Файл: Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики.pdf

Г л а в а III

МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ

ИКЛИМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

1.Основные требования к проведению

испытаний на воздействие внешних факторов

Возможность эксплуатации аппаратуры в реальных условиях устанавливается путем проведения соответствующих испытаний как в процессе разработки, так и при изготовлении изделий. При этом оценивается не только соответствие аппаратуры заданным условиям эксплуатации, но определяются и некоторые запасы прочности к воздействующим факторам. Испытание аппаратуры на устойчивость к воздействиям внешних факторов является необходимым условием выполнения аппаратурой заданных функ­ ций. Только тщательное проведение предварительных испытаний устойчивости аппаратуры может обеспечить достаточно достовер­ ные сведения о надежности аппаратуры в конкретных условиях эксплуатации.

Климатические условия на земном шаре можно условно раз­ бить на несколько типов:

умеренный климат относительно умеренными значениями основ­ ных климатических факторов;

сухой тропический (пустынный) климат, сухая жара, интен­ сивная солнечная радиация, песчаная пыль, разрушающее воз­ действие насекомых;

влажный тропический климат — влажная жара, высокая отно­ сительная влажность, сильные ливни при смене времен года, наличие плесени и насекомых;

холодный климат — низкая температура, снегопады, ледяная пыль;

морской климат — соленые брызги, воздействие морского ту­ мана;

климат больших высот (горный климат) — низкая темпера­ тура, низкое давление, конденсация, обусловленная быстрыми изменениями температуры.

Отказы аппаратуры и различные виды повреждения в значи­ тельной мере зависят от степени воздействия климатических факторов на отдельные элементы и аппаратуру в целом.

Кратко рассмотрим характер воздействия отдельных клима­ тических факторов на элементы радиоэлектронной аппаратуры и на аппаратуру в целом.

Так, высокая температура приводит к изменению параметров полупроводниковых элементов аппаратуры, таких как транзи­

55

сторы, диоды, изменяются номиналы радиоэлементов (резисторов, конденсаторов); происходит размягчение материалов, их хими­ ческое разложение и старение, уменьшается вязкость масел. При повышении температуры увеличивается электрическое сопро­ тивление металлов, ухудшается сопротивление изоляции диэлек­ триков, изменяется их электрическая проницаемость.

При низкой температуре у всех материалов снижается пластич­ ность, что приводит к ухудшению механических свойств (хруп­ кости, растрескиванию резины и т. д.). Резко изменяются электри­ ческие параметры полупроводниковых приборов, номиналы эле­ ментов схемы. Электролитические конденсаторы особенно чув­ ствительны к пониженной температуре. При низких температурах уменьшается емкость аккумуляторных батарей.

Различие в коэффициентах линейного расширения материалов приводит при температурных колебаниях к разгерметизации аппаратуры и растрескиванию защитных покрытий. Это вызывает проникновение влаги внутрь аппаратуры и увеличивает вероят­ ность отказа в работе последней.

Высокая влажность способствует коррозии металлических частей аппаратуры, что, помимо ухудшения механических свойств, приводит еще к загрязнению других материалов продуктами коррозии. При этом резко уменьшается (на несколько порядков) поверхностное сопротивление диэлектриков и их электрическая прочность. Влага вызывает окисление контактов различных ре­

лейных систем, разбухание и деформацию некоторых пластмас­ совых деталей и т. д.

Низкое давление приводит к понижению диэлектрической прочности воздуха и возможности дугового разряда.

Солнечная радиация способствует повреждению поверхности и ускорению химических изменений в материалах.

Особенно тяжелые условия для радиоэлектронной аппаратуры создаются при ее работе в тропических и арктических климатиче­ ских зонах и в пустынях. При работе в тропиках, помимо высокой температуры и влажности, на работоспособность аппаратуры оказывает значительное влияние развитие на ней плесени и-на- личие насекомых и грызунов. Способность плесени к развитию на органических деталях аппаратуры вынуждает разработчиков аппаратуры, по мере возможности, к отказу от применения орга­ нических материалов, или, в случае необходимости, к пропитке их неорганическими соединениями, или к полной герметизации аппаратуры. При работе радиоэлектронной аппаратуры в усло­ виях пустынь особое значение приобретает борьба с пылью и песком, проникающими внутрь аппаратуры и приводящими

кснижению изоляции, повреждению механических соединений.

Стандартизация требований и методов испытаний. Надежность

радиоэлектронных устройств в значительной мере определяется режимами работы и условиями эксплуатации изделий. Для определения условий эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры

56

в зависимости от ее назначения в ряде стран разработаны спе­ циальные стандарты. Такие стандарты являются, как правило, основными документами, по которым устанавливаются и записы­ ваются в техническую документацию на аппаратуру допустимые эксплуатационные условия ее работы.

От принадлежности радиоэлектронной аппаратуры к тому или иному классу зависит ее стоимость, вес, габаритные размеры и электрические параметры. Это и понятно, так как совершенно отличные требования предъявляются, например, к аппаратуре, работающей в стационарных отапливаемых помещениях при температуре +20° С при отсутствии воздействия внешних меха­ нических и климатических факторов, и к аппаратуре, предназна­ ченной для работы в условиях тропического или арктического климата.

Требования к изделиям электронной техники и электротех­ ники в части воздействия механических и климатических факто­ ров и методы их испытаний определяются ГОСТ 16962— 71. Ука­ занным стандартом устанавливаются степени жесткости по каж­ дому воздействующему фактору в зависимости от характеристик (числовых значений) соответствующего фактора. Вибрационные нагрузки делятся на XX степеней жесткости. Первая степень жесткости соответствует механическим воздействиям с диапа­

(392,4 м/с2). При I степени жесткости по многократным ударным нагрузкам максимальное ускорение определяется величиной 15g

жесткости. Значения характеристик механических нагрузок равны:

разделяются на семь степеней жесткости с ускорениями от lOg (98,1 м/с) до 500g (4905 м/с).

Климатические воздействия по повышенной температуре окру­ жающей среды определяются пятнадцатью степенями жесткости—

факторы в части пониженного и повышенного давлений, влаж­ ности и т. д.

При установлении требований по внешним воздействиям необходимо четко различать понятия прочности и устойчивости к воздействию соответствующего фактора.

67

Прочность к воздействию какого-либо фактора — это способ­ ность изделия выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах заданных норм после воздействия этих факторов. Устойчивость к воздействию определенного фактора — это спо­ собность изделия выполнять свои функции и сохранять заданные параметры во время воздействия этих факторов.

Большое внимание вопросам стандартизации требований и методов испытаний радиоэлектронной аппаратуры уделяет Между­ народная электротехническая комиссия (МЭК) [37]. В подготов­ ленных и изданных МЭК публикациях «Основные методы испыта­ ний электронной аппаратуры и ее элементов на воздействие внеш­ них факторов» изложены рекомендации к методам испытаний радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов на воздействие ряда климатических факторов: холод, сухое тепло, продолжительное влажное тепло, циклически изменяющееся влажное тепло, соля­ ной (морской) туман, изменения температуры, низкое атмосфер­ ное давление, грибковые образования.

Помимо методов испытаний на воздействие климатических факторов, в рекомендациях МЭК изложены требования к прове­ дению испытаний радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов на устойчивость к механическим воздействиям: ударам, вибрации,, сотрясению, центробежному ускорению, а также к проведению испытаний на герметичность, прочность выводов и др.

В этих же публикациях изложены основные требования к ис­ пытательному оборудованию и дано деление элементов радио­ электронной аппаратуры на группы жесткости по отдельным видам внешних влияющих факторов.

Разработка программы испытаний. Теоретический учет всех действующих факторов в процессе проектирования и разработки изделий достаточно труден, поэтому испытания на воздействие окружающей среды имеет большое значение.

Проведение таких испытаний дает возможность объективной оценки качества изделий и предупреждает значительные затраты на переделку и текущий ремонт аппаратуры.

При разработке программы испытаний устанавливают порядок проведения испытаний. При этом различные виды испытаний могут проводиться последовательно или комбинированно. При последовательных испытаниях каждое внешнее воздействующее условие прикладывается к испытуемому изделию раздельно, а при комбинированном — одновременно. При проведении последова­ тельных испытаний определяют условия, к которым изделие наиболее критично, и намечают мероприятия по улучшению тех­ нических параметров испытуемого изделия. При проведении последовательных испытаний необходимо учитывать влияние предыдущего испытания на результаты последующего. Продол­ жительность последовательных испытаний, а значит, и стоимость' их значительно выше, чем при проведении комбинированных испытаний.

58

При проведении комбинированных испытаний уменьшается цикл и стоимость проведения испытаний. Однако в случае отказа элемента трудно определить причину выхода его из строя и наиболее опасный воздействующий фактор. В то же время с целью более полного определения устойчивости изделия по отношению к внешним влияющим факторам проведение комбинированных испытаний является наиболее целесообразным. Так, например, возможны случаи, когда отдельные вибрации, высокая темпе­ ратура и высокая влажность не могут вызвать отказа изделия. В'то же время при совместном воздействии всех или некоторых из указанных факторов, например, вибрации и высокой темпе­ ратуры, может произойти разрушение отдельных частей изделий вследствие ослабления соединений при высокой температуре и одновременном воздействии вибрации.

В работе [12] приведен перечень ряда факторов, испытания на воздействия которых целесообразно объединять. Если выбрать в качестве основного воздействующего фактора высокую или низкую температуру, то комбинированные условия могут быть выбраны в виде одновременного воздействия температуры и влаж­ ности, температуры и пониженного атмосферного давления; тем­ пературы, пониженного атмосферного давления и влажности. При выборе в качестве воздействующего фактора вибрации ком­ бинированные условия испытаний могут быть установлены как

атмосферного давления и температуры.

Аналогично могут быть выбраны и другие комбинированные условия испытаний. Весьма важным фактором при подготовке к проведению испытаний является вопрос об установлении необ­ ходимых коэффициентов запаса по каждому из влияющих факто­ ров. Обычно в технических условях на изделие указывается пре­ дельное значение внешнего фактора и приводится методика испы­ тания на это воздействие. Однако, если оговорено, что изделие работоспособно в каких-либо условиях воздействия, то всегда целесообразно испытания изделия проводить при значениях воз­ действующих факторов, больших, чем это указано в технической документации, с тем чтобы получить некоторый запас проч­ ности.

Практически коэффициент запаса выбирают равным 1,5. Однако для случая работы германиевых полупроводниковых приборов в условиях воздействия повышенной температуры около 70° С коэффициент запаса, равный 1.,5, выбирать нельзя, так как при этом испытания должны проверяться при температуре более чем 100° С, при которой приборы полностью выходят из строя. Если коэффициент запаса выбрать равным единице, то возникает неопределенность в том, что изделие будет нормально работать в условиях внешних воздействий, оговоренных в технических условиях. Один из методов расчета коэффициента запаса, разра­

59