навесом;

3 категория – РЭА, эксплуатируемая в закрытом помещении с естественной 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 подземных помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями окружающей среды;

5 категория – РЭА, эксплуатируемая в неотапливаемых и невентилируемых помещениях, в которых может быть влага при ее частичном конденсировании.

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 указанные температуры, а следовательно, без дополнительных мер, уменьшающих эти температуры, и без анализа влияния этих факторов на работу элементов, немыслимо создать работоспособную и надежную аппаратуру. Влияние температуры на параметры элементов и свойства материалов РЭУ проявляется следующим образом:

1) при низких температурах:

- электролитические конденсаторы замерзают и перестают работать,

- аккумуляторные батареи разряжаются,

- воск и защитные компаунды твердеют и растрескиваются,

- резиновые амортизаторы теряют свою эластичность и перестают работать,

- в механических подвешенных узлах наблюдается замерзание смазки,

- в реле наблюдается слипание контактов,

- в штепсельных разъемах из-за различных ТКЛР пластмассы и металла происходит нарушение контактов,

- уменьшаются усилительные свойства транзисторов.

2) при повышенных температурах:

- происходит изменение люфтов и натягов, для ряда элементов могут возникнуть нежелательные деформации и коробления (например, в катушках высокой частоты и конденсаторах переменной емкости),

- некоторые сопротивления и емкости конденсаторов постоянной емкости могут изменять свои значения на величины, намного превышающие рабочий разброс,

- проводимость полупроводников резко возрастает, а именно диоды и транзисторы изменяют расчетные данные для своих параметров, особенно b, h₁₁ и J_ко – для транзисторов и R_обр – для диодов, что может привести к потери работоспособности схем на этих элементах,

- ряд материалов (например, термопластичных пластиков и компаундов) подвергается недопустимым размягчениям, и начинают течь и т.д. и т.п.

Влияние повышенной влажности проявляются в следующем:

1) увеличивается диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов;

2) снижается их удельное поверхностное сопротивление;

3) уменьшается электрическая проницаемость воздушных зазоров;

4) происходят побочные физико-химические процессы в диэлектриках и металлах.

Эти причины вызывают нежелательные изменения емкости конденсаторов, уменьшение сопротивления изоляции, искрение, пробой, разбухание и отслаивание диэлектриков, коррозию металлов, появление плесени внутри аппаратуры.

При малой величине влажности наблюдается высыхание диэлектриков и их растрескивание.

Наиболее стойкими к действию влаги из диэлектриков являются фторопласт, полистирол, полиэтилен; менее стойки – термопластики, керамика и сильно подверженными являются бумага, ткани, гетинакс, текстолит и др. Из металлов менее всего подвержены коррозии свинец, алюминий, несколько больше – медь, никель и очень сильно железо. Проникновение коррозии вглубь металла характеризуются следующими цифрами (в мкм/год): Pb – 4, Al – 8, Cu –12, Ni – 32, Fe –200. Эти данные справедливы для химически чистых металлов. В реальных конструкциях используются технические металлы, скорость коррозии у которых еще выше за счет включения различных примесей. Скорость коррозии металлов зависит от величины относительной влажности (рис.1), а также от температуры и состава газа окружающей среды. Пленки сплавов, образующихся на металлах, являются хорошими защитными средствами от коррозии, в особенности, пленки окислов алюминия и титана (Al₂O₃, Tio₂). При конструировании РЭА следует также учитывать т.н. «контактную коррозию»- коррозию, возникающую за счет разности электрохимических потенциалов металлов. В табл. 1 для некоторых металлов приведены значения электрохимического потенциала.

Таблица 1

Металл	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 гальваническими парами являются: алюминий-медь, хром-золото, магний-сталь, сталь-медь и др.

Рассмотрим влияние влаги на характеристики узлов РЭА на некоторых примерах.

Пример 1. Пусть имеем 2 - каскадный усилитель импульсов, собранный на печатной плате из стеклостеклолита СФ-1-0,8. Импульсы на входе имеют длительность t=1мкс, а на выходе временная задержка должна составлять t_ф£0,1 мксек. Ширина печатных проводников «в» составляет 1мм, а минимальные расстояния h между ними равны 0,5 мм. Считаем также, что временная задержка импульса в основном обусловлена емкостью 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 материал диэлектрика увеличивает его диэлектрическую проницаемость в несколько раз. Примем, что это увеличение равно 3.

Определим вначале для выбранного варианта конструкции идеальную паразитную емкость печатных проводников по формуле:

где в и h – ширина и расстояние между проводниками.

Считаем, что задержки в обоих каскадах равны, тогда временная допустимая задержка на один каскад составит

t_ф1£0,05 мксек. Поскольку

t_ф1=3 RкC_å,

где C_å=Cк+Спар, Rк – коллекторная нагрузка (принимаем Rк – 2кОм), Ск – емкость коллектрного перехода транзистора (принимаем Ск=5пФ), то получим, что

Последние ограничения накладывают допуски на возможную длину параллельных проводников

При действии влаги изменение емкости печатных проводников прямо пропорционально изменению e при постоянных размерах конструкции. Так как нами было принято трехкратное увеличение e, то С_уд=5 пФ/см, С_пар=10пФ, С_å=15пФ, t_ф1=0,09мкс и t_ф=2t_ф1=0,18мксек>0,1мксек.

Следовательно, с учетом действия влаги на конструкцию для обеспечения требований ТУ на него необходимо:

- либо ввести конструктивное ограничение на длину параллельный печатных проводников, а именно,

- либо применить более влагостойкий материал, например, стеклотекстолит СТЭФ-1 (влагопоглощение не более 0,5¸2%, т.е. примерно в 3 раза меньше), - либо повысить качество влагонепроницаемого лакового покрытия.

Пример Пусть имеем микрополосковую линию, выполненную на поликоровой подложке и работающую в 3-см диапазоне. Известно, что толщина микрополосковых проводников составляет 10¸15 мкм с учетом наращивания пленочных проводников электрохимической медью. Если принять, что срок хранения изделия должен составлять не менее 2¸3 лет, то за это время глубина коррозии меди, даже химически чистой, будет равна (2¸3)12=24¸36мкм, т.е. микрополсковая линия исчезнет. Поэтому ее необходимо защищать покрытием с электрохимическим потенциалом, близким к электрохимическому потенциалу меди. Из табл. 1 видно, что можно применить серебрение или золочение. В силу технологических особенностей выбирают золото. Непосредственно осаждать золото на нихром нельзя из-за большого электрохимического потенциала этой пары. Величина золотого покрытия с учетом подслоя меди должна выбираться из глубины проникновения высокочастотного тока в металл по формуле:

Факторы, определяющие построение электронных средств (стр. 1 из 3)