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%, р760 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 +55С; -65 +85С; -65 +125С;

-65 +200С; -65 +350С; -65 +500С;

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 , 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

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 =1мкс, а на выходе временная задержка должна составлять _ф0,1 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 =7. Даже незначительное проникновение воды (=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 _ф10,05 мксек. Поскольку

_ф1=3 RкC,

где C=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 при постоянных размерах конструкции. Так как нами было принято трехкратное увеличение , то С_уд=5 пФ/см, С_пар=10пФ, С=15пФ, _ф1=0,09мкс и _ф=2_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 0,52%, 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 1015 мкм с учетом наращивания пленочных проводников электрохимической медью. Если принять, что срок хранения изделия должен составлять не менее 23 лет, то за это время глубина коррозии меди, даже химически чистой, будет равна (23)12=2436мкм, 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:

, (2)

Где Хэ – глубина проникновения тона, мм,

p – удельное сопротивление металла,

f – рабочая частота, МГц.

Для случая золота (р=0,024 ) и =3см, т.е. f=10⁴МГц получим:

Для диапазона волн =20 см Хэ=2мкм<10мкм. Таким образом, золоченые микрополосковые линии (покрытие 2мкм) надежно могут работать в СМ и ДМ диапазонах волн при толщинах порядка 10мкм.

Отметим также возможные изменения других параметров микрополосковых линий в случее изменения диэлектрической проницаемости их подложек на 2030%. Для поликора можно принять =10. Тогда под действием влаги изменение составляет 23. При этом известно, что длинна волны в микрополосковой линии равна

(3)

где - длина волны в свободном пространстве,

к – коэффициент удлиннения волны, определяемый из графика (рис.2),