 |
Защита конструкций РЭС от воздействия влаги
|
|
|
|
6.4.1. Источники и пути проникновения влаги
Конструкции РЭС подвергаются воздействию влаги в процессе производства, хранения и эксплуатации.
Источники влаги: 1) Окружающая среда; 2) Внутренняя среда гермоблоков; 3) Материалы конструкций; 4)Технологические жидкости (травители, моющие средства и др.).
Окружающая среда. Максимально возможное содержание влаги в воздухе зависит от температуры и давления. При понижении температуры влажного воздуха ниже уровня, соответствующего максимально возможному содержанию влаги (точке росы), избыток влаги выпадает в виде конденсата (росы).
Внутренняя среда гермоблоков. Причины наличия влаги:
– проникновение ее через микропоры из внешней среды;
– невозможность полной осушки (без влагопоглотителя);
– наличие влаги в материалах конструкции.
Материалы конструкции. Особо интенсивные источники влаги – полимерные материалы (стеклотекстолит, гетинакс, клей, покрытия и т.д.). Они в процессе производства и хранения поглощают влагу из воздуха, а при нагреве в процессе эксплуатации выделяют ее.
Технологические жидкости – это источники влаги и загрязнений, усиливающие действие влаги.
6.4.2. Взаимодействие влаги с материалами конструкций
Поглощение влаги обусловлено тем, что некоторые материалы имеют поры, размеры которых значительно превышают размеры молекул влаги воды – 3∙10-10 м: полимеры – 10-9 м; керамика – 10-5 м.
С металлами влага вступает в химическое взаимодействие, вызывающее коррозию. Действие влаги усиливается при контакте с сильно различающимися электрохимическими потенциалами, а также в местах сварных швов. Воздействие влаги на материалы и компоненты может привести к постепенным или внезапным отказам РЭС.
|
|
|
Увлажнение органических материалов приводит к следующим эффектам:
– увеличивается диэлектрическая проницаемость среды и потери (tg 
);
– уменьшаются объемное сопротивление, электрическая и механическая прочность;
– изменяются геометрические размеры и формы;
– изменяются свойства смазок.
Возможные последствия:
– увеличение емкости конденсаторов и уменьшение добротности контуров;
– снижение пробивного напряжения диэлектриков;
– нарушение паяных и сварных швов;
– расслоение диэлектриков;
– разрушение защитных покрытий и т.д.
6.4.3. Способы влагозащиты РЭС
Монолитные оболочки составляют единое целое с защищаемым узлом.
Полые оболочки не имеют контакта с защищаемыми компонентами – исключен тепловой контакт и химическое взаимодействие оболочки и компонентов. Они более надежны, но имеют большие габариты, массу и стоимость.
6.4.4. Покрытия для защиты от коррозии
Для защиты от коррозии несущих корпусных узлов из металлов и сплавов применяют монолитные металлические покрытия. Они наносятся чаще всего гальваническим способом. Толщина покрытий – единицы – десятки микрометров.
В ряде случаев защитное покрытие для стали делают многослойным, например:
– слой меди 6…10 мкм;
– слой никеля 3…6 мкм (высокая твердость);
– слой хрома 0,5 мкм (гидрофобность).
Различают два вида покрытия – катодное и анодное.
Если электродный потенциал металла покрытия более положительный, чем основного металла, то покрытие называют катодным, а если наоборот – анодным. Катодные покрытия защищают основной металл лишь механически, изолируя его от внешней среды, а анодные – и электрохимически. Продукты разрушения заполняют поры, и процесс разрушения замедляется.
Таблица 6.4
Электрохимические потенциалы металлов (для водной среды)
| Металл | Электрохимический потенциал, мВ |
| Серебро | +194 |
| Медь | +140 |
| Никель | +118 |
| Алюминий | -169 |
| Олово | -175 |
| Свинец | -283 |
| Сталь | -350 |
| Кадмий | -574 |
| Цинк | -823 |
В конструкторской документации на изделие указывается материал покрытия, его толщина, последовательность нанесения слоев. Например, медно-никелево-хромовое покрытие, служащее защитой от коррозии и декоративной отделкой, обозначается М24Н12Х (толщина меди 24 мкм, никеля – 12 мкм, хрома – до 1 мкм).
|
|
|
Металлические несущие конструкции защищают от влаги и с помощью лакокрасочных покрытий. Такие покрытия вследствие химической инертности обладают лучшими антикоррозийными свойствами, чем металлические, но механическая прочность и влагостойкость их меньше.
6.4.5. Влагозащитные монолитные оболочки
Пленочные монолитные оболочки имеют толщину 0,2…20 мкм. Требования к материалам защитных пленок:
– хорошие влагозащитные свойства;
– возможность работы в диапазоне температур (близость ТКЛР-пленки и защищаемого элемента, эластичность);
– хорошая адгезия к защищаемому компоненту;
Толстостенные монолитные оболочки могут выполнять и функцию несущей конструкции для внешних выводов (рис. 6.52).
Рис. 6.52. Монолитный полимерный корпус ИС
Технологические процессы получения оболочек – пропитка, заливка, обволакивание и опрессовка. Используемые для этой цели материалы – пропиточные лаки, пенопласт, компаунды, пресс-материалы.
6.4.6. Влагозащитные полые оболочки
Полые влагозащитные оболочки применяют для защиты компонентов и узлов РЭС (ИС, микросборок), в качестве дополнительной защиты от влаги наземных РЭС на корпусированных элементах, для бортовых РЭС на бескорпусных элементах, для аппаратуры диапазона СВЧ.
Применение полых оболочек позволяет:
– исключить механический контакт оболочек с защищаемым изделием;
– устранить химическое взаимодействие оболочки с защищаемым изделием;
– улучшить теплоотвод (при использовании оболочек, теплопроводность которых выше теплопроводности полимеров);
– повысить надежность влагозащиты;
– обеспечить электромагнитное экранирование (при использовании металлической оболочки или из металлизированной керамики);
– ослабить паразитные связи при замене полимера воздухом.
|
|
|
Разновидности полых влагозащитных оболочек:
1. Полимерные полые оболочки. Состоят из пластмассового основания и приклеиваемой пластмассовой крышки. Их достоинство – дешевизна, а недостаток – слабая степень защиты. Применяются для наземных РЭС, работающих в отапливаемых помещениях.
2. Полые неразъемные металлополимерные оболочки. Они характеризуются высокой эксплутационной надежностью и используются в качестве корпусов некоторых разновидностей интегральных схем (рис. 6.53).
Рис. 6.53. Корпус ИС на основе металлополимерной оболочки
Из-за низкой теплопроводности полимерных материалов для улучшения отвода тепла в подобных конструкциях корпусов ИС используют теплопроводящие шины.
3. Полые неразъемные металлокерамические и металлостеклянные оболочки (рис. 6.54). Они также характеризуются высокой надежностью, но и высокой стоимостью из-за использования дорогих и дефицитных материалов (молибден, палладий, золото, ковар).
Рис. 6.54. Конструкция металлостеклянного корпуса
Для обеспечения нормального функционирования подобных корпусов в широком диапазоне температур необходимо обеспечивать согласованные герметичные металлостеклянные спаи. Для стекла таким материалом для образования согласованного спая является, например, ковар.
4. Ограниченно-разъемные полые оболочки. Они представляют собой составной металлический корпус с паяным или сварным швом (рис. 6.55).
Рис.6.55. Сварной шов: 1 – корпус; 2 – крышка.
Сварка осуществляется по вершине кромок. При необходимости сварной шов можно удалить точением или фрезерованием с последующей повторной сваркой.
6.4.7. Влагозащита с использованием герметизирующих прокладок
Использование прокладок упрощает герметизацию и разгерметизацию блока, что удобно как на этапе производства (при регулировке и настройке), так и на этапе эксплуатации (при ремонте). В качестве материала уплотняющих прокладок можно использовать полимеры (резина, пластмасса) и металлы (медь, алюминий, свинец). Достоинствами уплотняющих прокладок из пластмассы являются их низкая стоимость и стойкость в агрессивных средах, а недостатком – относительно низкая температурная стойкость. Металлические прокладки работоспособны в более широком диапазоне температур (-250…+150 0С). Пример конструктивного исполнения уплотняющей прокладки для корпуса РЭС показан на рис. 6.56.
|
|
|
Рис. 6.56. Конструктивное исполнение уплотнения с помощью прокладки:
1 – корпус блока; 2 – крышка; 3 – прокладка.
С течением времени влага может проникать во внутреннюю среду гермоблока, а при понижении температуры – конденсироваться на компонентах РЭС и стенках гермоблока. Существует несколько способов, позволяющих снизить количество влаги в гермокорпусе или предотвратить ее конденсацию:
– использование материалов с малым влагопоглощением;
– предварительная осушка внутренней среды гермоблока в процессе производства;
– осушка при эксплуатации с помощью специальных влагопоглотителей и др.
Наиболее эффективным способом осушки в период эксплуатации является использование влагопоглотителей, а наиболее перспективные вещества для этой цели – цеолиты, обладающие высокой скоростью поглощения влаги.
6.4.8. Герметизация соединителей
Внешние электрические связи герметичного блока обеспечиваются с помощью металлостеклянных гермовводов (рис. 6.57).
Рис. 6.57. Гермоввод:
1 – оболочка из ковара; 2 – проводник из ковара; 3 – стеклянный изолятор
Они впаиваются в посадочные места корпуса по оболочке 1. Высокочастотные соединители опаиваются по периметру, а низкочастотные – вводятся с помощью полимерной герметизации (рис. 6.58).
Рис.6.58. Вариант герметизации вилки соединителя с помощью
уплотнительной прокладки и компаунда:
1 – вилка соединителя; 2 – корпус блока; 3 – уплотнительной прокладки;
4 – компаунда
6.4.9. Технологичность конструкции влагозащиты
Трудоемкость обеспечения влагозащиты составляет 20…40 % общей трудоемкости изготовления РЭС. Технологичность влагозащитной конструкции определяется:
– выбором наиболее экономичного метода защиты для данных условий эксплуатации и производства;
– уровнем типизации и унификации выбранного конструкторского решения;
– выбором материалов и способов их обработки.
Если РЭС эксплуатируется в отапливаемых помещениях (бытовая аппаратура, ЭВМ широкого применения), то наиболее экономичной является влагозащита компонентов и узлов с помощью полимерных монолитных оболочек при отсутствии общей герметизации устройства.
В случае повышенных требований к герметичности компонентов, интенсификации теплоотвода, обеспечения электромагнитного экранирования целесообразно использовать более дорогие металлокерамические или металлостеклянные оболочки. Корпус РЭС в этом случае может быть негерметичным. Если в составе РЭС имеются бескорпусные компоненты (обычно это бортовые РЭС), то изделие выполняется в виде гермоблока.
|
|
|
На выбор влагозащитной конструкции влияние оказывает и объем производства. Для единичного или мелкосерийного производства могут быть выбраны методы, не требующие дорогого оборудования и специального оснащения: обволакивание окунанием или пульверизацией, заливка, пропитка. При массовом производстве необходимо использовать высокопроизводительные методы: опрессовку полимерами, обработку деталей штамповкой, прессованием, литьем под давлением.
Технологичность влагозащитной конструкции повышается при использовании типовых конструкций, технологические процессы изготовления которых хорошо оснащены и отработаны [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методология конструирования РЭС продолжает совершенствоваться в связи с ростом степени интеграции элементной базы и из-за стирания четких границ между системотехническим, схемотехническим, конструкторским и технологическим проектированием. Внедрение РЭС во все сферы человеческой деятельности, встраивание в различные конструкции машин, приборов и оборудования порождает огромное количество конструкторско-технологических решений, что снижает эффективность их использования: замедляет темпы разработки, производства и внедрения, снижает серийноспособность, повышает стоимость и т.д.
Решением этой проблемы может быть межвидовая унификация машин, приборов и оборудования, обеспечивающая вариантность по физическим и электрическим параметрам, гармоничное сочетание различных конструктивных единиц без дополнительных расходов на стыковку, соответствие международным стандартам и т.д.
Перечень проблем можно было бы и продолжить, решение которых потребует в ближайшие годы усилий конструкторов, технологов и экономистов.
Литература
1. Автоматизированное проектирование узлов и блоков РЭС средствами современных САПР: Учеб. пособие для вузов / И.Г. Мироненко и др.; Под ред. И.Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002.
2. Каленкович Н.И. Проектирование РЭС с учетом механических воздействий. Учеб. пособие по курсу «Конструирование радиоэлектронных средств» для студ. спец. «Проектирование и производство радиоэлектронных средств». – Мн.: БГУИР, 1999.
3. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева и др.; Под ред. В.А. Шахнова. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
4. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для радиотехн. спец. вузов.– М.: Высш. шк., 1990.
5. Основы конструирования изделий радиоэлектроники: Учеб. пособие по курсу «Основы конструирования изделий радиоэлектроники» для студ. спец. Э.03.01.00 «Экономика и управление предприятием» дневной и заочной форм обучения / Ж.С. Воробьева, Н.С. Образцов, И.Н. Цырельчук и др. – Мн.: БГУИР, 2001.
6. Пикуль М.И. и др. Конструирование и технология производства ЭМВ: Учебник / М.И. Пикуль, И.М. Русак, Н.А. Цырельчук. – Мн.: Выш. шк., 1996.
7. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справ. пособие /Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Кумеков.– М.: Радио и связь, 1984.
8. Стандарт ФРГ – VDI/VDE 2256, Blatt2, Feinwerkelemente, Dämpfunger, Stoßdämpfungen, Januar 1988.
9. Шимкович А.А. Конструирование несущих конструкций РЭС и защита их от дестабилизирующих факторов. Ч.1.: Учеб. пособие по курсу «Конструирование радиоэлектронных устройств» для студентов специальности «Проектирование и производство радиоэлектронных средств». В 2 ч. Ч. 1. – Мн.: БГУИР, 1999.
|
|
|
