Файл: Доценко Н.С. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги).pdf

Очевидно, для обеспечения работы элемента и его хранения может быть использована лишь часть суммарного установленного ресурса

При исследовании долговечности элементов РЭА необхо­ димо особое внимание уделить изучению влияния различных факторов на показатели долговечности, чтобы использовать те из них, которые в значительной степени увеличивают срок службы элемента.

Обычно долговечность элементов зависит от большого числа разнообразных факторов. Выделить наиболее существенные связи и свойства для работоспособности элементов во многих случаях весьма сложно. Особенно, если учесть, что неисправно­ сти н отказы элементов — результат изменения состояний как отдельных функциональных узлов, так и элемента в целом под воздействием внешних и внутренних возмущающих дестабили­ зирующих факторов, так как возникновению всякого отказа предшествуют те или иные изменения внутри элемента. В ка­ честве распространенных внешних воздействующих факторов можно перечислить следующие: температура окружающей среды, давление среды, механические воздействия (вибрационные, удар­ ные, линейные перегрузки), высокая относительная влажность и химическая агрессивность окружающей среды.

Внешние воздействия оказывают различное влияние иа дол­ говечность элементов. Удобно рассматривать четыре разновид­ ности этого влияния, которые являются наиболее типичными. Внешние воздействия могут вызывать обратимые (ненакаплнвающиеся) изменения параметров узлов, блоков и радиоэлемен­ тов. Например, увеличение влажности и температуры приводит к изменению удельного сопротивления конденсаторов, резисто­ ров и других элементов. Такой характер влияния внешних фак­ торов имеет значение для конструкций тех узлов элементов, к которым предъявляются требования стабильности параметров. Обратимые изменения параметров могут, в свою очередь, вызы­ вать обратимые отказы. При этом если их значение превышает некоторое критическое значение, то нормальное функциониро­ вание элементов прекращается. Например, при повышении

43

о. в. до критической величины наступает электрический пробой. При понижении температуры наблюдается растрескивание об­ волакивающего компаунда, что приводит к проникновению влаги внутрь загерметизированного элемента. Эти явления имеют место с вероятностью, значительно меньшей единицы, т. е. опас­ ные ненакаплпвающнеся изменения, наступающие при непо­ средственном влиянии внешних воздействий, наблюдаются только у некоторых элементов из-за отклонений в свойствах материалов п из-за скрытых дефектов.

Внешние воздействия вызывают также случайные необра­ тимые (накапливающиеся) изменения параметров, а также слу­ чайные необратимые отказы. Например, под действием повышен­ ной о. в. происходит изменение параметров вследствие посте­ пенного и случайно протекающего проникновения влаги в изо­ ляционные материалы; при длительном действии влажности наблюдается случайно протекающее разрушение токопроводя­ щего слоя в контактах и постепенное увеличение переходного сопротивления.

Это влияние внешних воздействий имеет значение в узлах, в которых важно обеспечить стабильность параметров. Внешние воздействия оказывают такое влияние, при котором накапли­ ваются внутренние напряжения, приводящие к ускорению вы­ хода нз строя или разрушению, т. е. к уменьшению срока службы узла, детали, радиоэлемента. Так, длительное действие темпера­ турных циклов и влажности приводит к нарушению контакта, к процессу разрушения изоляции и пробою конденсатора. Та­ ким образом, внешние воздействия в зависимости от физической природы их влияния на элемент могут вызывать или изменения параметров, или отказы элементов. Эти изменения бывают двух видов:

1)обратимые изменения параметров из-за колебаний тем­ пературы, влажности, гидростатического давления и других внешних условий;

2)необратимые изменения параметров из-за старения, из­ носа и отклонения параметров за допустимые пределы.

Всвязи с указанными обстоятельствами, рассмотрение про­

цесса возникновения любых отказов элементов можно свести к рассмотрению динамической системы, описываемой опреде­ ленным числом выходных параметров.

Согласно теории параметрической чувствительности при определении влияния внутренних и внешних дестабилизирую­ щих факторов на качество функционирования элементов необ­ ходимо рассматривать флуктуации как выходного параметра активного элемента, так и некоторой совокупности выходных параметров функциональных узлов, обусловленных изменениями под воздействием температуры, электрических и механических нагрузок, старения.

При этом одинаковое отклонение значений одного и того же параметра может вызываться различными причинами, которые могут быть разделены на три основных вида: конструктивные; производственные; эксплуатационные.

Основные конструктивные факторы, накладывающие огра­ ничения на долговечность влагозащиты электроэлементов, свя­ заны с недостатками схемного и конструктивного решений, при-

44

пятых в процессе проектирования; неправильным применением герметизирующих материалов; установкой в элемент малона­ дежных функциональных узлов, и, прежде всего, неправильное применение их в условиях повышенной о. в.

Снижение влияния этого фактора целесообразно проводить па основании информации об изменении выходных параметров элементов. Очевидно, долговечность комплектующих типовых элементов, используемых в конкретном изделии, определяется не столько их паспортными данными, сколько правильностью нх использования. В ряде практически важных случаев выход­ ные параметры комплектующих типовых элементов задаются в виде вектора y-t (і = 1, /г), определение которого сводится к ре­ шению системы алгебраических и дифференциальных уравнений.

Для выявления нарушения режима работы элемента необ­

нижнее и верхнее предельные значения ф (//,■ ).

Мгновенное значение параметров yl (і) связано с т-мерным вектором состояния отдельных элементов Xk функциональной зависимостью

Уі (0 — [і (х) — f (хі> х2> •••> xk ’ • ••> хт-)

Таким образом, можно выразить условия нормального функ­ ционирования элемента в виде ограничений (35) на характери­ стики элемента, зависящие от выходных параметров функцио­ нальных узлов элемента. Иными словами, f,- (х) является слу­ чайной составляющей выходного параметра (/,. Функция (х) меняется от одной реализации к другой, статистические харак­ теристики которой устанавливаются практикой. Подобная за­ дача решается в каждом конкретном случае для одного парамет­ рического ряда. При этом в основу постановки задачи нахожде­ ния оптимальных параметров для ряда аналогичных элементов принимается положение о влиянии на долговечность эксплуата­ ционных и производственных факторов, которыми необходимо оперировать при выборе оптимального набора значений пара­ метров для конкретного параметрического ряда.

Действие дестабилизирующих факторов определяется век­ тором — набором случайных величин, характеризующих ком­ плекс внешних воздействий (температура среды, давление, влажность, механические п электрические нагрузки и т. д.). Для этих воздействий должны быть известны характеристики, эле­ ментов: частота отказов а (t) — плотность вероятности времени работы аппаратуры с момента включения до ее отказа, и интен­ сивность отказов % (t) — условная плотность вероятности вре­ мени до отказа, если устройство не отказало до момента t.

В большинстве случаев условия эксплуатации не могут быть заданы абсолютно точно, так как они изменяются случайно в не­ которых пределах. Поэтому интенсивности внешних воздействий, в предполагаемых условиях эксплуатации в течение времени t, необходимо рассматривать как случайные величины, характе­ ризуемые законами распределения.

45

По литературным [2, 7, 10] и статистическим данным об отказах типовых элементов приемно-передающей РЭА (табл. 1) можно составить общую классификацию повреждений (табл. 3).

Приведенные данные, разумеется, ориентировочны и не могут отображать статистические связи в любых конкретных объектах.

Конструктивные факторы

Рассматривая вопросы воздействия дестабилизирующих факторов на элементы аппаратуры, необходимо подчеркнуть, что основная часть элементов обычно бывает защищена от пря­ мого попадания воды, так как элементы находятся в герметич­ ном кожухе, герметизируются специальными защитными покры­ тиями и т. д. Поэтому на элементы в основном оказывает воз­ действие влажность, т. е. наличие паров воды в атмосфере. Под действием влаги могут происходить обратимые изменения па­ раметров элементов. Однако это явление имеет значение только в тех случаях, когда от элемента требуется очень высокая ста­

46

бильность. На обратимом изменении параметров элементов и их узлов существенно сказывается конденсация влаги на поверх­ ности элементов конструкции, которая приводит к ухудшению изоляции, увеличению токов утечки и т. п. (см. гл. 2). Следует отметить, что в основном влажность вызывает накапливающиеся изменения параметров элементов н сокращает срок службы мно­ гих радиоэлементов и узлов. Воздействие повышенной влажно­ сти существенно изменяется при повышении и понижении тем­ пературы. Особое влияние оказывает повышенная температура на долговечность элементов, выполняющих электрические и электромеханические функции. Например, при монтаже рези­ сторов близко друг к другу, а также при монтаже резисторов малой мощности рядом с резисторами большой мощности проис­ ходит их перегорание из-за ухудшения условия охлаждения. При работе пленочного резистора под электрической нагрузкой вся затрачиваемая мощность преобразуется в тепло. С умень­ шением времени воздействия и увеличением мощности электри­ ческого сигнала, что имеет место в импульсном режиме, все боль­ шая доля мощности расходуется непосредственно на нагрев тонкого резистивного слоя и все меньшая доля рассеивается в подложке и окружающей среде. В связи с этим в момент дей­ ствия импульса температура резистивной пленки намного пре­ вышает температуру подложки резистора. Поэтому при опреде­ лении рабочего напряжения низкоомных резисторов должна быть учтена недопустимость нагрева их поверхности выше кри­ тической температуры в условиях повышенной о. в. (около 98%). Допустимой температурой поверхности резисторов МЛТ счи­ тается 200° С, а резисторов ВС — 150° С. Однако необходимо учитывать то обстоятельство, что температура окружающей среды может составлять 70° С, а это значит, что допустимый нагрев резисторов МЛТ не должен превышать 130° С, а с учетом нагрева тела резистора при рассеивании Р ср = Р яом допусти­ мый его перегрев при действии одного импульса должен состав­ лять не более 114° С при условии постоянства влажности. При температуре окружающего воздуха 130° С, которая может быть достигнута под действием тепловыделения мощного резистора, фактическая номинальная мощность резистора должна быть снижена до 0,1РІ!ОМ а допустимый перегрев составит 70° С. Таким образом, под влиянием повышенной температуры как в поверхностных, так и объемных резисторах при любой длитель­ ности импульса имеют место локальные перегревы, при накоп­ лении которых может произойти отказ резистора, т. е. проис­ ходит старение резисторов. Старение резисторов проявляется в изменении величины сопротивления и ухудшении влагостой­ кости. Ухудшение влагостойкости определяется старением по­ крытий и конструкцией резистора. Обычно наиболее интенсивно стареют в условиях высокой влажности из-за возникновения электролитических процессов слабонагруженные резисторы, резисторы со спиральной нарезкой и высокоомные.

Врезультате старения резисторов при действии повышенной

о.в., т. е. в результате механического и электрического разру­

шения проводящего слоя могут наблюдаться следующие меха­ низмы этого процесса [2, 10, 15]: а) нарушение герметичности и разбухание защитной лаковой пленки; б) электрохимическое

47