ЗМІСТ
Введення
1.Загальні відомості про вологозахисті елементів і конструкцій РЕЗ
1.1.Воздействіе вологи на матеріали і електрорадіоелементи
1.2.Способи захисту елементів і вузлів РЕЗ
1.3.Влагозащіта компонентів і блоків РЕЗ
2.Методи визначення ступеня вологозахисту РЕЗ
2.1.Експеріментальние методи визначення герметичності
2.2.Оценочние розрахунки ступеня герметичності блоку РЕЗ
2.3.Расчет часу вологозахисту гермооболонки РЕЗ
Список літератури
Введення
Надійна робота радіоелектронних засобів (РЕЗ) в умовах підвищеної вологості забезпечується на стадії їх проектування використанням вологостійких електрорадіоелементів, матеріалів, покриттів і спеціальних конструкторсько-технологічних прийомів. Якщо при конструюванні РЕЗ не вжито спеціальні заходи, то вплив підвищеної вологості буде сильно впливати на параметри РЕЗ або навіть призводити до повного виходу її з ладу.
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО вологозахисті ЕЛЕМЕНТІВ І КОНСТРУКЦІЙ РЕЗ
1.1. Вплив вологи на матеріали і електрорадіоелементи
У процесі виробництва, зберігання і експлуатації РЕЗ можуть піддаватися впливу вологи, що міститься в навколишньому просторі, внутрішнього середовища гермоблоков, матеріалах конструкції, а також у використовуваних при виготовленні РЕЗ матеріалах.
Наявність вологи у внутрішньому середовищі гермокорпуса РЕЗ обумовлено наступними причинами:
1) проникненням її через мікропори із зовнішнього середовища;
2) неможливістю повною осушки (без вологопоглинача) середовища заповнення (наприклад, точка роси газоподібного азоту після централізованої осушки становить -70 ° С);
3) наявністю вологи в конструкційних матеріалах гермокорпуса.
Значно збільшують вміст вологи полімерні матеріали, використання яких в конструкції РЕЗ обумовлено економічними міркуваннями (зменшення трудомісткості збірки, витрати матеріалів та енергії). У процесі виробництва і зберігання полімерні матеріали поглинають вологу з навколишнього середовища, а при нагріванні ця волога виділяється у внутрішнє середовище гермокорпуса.
Полімерні матеріали застосують для герметизації з'єднувачів, контровкі різьбових з'єднань, як демпфуючих і віброізолюючих шарів, для маркування, виконання нероз'ємних з'єднань при зборці вузлів з деталей і компонентів, виготовлених з різних матеріалів (металів, сплавів, кераміки, феритів, гум, пластмас і т . д.) і різного конструктивного виконання (друковані плати і шлейфи, об'ємні провідники, екрани, вологозахисні і тепловідвідні конструкції і т.д.). Полімери входять до складу таких конструкційних матеріалів, як склотекстоліт, гетинакс, лакоткани.
Вода (сконденсована волога) - полярне, хімічно активна речовина, легко вступає в з'єднання з різними металами і неметалами (газами, рідинами, твердими речовинами, інертними газами). При цьому утворюються гідрати, стійкі при низьких температурах. Ще більш активно вода окислюється киснем; вона реагує з фтором, хлором, сполуками вуглецю. Лужні і лужноземельні метали розкладають воду вже при кімнатній температурі. Вода є активним каталізатором. Вона володіє високими діелектричною проникністю в рідкій фазі (e = 79 ... 84) і втратами (tgd): при частоті f = 50 Гц tgd дуже великий; при f = 105 Гц tgd = 1,6; при f = 107 Гц tgd = 0,3; при f = 109 Гц tgd = 0,03. При наявності домішок іонного типу вода має високу провідність (питомий опір водопровідної води складає 106 ... 107 Ом × м; двічі дистильованої на повітрі води - 108 Ом × м; перегнанной у вакуумі - 1010 Ом × м).
Вплив вологи на матеріали і компоненти може призвести до поступових і раптовим відмовам РЕЗ. Зволоження органічних матеріалів супроводжується такими явищами: збільшенням діелектричної проникності (e) і втрат (tgd); зменшенням об'ємного опору, електричної та механічної міцності; зміною геометричних розмірів і форми (короблением при видаленні вологи після набухання); зміною властивостей мастил. Це призводить до збільшення ємності (у тому числі паразитної), зменшенню добротності контурів, зниження пробивної напруги та появи відмов РЕЗ. Поступові відмови систем радіолокації та навігації проявляються в погіршенні точності визначення координат і зниженні дальності дії РЛС. У радіомовних і телевізійних приймачів знижується чутливість і вибірковість, знижуються діапазони робочих частот (у бік більш низьких), з'являється нестійкість роботи гетеродина. Раптові відмови систем радіолокації та навігації обумовлюються електричним пробоєм, розшаруванням діелектриків і т.д. При зволоженні відмови можуть відбутися через корозію, що приводить до порушення паяних і зварних швів герметизуючих, обриву електромонтажних зв'язків, збільшення опору контактних пар, що веде до збільшення шумів нероз'ємних і обгорання рознімних контактів); зменшення міцності і утруднення розбирання кріплення; потьмяніння відображають і руйнування захисних покриттів; збільшення зносу тертьових поверхонь і т.д.
Попадання вологи на поверхню тонкоплівкових резистивних елементів може призвести до зміни їх опору (зменшення під час шунтування вологою, збільшення при корозії); волога в діелектриках плівкових конденсаторів збільшує їх ємність і призводить до пробою діелектрика; волога на поверхні напівпровідникових елементів ІВ сприяє скупченню на кордоні Si- SiO2 позитивних іонів (Na + та ін), утворення шару накопичених зарядів у напівпровіднику під впливом поверхневих іонів і зміни параметрів напівпровідникових приладів (дрейфу зворотних струмів, пробивних напруг, коефіцієнта посилення біполярних транзисторів, порогового напруги і крутизни передавальної характеристики МДН-транзисторів).
Все це, як правило, призводить до повної відмови РЕЗ, як негерметичних, так і герметичних, але в першому випадку вплив надає зовнішнє середовище, а в другому - і внутрішня.
1.2. Способи вологозахисту елементів і вузлів РЕЗ
Для забезпечення надійності функціонування РЕЗ при впливі вологи потрібно застосовувати вологозахисні конструкції, які розділяють на дві групи: монолітні і порожнисті. Монолітні оболонки складають нерозривне ціле з захищається вузлом. Монолітні оболонки виконуються з органічних матеріалів. Зазвичай компоненти з таким захистом призначені для використання в негерметичних наземних РЕЗ, і в цьому випадку доводиться вживати додаткових заходів для забезпечення вологозахисту електричних з'єднань (наприклад, лакувати друковані плати).
Порожні вологозахисні оболонки дозволяють звільнити захищаються компоненти від механічного контакту з оболонкою, що забезпечує роботу в більш широкому діапазоні температур і виключає хімічну взаємодію оболонки та захистило компонента. Порожні оболонки, особливо з неорганічних матеріалів, забезпечують більш високу надійність вологозахисту, але мають значні габарити, масу, вартість. Найбільш ефективним є використання порожніх оболонок для групової герметизації безкорпусних компонентів у складі блоку.
Для захисту від вологи компонентів і вузлів за допомогою монолітних оболонок, які є одночасно несучою конструкцією для зовнішніх висновків, використовуються просочення, заливка, обволікання і опресовування.
Просочення знайшла найбільше застосування для захисту від вологи обмоток електродвигунів, котушок трансформаторів і т.д. При просочуванні з порожнин і пор витісняється повітря, і вони заповнюються лаком або компаундом. Це призводить до збільшення електричної і механічної міцності, поліпшення теплопровідності, але одночасно збільшуються маса, паразитна ємність.
Заливка - це суцільна упаковка компонента чи вузла в ізоляційну масу шляхом заповнення нею вільного проміжку між виробом і стінками корпусу або між виробом і заливальної формою. Для поліпшення теплопровідності в заливний компаунд іноді додають кварцову пудру або прожарений порошок оксиду алюмінію, а для поліпшення вологозахисних властивостей можна додавати порошок цеоліту, що поглинає вологу. При виборі заливального матеріалу особливу увагу слід звертати на близькість ТКЛР матеріалу заливки та захистило компонента чи вузла (це впливає на внутрішні напруги в компаунді), а також ТКЛР матеріалу заливки і зовнішніх висновків (це впливає на утворення каналів проникнення вологи при зміні температури).
Обволікання - застосовують для захисту від вологи друкованих плат, дискретних ЕРЕ, безкорпусних напівпровідникових приладів, мікрозборок. Основною перевагою обволікання є висока економічність, недоліками - досить товстий і неконтрольований шар покриття, можливість використання тільки для нежорстких умов експлуатації (як і для всіх видів полімерної захисту від вологи), складність видалення потрапила під захисний шар вологи. Обволікання друкованих плат лаками і компаундами дозволяє підвищити пробивну напругу працює в наземних умовах апаратури.
Опресовування - це захист виробу від вологи товстим шаром полімерного матеріалу (термореатівная або термопластична пластмаса) методом литтєвого або трансферного пресування в спеціальних формах. Цей вид вологозахисту використовують в основному для малогабаритних компонентів (ІС, ЕРЕ, мікрозборок), що дозволяє надійно зміцнити зовнішні висновки і створити несучу конструкцію, яка здатна витримувати механічні перевантаження і придатна для автоматизації установки компонентів на плату. При виборі матеріалу для обпресування необхідно враховувати його параметри e, tgd, електричну міцність.
Для захисту від корозії несучих корпусних конструкційних вузлів з металів і сплавів широко застосовують монолітні плівкові металеві покриття, нанесені гарячим способом, гальванічно, шляхом дифузії. Товщина таких покриттів одиниці - десятки мікрометрів.
У ряді випадків захисне покриття роблять багатошаровим, наприклад шар міді товщиною 6 ... 10 мкм (висока адгезія до сталі), шар нікелю товщиною 3 ... 6 мкм (висока твердість), шар хрому товщиною 0,5 мкм (антифрикційні, гідрофобність). Для захисту корпусів з алюмінієвих сплавів використовують багатошарові покриття, наприклад Cu - Ni - (Sn - Bi).
1.3. Вологозахист компонентів і блоків РЕЗ
Порожні вологозахисні оболонки застосовують для захисту компонентів, блоків РЕЗ, ІС, мікрозборок, як додатковий захист від вологи наземних РЕЗ на корпусірованних елементах, для бортових РЕЗ на безкорпусних елементах, для апаратури діапазону НВЧ. Застосування корпусних оболонок дозволяє виключити механічний контакт їх з захищається виробом, що дозволяє виключити передачу виробу механічних напружень, які можуть виникнути у них. Крім того, усувається хімічну взаємодію оболонки з захищається виробом. Одночасно часто поліпшується тепловідвід (при використанні оболонок, теплопровідність яких вище теплопровідності полімерів), підвищується надійність вологозахисту і забезпечується електромагнітне екранування (при використанні оболонки з металу або металізованої кераміки), послаблюються паразитні зв'язку зважаючи на зменшення при заміні полімеру повітрям.
Для наземних РЕЗ, що працюють в опалюваних приміщеннях можна використовувати дешеві полімерні порожнисті оболонки до пластмасового підставі яких приклеюється пластмасова кришка. Основний недолік подібних оболонок полягає у можливості проникнення вологи в результаті дифузії через полімерну оболонку, а також по межі висновок - пластмаса при утворенні каналів через відмінності ТКЛ матеріалу виводу і пластмаси.
Більш дорогим, але і більш надійним є порожнисті нероз'ємні металлополімерниє оболонки. Наявність металевих кришок зменшує площу, через яку може дифундувати волога, проте по межі висновок - полімер волога може проникати (як у монолітних, так і в порожнистих полімерних оболонках). Зазвичай час вологозахисту подібних оболонок при вологості навколишнього середовища 98% не перевищує 10 ... 30 сут. В умовах космосу цей час може бути значно більше. Через низьку теплопровідність полімерів часто для забезпечення відводу тепла використовують тепловідвідні шини. Металоскляного порожніми оболонками можна герметизувати не тільки компоненти, але і блоки РЕЗ, наприклад бортове РЕЗ одноразової дії. Для поліпшення тепловідводу від безкорпусних компонентів оболонка заповнена фторовмісних речовиною. Зовнішні висновки ізольовані від металевого корпусу за допомогою скляних ізоляторів. З'єднання кришки з основою здійснено нероз'ємним паянням або зварним швом. Для блоків об'ємом менше 3 дм3 при необхідності забезпечення невеликого (до 3 ... 5 разів) числа розгерметизація і повторної герметизації (на етапі виробництва при налаштуванні або на етапі експлуатації при ремонті) використовується регенеровані паяний або зварний шов. Такий вид герметизації забезпечує працездатність блоків протягом 8 ... 12 років.
Для блоків, обсяг яких перевищує 3 дм3, доцільно використовувати роз'ємні порожнисті оболонки з прокладками, що допускає більшу закінчення (натікання) газу через більшого обсягу блоку (для прокладок з кращих еластомерів текти становить 10-3 ... 10-7 дм3 Па / с на метр прокладки) і дозволяє значно знизити масу блоку в порівнянні з масою блоку, герметизированном паяним швом (при об'ємі блоку, меншому 3 дм3, цьому заважає велика маса стягуючих болтів).
Використання прокладок спрощує герметизацію і розгерметизацію блоку, що актуально як на етапі виробництва (під час регулювання, настроювання), так і на етапі експлуатації (при ремонті). На етапі виробництва це особливо актуально для складних блоків, в яких необхідно замінювати компоненти при регулюванні або при виході їх з ладу на випробуваннях. При експлуатації герметизація за допомогою прокладок найбільш ефективна для блоків багаторазового користування, конструкція яких повинна бути ремонтопридатності. Як матеріал ущільнюючих прокладок можна використовувати полімери (гума, пластмаса), метали (мідь, алюміній, свинець, індій).
2. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ Вологозахист РЕЗ
2.1. Експериментальні методи визначення герметичності
Отримати у виробництві абсолютно герметичний блок не представляється можливим. Тому необхідно оцінювати ступінь герметичності, яка характеризується течею: великий (більше 10-3 дм3 Па / с), середньої (10-3 ... 10-4 дм3 Па / с), малої (менше 10-5 ... 10-8 дм3 Па / с). Великі течі можна визначити, поміщаючи герметизований блок у нагрітий етиленгліколь або гас на глибину не менше 2,5 см. Повітря при нагріванні розширюється і виходить у вигляді бульбашок; чутливість цього методу 2 • 10-3 дм3 • Па / с. Можна подавати до випробуваний гермоузел повітря під тиском (10 ... 12) • 105 Па. За швидкістю утворення бульбашок і їх розмірами можна орієнтовно визначити місце і текти. Середні течі можна визначити за допомогою індикаторної рідини, в яку занурюється попередньо опресовані під фреоні (2 ... 6) • 105 Па гермоузел.
Малі течі визначаються мас-спектрометричним або радіаційним методом. При мас-спектрометричному методі текти визначається за допомогою гелієвих течошукачів типу ПТІ-7, СТІ-11, мають чутливість 2 • 10-12 дм3 • Па / (с • мВ). Полімерні оболонки цим методом не перевіряються, так як вони під тиском можуть сорбувати гелій, що знаходиться в атмосфері. Недоліком методу є низька продуктивність, особливо у випадку малих течі, що вимагає збільшення часу виміру. Радіаційний метод (чутливість 10-13 дм3 Па / с) полягає в попередній опрессовке гермоблока в ізотопі Kr85 та індикації ступеня закінчення ізотопу лічильником Гейгера. Так як отримати абсолютно герметичний шов практично неможливо, то після герметизації блок заповнюється яких-небудь осушеним інертним газом (азотом, аргоном, гелієм) під надлишковим тиском (0,03 ... 0,06 МПа). Вирівнювання тиску в гермокорпусе і зовнішньої середовищі відбувається протягом 8 ... 10 років, що перешкоджає натекания вологи із зовнішнього середовища всередину гермокорпуса (за наявності зовні парціанального тиску парів вологи, більшого, ніж усередині гермокорпуса, і при розмірі мікропор, більшому діаметру молекул вологи, волога може натікало із зовнішнього середовища всередину гермокорпуса навіть при наявності в ньому надлишкового тиску осушеного інертного газу). Збільшення тиску заповнює гермокорпус газу сприяє збільшенню часу захисту від зовнішнього середовища, але оболонка корпусу повинна бути міцнішою і, отже, більш масивною.
2.2. Оціночні розрахунки ступеня герметичності блоку РЕЗ
Допустиме витікання з гермокорпуса (дм3 Па / с) може бути визначено за формулою Q = VDP / Dt, де DP - початкове надлишковий тиск газу усередині гермоблока, Па; Dt - час зберігання і роботи блоку, с; V - об'єм блока, дм3. Якщо, наприклад, V = 0,5 дм3, DP = 0,3 × 105 Па, Dt = 2,5 × 108 с (8 років), то Q = 0.610-4 дм3 × Па / с. Якщо малий обсяг, заповнений газом, або велике витікання, то гермокорпус не забезпечить надійної роботи протягом заданого часу. У цьому випадку треба або відпрацьовувати технологічний процес герметизації з метою зменшення течі, або збільшувати об'єм оболонки, або підвищувати початковий тиск в ній. Другий і третій шляху не є ефективними, тому що ведуть до збільшення габаритів або маси гермоблоку. Прийнятними вважаються наступні течі для блоків з різним вільним об'ємом: 10-7 дм3 × Па / с (об'єм 0,1 ... 0,4 дм3), 10-4 ... 10-5 дм3 × Па / с (обсяг 0,5 ... 5 дм3), 10-3 ... 10-4 дм3 × Па / с (обсяг більше 5 дм3). Текти для роз'єму типу РПС-1 не повинна перевищувати 10-10 дм3 × Па / с.
2.3. Розрахунок часу вологозахисту гермооболонки РЕЗ
Час вологозахисту t визначає здатність гермокожух або гермооболонки зберігати працездатним яка була всередині РЕЗ або його окремий компонент і знаходиться в залежності від фізичних характеристик матеріалу і конструктивно-технологічних особливостей виробу. Основним фізичним параметром, що визначає t є коефіцієнт вологопроникність матеріалу оболонки, значення якого залежить від складу матеріалу і температури. Коефіцієнт вологопроникність - В визначається рівнянням діффузіозной проникності і виражається масою парів води, що пройшла в одиницю часу через одиницю площі при одиничному градієнті концентрації або тиску. Одиниця виміру [кг / (м × з × н/м2)] або, спрощуючи цю розмірність, її можна отримати як [c].
Вологопроникність металевих оболонок РЕЗ при однакових геометричних розмірах істотно нижче, ніж полімерних, тому далі будуть розглядатися лише останні. Для ряду систем полімер-вода дифузія, що є основним механізмом перенесення вологи через стінку гермооболонки, може бути записана у разі застосування закону Фіка у формі
(1)
де D - коефіцієнт дифузії, що є функцією концентрації, якщо у поверхні полімеру підтримується постійна концентрація з водяної пари.
Для опису концентраційної залежності застосовується напівемпіричні вираз виду
(2)
де a - константа, DC = 0 - коефіцієнт дифузії, екстрапольований до нульової концентрації вологи. Коефіцієнт D найбільш різко змінюється в області малих концентрацій вологи.
Температурна залежність коефіцієнта вологопроникність виражається рівнянням виду
(3) де B0, E і R - константи (при з = const), T - абсолютна температура.
Рішення рівняння дифузії дає час вологозахисту оболонки виражене через її геометричні параметри та умови зовнішнього і внутрішнього середовищ. Основними величинами, які визначають необхідний термін служби виробу при заданих умовах, є коефіцієнт вологопроникність матеріалу наведений нижче у таблиці і товщина стінок оболонки. Для випадку якщо вологозахист здійснюється заливкою або обпресуванням герметизуючого матеріалу розрахунковий час у с захисту оболонки можна визначити за формулою
(4) де d - товщина оболонки, м; D - коефіцієнт дифузії, м2 / с; р0 - тиск парів навколишнього середовища; ркр-тиск парів вологи, відповідне її критичної концентрації, після досягнення якої з'являються відмови. Розрахунковий час вологозахисту не є визначальним при виборі матеріалу, так як треба оцінити внутрішні напруги після полімеризації і в діапазоні температур, адгезію оболонки до компонента, e і tgd, електричну і механічну міцність, токсичність і т. д.
При використанні полого полімерного корпусу час вологозахисту (с) визначається часом затримки проникнення вологи через шар полімерів і часом накопичення вологи всередині корпусу до настання критичного тиску пари (ркр):
(5) де V-внутрішній об'єм оболонки, м3; h - коефіцієнт розчинності вологи в матеріалі оболонки, с2/м2; d - товщина стінки оболонки, м; S - площа проникнення вологи через оболонку, м2; р0 - тиск навколишнього середовища, Па ; D - коефіцієнт дифузії матеріалу оболонки, м2 / с; В - коефіцієнт вологопроникність оболонки, с. Вологісні параметри деяких герметизуючих полімерних матеріалів
№ Матеріал В, з D, м2 / с h, c2/м2 Призначення матеріалу
1 Фторопласт-4 1,0 10-16 8,34 10-13 грудня 10-5 Герметизуючі прокладки
2 Поліетилен 6,27 10-16 6,4 10-13 9,8 10-4 Елементи конструкції високочастотних вузлів
3 Полістирол 4,22 10-15 3,32 10-11 12,6 10-5 Те ж
4 Прес-матеріал ЕФП-63 1,83 10-16 6,1 10-13 березня 10-5 Монолітний пластмасовий корпус
5 Порошковий компаунд ПЕП-17 8,0 10-16 1,14 10-12 липня 10-4 Герметизація вузлів вихровим напиленням
6 Клей ВК-9 3,3 10-16 6,5 10-13 5,63 10-4 Кріплення елементів на плату
7 Лак ФП-525 4,5 10-16 1,18 10-12 3,8 10-4 Безкорпусна герметизація ІС
8 Компаунд ЕК-16Б 2,08 10-16 6,4 10-13 3,25 10-4 Заливка елементів і вузлів РЕЗ
9 Пластмаса
До-124-38 1,66 10-16 8,34 10-14 2,0 10-3 Порожній пластмасовий корпус
10 Компаунд ЕКМ 4,1 10-16 7,1 10-13 5,77 10-4 Герметизація напівпровідникових ІС
11 Кремнійорганічний еластометр СКТН 8,2 10-15 8,2 10-12 1,0 10-3 Заливка феритових елементів
12 Компаунд ВЕК-19 7,8 10-16 2,1 10-12 3,7 10-3 Заливка вузлів РЕЗ
13 Лак УР-231 5,2 10-16 3,5 10-12 1,48 10-4 обволікання друкованих плат
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Волков В.А. Збирання і герметизація мікроелектронних пристроїв. - М.: Радіо і зв'язок, 1992. - 144 с.
2. Ненашев А.П. Конструювання радіоелектронних засобів: Учеб. для радіотехніч. спец. вузів. - М.: Вищ. шк., 1990 - 432 с.
3. Конструювання радіоелектронних засобів: Учеб. для вузів / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтіня-Аболина, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шерстнев; Під ред. В.Б. Пестрякова. - М.: Радіо і зв'язок, 1992. - 432с.
4. СТП ВДТУ 001-98. Курсове проектування. Організація, порядок проведення, оформлення розрахунково-пояснювальної записки та графічної частини. Методичні вказівки № 186-98
Введення
1.Загальні відомості про вологозахисті елементів і конструкцій РЕЗ
1.1.Воздействіе вологи на матеріали і електрорадіоелементи
1.2.Способи захисту елементів і вузлів РЕЗ
1.3.Влагозащіта компонентів і блоків РЕЗ
2.Методи визначення ступеня вологозахисту РЕЗ
2.1.Експеріментальние методи визначення герметичності
2.2.Оценочние розрахунки ступеня герметичності блоку РЕЗ
2.3.Расчет часу вологозахисту гермооболонки РЕЗ
Список літератури
Введення
Надійна робота радіоелектронних засобів (РЕЗ) в умовах підвищеної вологості забезпечується на стадії їх проектування використанням вологостійких електрорадіоелементів, матеріалів, покриттів і спеціальних конструкторсько-технологічних прийомів. Якщо при конструюванні РЕЗ не вжито спеціальні заходи, то вплив підвищеної вологості буде сильно впливати на параметри РЕЗ або навіть призводити до повного виходу її з ладу.
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО вологозахисті ЕЛЕМЕНТІВ І КОНСТРУКЦІЙ РЕЗ
1.1. Вплив вологи на матеріали і електрорадіоелементи
У процесі виробництва, зберігання і експлуатації РЕЗ можуть піддаватися впливу вологи, що міститься в навколишньому просторі, внутрішнього середовища гермоблоков, матеріалах конструкції, а також у використовуваних при виготовленні РЕЗ матеріалах.
Наявність вологи у внутрішньому середовищі гермокорпуса РЕЗ обумовлено наступними причинами:
1) проникненням її через мікропори із зовнішнього середовища;
2) неможливістю повною осушки (без вологопоглинача) середовища заповнення (наприклад, точка роси газоподібного азоту після централізованої осушки становить -70 ° С);
3) наявністю вологи в конструкційних матеріалах гермокорпуса.
Значно збільшують вміст вологи полімерні матеріали, використання яких в конструкції РЕЗ обумовлено економічними міркуваннями (зменшення трудомісткості збірки, витрати матеріалів та енергії). У процесі виробництва і зберігання полімерні матеріали поглинають вологу з навколишнього середовища, а при нагріванні ця волога виділяється у внутрішнє середовище гермокорпуса.
Полімерні матеріали застосують для герметизації з'єднувачів, контровкі різьбових з'єднань, як демпфуючих і віброізолюючих шарів, для маркування, виконання нероз'ємних з'єднань при зборці вузлів з деталей і компонентів, виготовлених з різних матеріалів (металів, сплавів, кераміки, феритів, гум, пластмас і т . д.) і різного конструктивного виконання (друковані плати і шлейфи, об'ємні провідники, екрани, вологозахисні і тепловідвідні конструкції і т.д.). Полімери входять до складу таких конструкційних матеріалів, як склотекстоліт, гетинакс, лакоткани.
Вода (сконденсована волога) - полярне, хімічно активна речовина, легко вступає в з'єднання з різними металами і неметалами (газами, рідинами, твердими речовинами, інертними газами). При цьому утворюються гідрати, стійкі при низьких температурах. Ще більш активно вода окислюється киснем; вона реагує з фтором, хлором, сполуками вуглецю. Лужні і лужноземельні метали розкладають воду вже при кімнатній температурі. Вода є активним каталізатором. Вона володіє високими діелектричною проникністю в рідкій фазі (e = 79 ... 84) і втратами (tgd): при частоті f = 50 Гц tgd дуже великий; при f = 105 Гц tgd = 1,6; при f = 107 Гц tgd = 0,3; при f = 109 Гц tgd = 0,03. При наявності домішок іонного типу вода має високу провідність (питомий опір водопровідної води складає 106 ... 107 Ом × м; двічі дистильованої на повітрі води - 108 Ом × м; перегнанной у вакуумі - 1010 Ом × м).
Вплив вологи на матеріали і компоненти може призвести до поступових і раптовим відмовам РЕЗ. Зволоження органічних матеріалів супроводжується такими явищами: збільшенням діелектричної проникності (e) і втрат (tgd); зменшенням об'ємного опору, електричної та механічної міцності; зміною геометричних розмірів і форми (короблением при видаленні вологи після набухання); зміною властивостей мастил. Це призводить до збільшення ємності (у тому числі паразитної), зменшенню добротності контурів, зниження пробивної напруги та появи відмов РЕЗ. Поступові відмови систем радіолокації та навігації проявляються в погіршенні точності визначення координат і зниженні дальності дії РЛС. У радіомовних і телевізійних приймачів знижується чутливість і вибірковість, знижуються діапазони робочих частот (у бік більш низьких), з'являється нестійкість роботи гетеродина. Раптові відмови систем радіолокації та навігації обумовлюються електричним пробоєм, розшаруванням діелектриків і т.д. При зволоженні відмови можуть відбутися через корозію, що приводить до порушення паяних і зварних швів герметизуючих, обриву електромонтажних зв'язків, збільшення опору контактних пар, що веде до збільшення шумів нероз'ємних і обгорання рознімних контактів); зменшення міцності і утруднення розбирання кріплення; потьмяніння відображають і руйнування захисних покриттів; збільшення зносу тертьових поверхонь і т.д.
Попадання вологи на поверхню тонкоплівкових резистивних елементів може призвести до зміни їх опору (зменшення під час шунтування вологою, збільшення при корозії); волога в діелектриках плівкових конденсаторів збільшує їх ємність і призводить до пробою діелектрика; волога на поверхні напівпровідникових елементів ІВ сприяє скупченню на кордоні Si- SiO2 позитивних іонів (Na + та ін), утворення шару накопичених зарядів у напівпровіднику під впливом поверхневих іонів і зміни параметрів напівпровідникових приладів (дрейфу зворотних струмів, пробивних напруг, коефіцієнта посилення біполярних транзисторів, порогового напруги і крутизни передавальної характеристики МДН-транзисторів).
Все це, як правило, призводить до повної відмови РЕЗ, як негерметичних, так і герметичних, але в першому випадку вплив надає зовнішнє середовище, а в другому - і внутрішня.
1.2. Способи вологозахисту елементів і вузлів РЕЗ
Для забезпечення надійності функціонування РЕЗ при впливі вологи потрібно застосовувати вологозахисні конструкції, які розділяють на дві групи: монолітні і порожнисті. Монолітні оболонки складають нерозривне ціле з захищається вузлом. Монолітні оболонки виконуються з органічних матеріалів. Зазвичай компоненти з таким захистом призначені для використання в негерметичних наземних РЕЗ, і в цьому випадку доводиться вживати додаткових заходів для забезпечення вологозахисту електричних з'єднань (наприклад, лакувати друковані плати).
Порожні вологозахисні оболонки дозволяють звільнити захищаються компоненти від механічного контакту з оболонкою, що забезпечує роботу в більш широкому діапазоні температур і виключає хімічну взаємодію оболонки та захистило компонента. Порожні оболонки, особливо з неорганічних матеріалів, забезпечують більш високу надійність вологозахисту, але мають значні габарити, масу, вартість. Найбільш ефективним є використання порожніх оболонок для групової герметизації безкорпусних компонентів у складі блоку.
Для захисту від вологи компонентів і вузлів за допомогою монолітних оболонок, які є одночасно несучою конструкцією для зовнішніх висновків, використовуються просочення, заливка, обволікання і опресовування.
Просочення знайшла найбільше застосування для захисту від вологи обмоток електродвигунів, котушок трансформаторів і т.д. При просочуванні з порожнин і пор витісняється повітря, і вони заповнюються лаком або компаундом. Це призводить до збільшення електричної і механічної міцності, поліпшення теплопровідності, але одночасно збільшуються маса, паразитна ємність.
Заливка - це суцільна упаковка компонента чи вузла в ізоляційну масу шляхом заповнення нею вільного проміжку між виробом і стінками корпусу або між виробом і заливальної формою. Для поліпшення теплопровідності в заливний компаунд іноді додають кварцову пудру або прожарений порошок оксиду алюмінію, а для поліпшення вологозахисних властивостей можна додавати порошок цеоліту, що поглинає вологу. При виборі заливального матеріалу особливу увагу слід звертати на близькість ТКЛР матеріалу заливки та захистило компонента чи вузла (це впливає на внутрішні напруги в компаунді), а також ТКЛР матеріалу заливки і зовнішніх висновків (це впливає на утворення каналів проникнення вологи при зміні температури).
Обволікання - застосовують для захисту від вологи друкованих плат, дискретних ЕРЕ, безкорпусних напівпровідникових приладів, мікрозборок. Основною перевагою обволікання є висока економічність, недоліками - досить товстий і неконтрольований шар покриття, можливість використання тільки для нежорстких умов експлуатації (як і для всіх видів полімерної захисту від вологи), складність видалення потрапила під захисний шар вологи. Обволікання друкованих плат лаками і компаундами дозволяє підвищити пробивну напругу працює в наземних умовах апаратури.
Опресовування - це захист виробу від вологи товстим шаром полімерного матеріалу (термореатівная або термопластична пластмаса) методом литтєвого або трансферного пресування в спеціальних формах. Цей вид вологозахисту використовують в основному для малогабаритних компонентів (ІС, ЕРЕ, мікрозборок), що дозволяє надійно зміцнити зовнішні висновки і створити несучу конструкцію, яка здатна витримувати механічні перевантаження і придатна для автоматизації установки компонентів на плату. При виборі матеріалу для обпресування необхідно враховувати його параметри e, tgd, електричну міцність.
Для захисту від корозії несучих корпусних конструкційних вузлів з металів і сплавів широко застосовують монолітні плівкові металеві покриття, нанесені гарячим способом, гальванічно, шляхом дифузії. Товщина таких покриттів одиниці - десятки мікрометрів.
У ряді випадків захисне покриття роблять багатошаровим, наприклад шар міді товщиною 6 ... 10 мкм (висока адгезія до сталі), шар нікелю товщиною 3 ... 6 мкм (висока твердість), шар хрому товщиною 0,5 мкм (антифрикційні, гідрофобність). Для захисту корпусів з алюмінієвих сплавів використовують багатошарові покриття, наприклад Cu - Ni - (Sn - Bi).
1.3. Вологозахист компонентів і блоків РЕЗ
Порожні вологозахисні оболонки застосовують для захисту компонентів, блоків РЕЗ, ІС, мікрозборок, як додатковий захист від вологи наземних РЕЗ на корпусірованних елементах, для бортових РЕЗ на безкорпусних елементах, для апаратури діапазону НВЧ. Застосування корпусних оболонок дозволяє виключити механічний контакт їх з захищається виробом, що дозволяє виключити передачу виробу механічних напружень, які можуть виникнути у них. Крім того, усувається хімічну взаємодію оболонки з захищається виробом. Одночасно часто поліпшується тепловідвід (при використанні оболонок, теплопровідність яких вище теплопровідності полімерів), підвищується надійність вологозахисту і забезпечується електромагнітне екранування (при використанні оболонки з металу або металізованої кераміки), послаблюються паразитні зв'язку зважаючи на зменшення при заміні полімеру повітрям.
Для наземних РЕЗ, що працюють в опалюваних приміщеннях можна використовувати дешеві полімерні порожнисті оболонки до пластмасового підставі яких приклеюється пластмасова кришка. Основний недолік подібних оболонок полягає у можливості проникнення вологи в результаті дифузії через полімерну оболонку, а також по межі висновок - пластмаса при утворенні каналів через відмінності ТКЛ матеріалу виводу і пластмаси.
Більш дорогим, але і більш надійним є порожнисті нероз'ємні металлополімерниє оболонки. Наявність металевих кришок зменшує площу, через яку може дифундувати волога, проте по межі висновок - полімер волога може проникати (як у монолітних, так і в порожнистих полімерних оболонках). Зазвичай час вологозахисту подібних оболонок при вологості навколишнього середовища 98% не перевищує 10 ... 30 сут. В умовах космосу цей час може бути значно більше. Через низьку теплопровідність полімерів часто для забезпечення відводу тепла використовують тепловідвідні шини. Металоскляного порожніми оболонками можна герметизувати не тільки компоненти, але і блоки РЕЗ, наприклад бортове РЕЗ одноразової дії. Для поліпшення тепловідводу від безкорпусних компонентів оболонка заповнена фторовмісних речовиною. Зовнішні висновки ізольовані від металевого корпусу за допомогою скляних ізоляторів. З'єднання кришки з основою здійснено нероз'ємним паянням або зварним швом. Для блоків об'ємом менше 3 дм3 при необхідності забезпечення невеликого (до 3 ... 5 разів) числа розгерметизація і повторної герметизації (на етапі виробництва при налаштуванні або на етапі експлуатації при ремонті) використовується регенеровані паяний або зварний шов. Такий вид герметизації забезпечує працездатність блоків протягом 8 ... 12 років.
Для блоків, обсяг яких перевищує 3 дм3, доцільно використовувати роз'ємні порожнисті оболонки з прокладками, що допускає більшу закінчення (натікання) газу через більшого обсягу блоку (для прокладок з кращих еластомерів текти становить 10-3 ... 10-7 дм3 Па / с на метр прокладки) і дозволяє значно знизити масу блоку в порівнянні з масою блоку, герметизированном паяним швом (при об'ємі блоку, меншому 3 дм3, цьому заважає велика маса стягуючих болтів).
Використання прокладок спрощує герметизацію і розгерметизацію блоку, що актуально як на етапі виробництва (під час регулювання, настроювання), так і на етапі експлуатації (при ремонті). На етапі виробництва це особливо актуально для складних блоків, в яких необхідно замінювати компоненти при регулюванні або при виході їх з ладу на випробуваннях. При експлуатації герметизація за допомогою прокладок найбільш ефективна для блоків багаторазового користування, конструкція яких повинна бути ремонтопридатності. Як матеріал ущільнюючих прокладок можна використовувати полімери (гума, пластмаса), метали (мідь, алюміній, свинець, індій).
2. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ Вологозахист РЕЗ
2.1. Експериментальні методи визначення герметичності
Отримати у виробництві абсолютно герметичний блок не представляється можливим. Тому необхідно оцінювати ступінь герметичності, яка характеризується течею: великий (більше 10-3 дм3 Па / с), середньої (10-3 ... 10-4 дм3 Па / с), малої (менше 10-5 ... 10-8 дм3 Па / с). Великі течі можна визначити, поміщаючи герметизований блок у нагрітий етиленгліколь або гас на глибину не менше 2,5 см. Повітря при нагріванні розширюється і виходить у вигляді бульбашок; чутливість цього методу 2 • 10-3 дм3 • Па / с. Можна подавати до випробуваний гермоузел повітря під тиском (10 ... 12) • 105 Па. За швидкістю утворення бульбашок і їх розмірами можна орієнтовно визначити місце і текти. Середні течі можна визначити за допомогою індикаторної рідини, в яку занурюється попередньо опресовані під фреоні (2 ... 6) • 105 Па гермоузел.
Малі течі визначаються мас-спектрометричним або радіаційним методом. При мас-спектрометричному методі текти визначається за допомогою гелієвих течошукачів типу ПТІ-7, СТІ-11, мають чутливість 2 • 10-12 дм3 • Па / (с • мВ). Полімерні оболонки цим методом не перевіряються, так як вони під тиском можуть сорбувати гелій, що знаходиться в атмосфері. Недоліком методу є низька продуктивність, особливо у випадку малих течі, що вимагає збільшення часу виміру. Радіаційний метод (чутливість 10-13 дм3 Па / с) полягає в попередній опрессовке гермоблока в ізотопі Kr85 та індикації ступеня закінчення ізотопу лічильником Гейгера. Так як отримати абсолютно герметичний шов практично неможливо, то після герметизації блок заповнюється яких-небудь осушеним інертним газом (азотом, аргоном, гелієм) під надлишковим тиском (0,03 ... 0,06 МПа). Вирівнювання тиску в гермокорпусе і зовнішньої середовищі відбувається протягом 8 ... 10 років, що перешкоджає натекания вологи із зовнішнього середовища всередину гермокорпуса (за наявності зовні парціанального тиску парів вологи, більшого, ніж усередині гермокорпуса, і при розмірі мікропор, більшому діаметру молекул вологи, волога може натікало із зовнішнього середовища всередину гермокорпуса навіть при наявності в ньому надлишкового тиску осушеного інертного газу). Збільшення тиску заповнює гермокорпус газу сприяє збільшенню часу захисту від зовнішнього середовища, але оболонка корпусу повинна бути міцнішою і, отже, більш масивною.
2.2. Оціночні розрахунки ступеня герметичності блоку РЕЗ
Допустиме витікання з гермокорпуса (дм3 Па / с) може бути визначено за формулою Q = VDP / Dt, де DP - початкове надлишковий тиск газу усередині гермоблока, Па; Dt - час зберігання і роботи блоку, с; V - об'єм блока, дм3. Якщо, наприклад, V = 0,5 дм3, DP = 0,3 × 105 Па, Dt = 2,5 × 108 с (8 років), то Q = 0.610-4 дм3 × Па / с. Якщо малий обсяг, заповнений газом, або велике витікання, то гермокорпус не забезпечить надійної роботи протягом заданого часу. У цьому випадку треба або відпрацьовувати технологічний процес герметизації з метою зменшення течі, або збільшувати об'єм оболонки, або підвищувати початковий тиск в ній. Другий і третій шляху не є ефективними, тому що ведуть до збільшення габаритів або маси гермоблоку. Прийнятними вважаються наступні течі для блоків з різним вільним об'ємом: 10-7 дм3 × Па / с (об'єм 0,1 ... 0,4 дм3), 10-4 ... 10-5 дм3 × Па / с (обсяг 0,5 ... 5 дм3), 10-3 ... 10-4 дм3 × Па / с (обсяг більше 5 дм3). Текти для роз'єму типу РПС-1 не повинна перевищувати 10-10 дм3 × Па / с.
2.3. Розрахунок часу вологозахисту гермооболонки РЕЗ
Час вологозахисту t визначає здатність гермокожух або гермооболонки зберігати працездатним яка була всередині РЕЗ або його окремий компонент і знаходиться в залежності від фізичних характеристик матеріалу і конструктивно-технологічних особливостей виробу. Основним фізичним параметром, що визначає t є коефіцієнт вологопроникність матеріалу оболонки, значення якого залежить від складу матеріалу і температури. Коефіцієнт вологопроникність - В визначається рівнянням діффузіозной проникності і виражається масою парів води, що пройшла в одиницю часу через одиницю площі при одиничному градієнті концентрації або тиску. Одиниця виміру [кг / (м × з × н/м2)] або, спрощуючи цю розмірність, її можна отримати як [c].
Вологопроникність металевих оболонок РЕЗ при однакових геометричних розмірах істотно нижче, ніж полімерних, тому далі будуть розглядатися лише останні. Для ряду систем полімер-вода дифузія, що є основним механізмом перенесення вологи через стінку гермооболонки, може бути записана у разі застосування закону Фіка у формі
(1)
де D - коефіцієнт дифузії, що є функцією концентрації, якщо у поверхні полімеру підтримується постійна концентрація з водяної пари.
Для опису концентраційної залежності застосовується напівемпіричні вираз виду
(2)
де a - константа, DC = 0 - коефіцієнт дифузії, екстрапольований до нульової концентрації вологи. Коефіцієнт D найбільш різко змінюється в області малих концентрацій вологи.
Температурна залежність коефіцієнта вологопроникність виражається рівнянням виду
(3) де B0, E і R - константи (при з = const), T - абсолютна температура.
Рішення рівняння дифузії дає час вологозахисту оболонки виражене через її геометричні параметри та умови зовнішнього і внутрішнього середовищ. Основними величинами, які визначають необхідний термін служби виробу при заданих умовах, є коефіцієнт вологопроникність матеріалу наведений нижче у таблиці і товщина стінок оболонки. Для випадку якщо вологозахист здійснюється заливкою або обпресуванням герметизуючого матеріалу розрахунковий час у с захисту оболонки можна визначити за формулою
(4) де d - товщина оболонки, м; D - коефіцієнт дифузії, м2 / с; р0 - тиск парів навколишнього середовища; ркр-тиск парів вологи, відповідне її критичної концентрації, після досягнення якої з'являються відмови. Розрахунковий час вологозахисту не є визначальним при виборі матеріалу, так як треба оцінити внутрішні напруги після полімеризації і в діапазоні температур, адгезію оболонки до компонента, e і tgd, електричну і механічну міцність, токсичність і т. д.
При використанні полого полімерного корпусу час вологозахисту (с) визначається часом затримки проникнення вологи через шар полімерів і часом накопичення вологи всередині корпусу до настання критичного тиску пари (ркр):
(5) де V-внутрішній об'єм оболонки, м3; h - коефіцієнт розчинності вологи в матеріалі оболонки, с2/м2; d - товщина стінки оболонки, м; S - площа проникнення вологи через оболонку, м2; р0 - тиск навколишнього середовища, Па ; D - коефіцієнт дифузії матеріалу оболонки, м2 / с; В - коефіцієнт вологопроникність оболонки, с. Вологісні параметри деяких герметизуючих полімерних матеріалів
№ Матеріал В, з D, м2 / с h, c2/м2 Призначення матеріалу
1 Фторопласт-4 1,0 10-16 8,34 10-13 грудня 10-5 Герметизуючі прокладки
2 Поліетилен 6,27 10-16 6,4 10-13 9,8 10-4 Елементи конструкції високочастотних вузлів
3 Полістирол 4,22 10-15 3,32 10-11 12,6 10-5 Те ж
4 Прес-матеріал ЕФП-63 1,83 10-16 6,1 10-13 березня 10-5 Монолітний пластмасовий корпус
5 Порошковий компаунд ПЕП-17 8,0 10-16 1,14 10-12 липня 10-4 Герметизація вузлів вихровим напиленням
6 Клей ВК-9 3,3 10-16 6,5 10-13 5,63 10-4 Кріплення елементів на плату
7 Лак ФП-525 4,5 10-16 1,18 10-12 3,8 10-4 Безкорпусна герметизація ІС
8 Компаунд ЕК-16Б 2,08 10-16 6,4 10-13 3,25 10-4 Заливка елементів і вузлів РЕЗ
9 Пластмаса
До-124-38 1,66 10-16 8,34 10-14 2,0 10-3 Порожній пластмасовий корпус
10 Компаунд ЕКМ 4,1 10-16 7,1 10-13 5,77 10-4 Герметизація напівпровідникових ІС
11 Кремнійорганічний еластометр СКТН 8,2 10-15 8,2 10-12 1,0 10-3 Заливка феритових елементів
12 Компаунд ВЕК-19 7,8 10-16 2,1 10-12 3,7 10-3 Заливка вузлів РЕЗ
13 Лак УР-231 5,2 10-16 3,5 10-12 1,48 10-4 обволікання друкованих плат
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Волков В.А. Збирання і герметизація мікроелектронних пристроїв. - М.: Радіо і зв'язок, 1992. - 144 с.
2. Ненашев А.П. Конструювання радіоелектронних засобів: Учеб. для радіотехніч. спец. вузів. - М.: Вищ. шк., 1990 - 432 с.
3. Конструювання радіоелектронних засобів: Учеб. для вузів / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтіня-Аболина, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шерстнев; Під ред. В.Б. Пестрякова. - М.: Радіо і зв'язок, 1992. - 432с.
4. СТП ВДТУ 001-98. Курсове проектування. Організація, порядок проведення, оформлення розрахунково-пояснювальної записки та графічної частини. Методичні вказівки № 186-98