Book10 (Конструирование РЭС (архив книг))

10. ЗАЩИТА РЭС ОТ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ
ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ

10.1. Общие сведения о внешних воздействующих факторах

Условия эксплуатации изделий. Во время эксплуатации на РЭС вли-
яет значительное количество внешних воздействующих факторов, сре-
ди которых можно выделить [54] следующие основные группы: механи-
ческие, климатические, биологические, термические факторы.

К механическим факторам относятся вибрационные, ударные и ли-
нейные нагрузки.

К климатическим факторам (в соответствии с ГОСТ 15150-69) отно-
сятся температура окружающего воздуха, его влажность, давление воз-
духа или газа, солнечная радиация, дождь, ветер, пыль, тепловой удар,
морской туман, атмосферные осадки, содержание в воздухе (воде) кор-
розионно-активных агентов.

К биологическим факторам относятся бактерии и плесневые гриб-
ки.

К термическим факторам относятся аэродинамический нагрев, ра-
диационное, электрическое и ультразвуковое разогревания.

Кроме перечисленных, на РЭС в процессе эксплуатации могут ока-
зывать влияние и другие факторы, например специальная среда, элект-
ростатические, магнитостатические и электромагнитные поля, лазер-
ное излучение.

Условия эксплуатации РЭС можно разделить на нормальные, на-
земные естественные, наземные транспортные и условия на высотных
самолетах, ракетах, космических объектах. Под нормальными условия-
ми работы РЭС понимают такие, при которых температура воздуха —
15...25°С, относительная влажность — 45...75%, атмосферное давление
— 96...106 кПа, отсутствуют механические воздействия, воздействия
пыли и песка, атмосферных осадков, солнечной и ядерной радиации,
биологических факторов и др.

Воздействия влаги на РЭС. Характер воздействия влаги на РЭС оп-
ределяется свойствами воды в жидком, твердом и газообразном состоя-
ниях.

Возможны два основных вида взаимодействия воды с материалами.
В первом случае вода проникает в трещины, зазоры, капилляры или на-
ходится на поверхности вещества, удерживаясь на его мелкодисперс-
ных частицах. Во втором случае вода оказывается химически связанной
с элементами вещества [55].

Этот вид взаимодействия воды с материалами приводит к ускоре-
нию процессов коррозии металлов, гидролизу и способствует распаду

352

некоторых материалов. Коррозия металлов приводит к снижению меха-
нической прочности конструкций, уменьшению точности и продолжи-
тельности работы механизмов, нарушению контактных соединений, об-
рывам тонких проводов и т.п.

Воздействие пониженного атмосферного давления на РЭС. Сниже-
ние атмосферного давления приводит к изменению напряжения элект-
рического пробоя воздуха. Уменьшение атмосферного давления оказы-
вает влияние на параметры ЭРЭ и РЭС непосредственно и косвенно.
Непосредственное влияние вызывает изменение емкости и допустимо-
го рабочего напряжения конденсаторов с воздушным диэлектриком,
уменьшение величины допустимого рабочего напряжения изоляторов,
волноводов, элементов антенно-фидерных трактов и между проводни-
ками электрического монтажа. Увеличивается вероятность возникно-
вения искровых разрядов в негерметизированных высоковольтных вы-
прямителях и антенно-фидерных трактах. Повышается механическая
нагрузка на кожухи герметизированных элементов РЭС. Косвенное
влияние проявляется в ухудшении условий воздушного охлаждения
РЭС вследствие уменьшения плотности и теплоемкости воздуха.

Влияние пыли и песка на РЭС. Пыль представляет собой мельчай-
шие частицы различного происхождения и разных физико-химических
свойств. Различают пыль неорганического и органического происхож-
дений.

Неорганическая пыль составляет 65...75% всех аэрозолей и пред-
ставляет собой частицы в виде пластинок, иголочек, чешуек с размера-
ми до 0,2 мм. В состав неорганической пыли входят кварц, полевой
шпат, слюда и др.

Органическая пыль представляет собой споры растений, плесневые
грибки, бактерии, частицы волокна из шерсти и хлопка, мельчайшие
остатки насекомых и растений. При повышенной влажности органиче-
ская пыль может служить хорошей питательной средой для плесени
[56].

Пыль, оседая на поверхности различных деталей и ЭРЭ РЭС, созда-
ет хорошие условия для их увлажнения. Содержащиеся в пыли раство-
римые соли также хорошо поглощают влагу. При этом на поверхности
металлов может происходить коррозия. Пыль на поверхности изоляци-
онных материалов способствует адсорбированию влаги этими материа-
лами. Увлажненная пыль на поверхности лакокрасочных покрытий вы-
зывает химические реакции, результатом которых является разрушение
покрытий. Проникая в микротрещины изоляционных материалов, пыль
снижает их изоляционные показатели. В механизмах пыль увеличивает
трение и износ материалов, окисление смазочных материалов. Попадая
в коммутационные элементы, пыль ускоряет износ контактов, может

353

вызывать образование коронного разряда между контактами и, следо-
вательно, их нагрев.

Биоповреждения РЭС. При эксплуатации РЭС в различных клима-
тических районах в условиях повышенной влажности, ограниченного
доступа воздуха и умеренной температуры (0...30°С ) часто наблюдаются повреждения, вызванные микробиологическими организмами.Эти повреждения выражаются в снижении прочностных, электроизоляционных и других свойств конструкционных материалов и покрытий. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов (метаболиты)стимулируют процессы коррозии металлов. К агентам биологического поражения РЭС относятся грызуны, насекомые, плесневые грибки, бактерии. Однако наибольшую опасность для РЭС представляют плесневые грибки,которые поражают самые разнообразные материалы: пластмассы, кра-ски, лаки, резину, дерево и даже металлы. Если грызуны и насекомыенаносят механические разрушения, то грибки вызывают поврежденияпродуктами метаболизма по электрохимическому и химическому меха-низмам. Действие плесени на пластмассы зависит от их состава. Наибо-лее подвержены действию плесени органические наполнители и пла-стификаторы. Слабо противостоят действию плесени феноло-фор-мальдегидные смолы, нитроцеллюлоза, поливинилацетат; очень слабо— древесина и масляные краски. Плесень способна поражать также истекло, если на нем имеется питательная среда. Хорошей питательнойсредой дляплесени является канифоль, которая может оставаться наместах пайки. При появлении плесени снижается сопротивление изоля-ции, ускоряется процесс коррозии металлов, разрушаются защитные покрытия, нарушаются контакты, возможны замыкания, пробои и т.п.

Влияние радиоактивных излучений на РЭС. По происхождению ра-
диоактивные излучения (РИ) могут быть разделены на естественные и
искусственные. К естественным излучениям относятся космическое,
корпускулярное и рентгеновское излучения Солнца и радиационных
поясов Земли. Искусственное РИ возникает в результате ядерных реак-
ций в реакторах или при взрыве.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение не-
устойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого
элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Сущест-
вует пять видов радиоактивности: α-распад, β-распад, спонтанное де-
ление, протонная и двухпротонная радиоактивности. Все они характе-
ризуются достаточно продолжительными превращениями ядер, кото-
рые определяются либо характером взаимодействия (слабые взаимо-
действия при β-распаде), либо задержкой испускания положительно
заряженных частиц кулоновским потенциальным барьером в ядре (α-
распад, спонтанное деление, протонные радиоактивности). Обычно все

354

виды радиоактивности сопровождаются испусканием γ-лучей (потоков жестких фотонов с длиной волны 10^-9 …10^-11 см ).

В свою очередь виды излучений подразделяют на мгновенное (γ-лучи), инициированное (нейтроны и γ-кванты), стационарное (α и β -частицы) и остаточное (продукты вторичного расщепления).

Уровни воздействия радиоактивных (фоновых) излучений определены их дозой поглощения и скоростью потока эквивалентных нейтронов на один квадратный сантиметр. Доза поглощения есть энергия любого вида излучения, поглощаемая единицей массы облучаемого веще-ства и измеряемая в радах (1 рад = 10^-2 Дж/кг = 100 эрг/г). Различаюттакже дозу интегральную (общее количество энергии поглощения всеймассой материала, г рад) и дозу биологическую (количество энергии,поглощенное тканью, биологически эквивалентное одному рентгенурентгеновских или γ-лучей), выражаемую в бэрах. При облучении био-логической ткани дозой у-лучей в 1 рад в 1 г ткани поглощается 93 эрг
энергии излучения. При естественном фоне (космические лучи, радиоак-
тивность окружающей среды и тела человека) мощность излучения не
превышает 0,1 бэр/год. При местном медицинском излучении доза не превышает 10 бэр, а лучевая болезнь наступает при дозе в 400...500 бэр.

Радиационная стойкость материалов и ЭРЭ характеризуется следую-
щими уровнями доз облучения: металлы и сплавы — 10¹⁰ ... 10¹² рад, ке

рамика, кварц, стекло, ситалл —10⁷ ... 10⁸ рад, пластмассы и эластомеры 10⁵ ... 10⁶ рад, полупроводниковые приборы и ИС — 10² рад.

Рассмотрим воздействие излучений на некоторые материалы. Фоно-
вые излучения, воздействующие на металлы и сплавы, увеличивают их
прочность и уменьшают вязкость; электрические же характеристики
при этом практически не меняются.

У керамических материалов и изделий из них увеличивается склон-
ность к пробою, а кварц и стекло начинают тускнеть, терять прозрач-
ность.

Термопластичные материалы становятся хрупкими, темнеют или
обесцвечиваются. Наиболее термостойкий, химически неактивный, вы-
сокочастотный фторопласт-4 уже при дозе 10⁴ рад разлагается на фто-
ристоводородные соединения. Наиболее стойким является полисти-
рол. Эластомеры становятся твердыми, теряют эластичность, а бутило-
вый каучук, наоборот, становится клейким. Пропиточные и заливочные
масла образуют отстой и выделяют газ.

В большинстве случаев нарушения работоспособности РЭС при воз-
действии РИ сказываются в основном в изменении параметров ППП и
ИС. Величину изменения параметров можно оценить на основании

355

справочных данных по стойкости материалов и ЭРЭ. Наряду с инфор-
мацией об изменении параметров ЭРЭ при воздействии соответствую-
щих уровней РИ в справочниках приводят информацию о коэффициен-
тах радиационной чувствительности к воздействию γ-излучения, а так-
же о максимальной мощности дозы γ-излучения, при которой происхо-
дит отказ ЭРЭ в схеме.

Под действием γ-импульса происходит ионизация конструкции при-
бора и окружающей его среды, что вызывает возникновение кратковре-
менных межэлектродных проводимостей и первичных фототоков.

Протекание фототоков в цепях транзистора может привести к неже-
лательным последствиям, таким как изменение состояния ключевых
схем, появление ложных сигналов в аналоговых схемах, а также перего-
рание транзистора из-за вторичного пробоя, если не приняты меры по
его предотвращению последовательным включением индуктивности
или токоограничивающих сопротивлений.

Облучение ППП нейтронами приводит к изменениям основных па-
раметров изделий. Эти изменения обусловлены в основном дефектами
в структуре полупроводникового материала, а также ионизирующей
способностью нейтронов высоких энергий. У маломощных транзисто-
ров наиболее чувствительными к воздействию потока нейтронов явля-
ются коэффициент передачи базового тока и напряжение между эмит-
тером и коллектором в режиме насыщения, уменьшающиеся с ростом
потока нейтронов, а также обратный ток коллекторного перехода.

При воздействии импульсного γ-излучения в ИС все обратносме-
щенные переходы генерируют фототоки, которые могут привести к из-
менению состояния ИС. Характерно то, что в ИС с изоляцией р—п-переходами ионизационные эффекты примерно на порядок выше, чем в схемах на дискретных элементах.

В настоящее время не существует единой точки зрения по вопросу
проектирования радиационно стойких ИС. Считается, что необходимо
соблюдать следующие наиболее общие правила при их разработке [58]:уменьшать отношение числа активных элементов ИС к числу пассив-ных; уменьшать рассеиваемую в ИС мощность, использовать радиационно стойкие проводящие и диэлектрические материалы; повышать универсальность ИС; снижать зависимость выходных параметров ИС от коэффициентов усиления входящих в ее состав транзисторов.

Изменения параметров резисторов при воздействии РИ обусловле-
ны изменением параметров материалов конструктивных элементов ре-
зистора и окружающей резистор среды в результате ионизации, нару-
шения структуры и химических процессов в материалах и радиационно-
го разогрева.

356

В радиационно стойкой РЭС рекомендуется применять по возмож-
ности низкоомные резисторы (менее 10 кОм), а высокоомные — подвергать опрессовке или заливке эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного покрытия в 10 раз позволяет снизить чувствительность резистора к воздействию РИ не менее чем в 5-8 раз. Следует также предусматривать максимальное удаление резисторов друг от друга и защиту их выводов. При уменьшении размеров резистора его устойчивость к РИ повышается.

Радиационная стойкость конденсаторов определяется стойкостью
диэлектрика. Наименьшей радиационной стойкостью обладают кон-
денсаторы с органическим диэлектриком и электролитические. Сте-
пень изменения параметров у этого класса конденсаторов не зависит
от вида РИ при равнозначных коэффициентах передачи энергии, а оп-
ределяется в основном дозой поглощенной энергии, поскольку меха-
низм воздействия любого излучения на изделия с органическим диэ-
лектриком сводится к процессам ионизации и возбуждения атомов мо-
лекул.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком (керамические,
стеклокерамические, стеклянные) обладают высокой радиационной
стойкостью. Для конденсаторов с неорганическим диэлектриком в от-
личие от конденсаторов на основе полимерных материалов важными
являются не только поглощенные дозы, но и интегральный поток быст-
рых нейтронов.

При действии РИ в электролитических конденсаторах наблюдаются
нарушение уплотнений и катастрофическое ухудшение электрических
параметров (в первую очередь, емкости).