Учебное пособие 800528

-значение параметра (мощность излучения, мощность потребления, частота, чувствительность и др.);

-класс, к которому относится объект установки (бортовой, наземный для подвижных объектов, наземный стационарный и др.);

-климатическое исполнение (по ГОСТ 6019-78);

-категория размещения на объекте (пять укрупненных

ишесть дополнительных категорий);

-массогабаритные характеристики (масса, габаритные и присоединительные размеры);

-закрепление на объекте (жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др.);

-коммуникационные сети на объекте (сети питания, сети антенных кабелей, вентиляционные сети и др.);

-электромагнитная защита на объекте (экранирование, устранение наводок, в том числе по цепям питания и др.).

11

2. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ 2.1. Условия эксплуатации РЭС

Наиболее общей причиной нарушения надежности РЭС является изменение параметров измерения под действием физико-химических процессов, скорость протекания которых связана с климатическими факторами, с механическими воздействиями, с перегревом внутри изделия, а также с выбранными материалами, покрытиями и принятыми конструктивными решениями. Интенсивность дестабилизирующих воздействий определяется, прежде всего, условиями эксплуатации РЭС, которые нужно учитывать при проектировании. Климатические воздействия определяются, прежде всего, давлением, температурой и влажностью воздуха. Их принято считать нормальными, если температура воздуха находится в пределах 15–25 °С, относительная влажность – 4–75% и давление воздуха – 650–800 мм. рт. ст.

При оценке влияния климатических условий на работу радиоаппаратуры принято различать следующие типы климатов: умеренный, холодный, жаркий сухой и жаркий влажный.

В соответствии с типом климата нормальны следующие основные виды климатических воздействий: воздействие температуры, тепловые удары, влажность, давление, пыль, солнечная радиация.

На примере эксплуатации РЭС, устанавливаемых на самолетах можно сказать, что в основном они работают при температуре от минус 60 до 60 °С. Однако прямое воздействие солнечных лучей на блоки аппаратуры может существенно изменить температуру внутри них по сравнению с температурой окружающего воздуха, которая может отличаться на 12–35 °С в зависимости от окраски блоков.

При повышенной температуре протекают следующие деградационные процессы:

12

-высыхание и пересыхание защищенных покрытий с деформацией или растрескиванием;

-миграция примесей в полупроводниках;

-изменение электрических характеристик элементов;

-деформация сопряженных деталей с различным температурным коэффициентом расширения.

При конструировании РЭС следует учитывать, что температурный режим работы радиоаппаратуры обуславливается как поступлением тепла извне, так и выделением его термоактивными элементами внутри блока.

Низкая температура внутри блока определяется только температурой атмосферы. Деградационные процессы в конструкции РЭС при пониженной температуре связаны с конденсацией влаги, изменениями электрических характеристик, деформацией сопряженных деталей.

Работоспособность аппаратуры определяется допустимым температурным диапазоном работы ее элементов. Внутри этого диапазона аппаратура должна сохранять работоспособность во включенном, т. е. в рабочем состоянии. Этот диапазон определяется интервалом рабочих температур, характеризующих требования к конструкции по термоустойчивости. Требования по термостойкости определяются предельными температурами. Они отражают способность аппаратуры, находящейся в неработоспособном состоянии, переносить температурные воздействия (тепло- и холодопрочность).

Верхние и нижние значения температуры атмосферы при эксплуатации, а также температуры воздуха при хранении

итранспортировании аппаратуры разделяют по степеням жесткости.

Тяжелые температурные условия работы осложняются трудностями охлаждения с учетом малой массы и габаритных размеров.

Условия охлаждения аппаратуры на больших высотах ухудшаются из-за уменьшения теплоемкости воздуха. Для

13

облегчения теплового режима применяют различные системы охлаждения, усложняющие техническую эксплуатацию радиооборудования, а также термостатирование, термокомпенсацию и термоизоляцию.

Другими факторами, определяющими климатические условия, являются давление и влажность воздуха. В условиях пониженного атмосферного давления работает РЭС, эксплуатируемая в горной местности.

Пониженное атмосферное давление не только ухудшает условия охлаждения, но и приводит к увеличению проводимости воздуха, что в определенных условиях может вызвать электрические пробои. Перемена давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости воздуха и, как следствие, изменение настройки резонансных контуров, что приводит к уходу резонансных частот генераторов, изменению полос пропускания приемных устройств и другим вредным последствиям.

Влага, проникающая в радиоаппаратуру, вызывает коррозию металлических деталей, понижает сопротивление изоляции диэлектриков, способствует образованию грибковых образований. В этом состоит основная причина отказов трансформаторов и деталей. В конденсаторах наблюдается увеличение емкости и уменьшение сопротивления потерь; в резисторах – уменьшается сопротивление изоляции и разрушается токопроводящий слой.

Под действием влаги ускоряются процессы старения в конструкционных материалах. Главной мерой предохранения РЭС от воздействия давления и влаги является герметизация блоков и узлов, применение специальных влагозащитных покрытий, специальных влагопоглотителей.

Одно из опасных воздействий на РЭС – механические нагрузки, возникающие при транспортировке и работе. Удары и вибрации приводят к повреждениям аппаратуры, обрывам проводов, разрушению крепежных соединений, нарушению регулировок. Для работы бортовых РЭС (самолетных)

14

особенно опасны вибрации в диапазоне частот 15–150 и 175– 500 Гц. В первом случае возможны резонансные явления в элементах конструкции, а во втором – резонансные колебания электрических элементов.

Мерами борьбы с механическими перегрузками являются применение различного рода амортизирующих устройств и рациональное размещение блоков в местах с наименьшими перегрузками.

На работу РЭС существенное влияние могут оказывать солнечная радиация, электромагнитные и радиационные излучения. Длинноволновая часть спектра солнечного излучения приводит, в основном, к нагреванию блоков, а коротковолновая оказывает фотохимическое воздействие, что способствует старению материалов, потере упругости, прозрачности и цвета. Мощное электромагнитное излучение может привести к нарушению электромагнитной совместимости РЭС, к перегрузкам входных каскадов приемных устройств, к пробою и выгоранию кристаллических смесителей. Радиационное излучение особенно опасно для аппаратуры, выполненной на полупроводниковых приборах и интегральных схемах, так как приводит к изменению их характеристик.

Нежелательные изменения параметров РЭС могут быть вызваны наличием вредных примесей в воздухе: пыли, паров, кислот, соли и т. п.

При проектировании и эксплуатации РЭС следует учитывать действие различных биологических факторов и возможное присутствие в процессе эксплуатации грызунов. Конкретные меры защиты аппаратуры от различных механических и климатических воздействий необходимо применять с учетом вида, типа аппаратуры, норм жесткости, оговоренных в нормативно-технической документации.

15

2.2. Методы повышения надежности элементов

Надежность радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависит от надежности используемых в ней элементов. Если элементы обладают невысокой надежностью, меры, которые принимаются для обеспечения надежности систем, будут мало эффективны. Поэтому к надежности элементов предъявляют очень высокие требования.

Элементы современных радиоэлектронных приборов представляют собой сложные и весьма совершенные технические устройства. Их характеристики зависят от тонких физических процессов, технология их производства весьма сложна и совершенна. Обеспечение высокой надежности этих элементов требует использования высококачественных исходных материалов, поддержания весьма высокого уровня вакуумной гигиены при изготовлении, прецизионного ведения сложнейших технологических процессов производства.

Рассматривая проблему обеспечения надежности элементов, следует учитывать, что она состоит из двух частей: обеспечение собственной надежности самих элементов и обеспечение надежности работы элементов в аппаратуре.

На элементы РЭС постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся: температура, влажность, давление и химический состав среды, радиация и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или нет.

Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся и переходных режимов работающих элементов и возникающее в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки.

Из-за воздействия эксплуатационных факторов в материалах элементов протекают различные физико-

16

химические процессы, в результате которых возникают обратимые и необратимые изменения в материалах.

Обратимые изменения обусловлены обменом материала элемента с внешней средой за счет сорбции и десорбции, температурными изменениями свойств материала и другими явлениями.

Необратимые изменения вызываются протеканием в материалах химических реакций, проникновением в них различных веществ из внешней среды, развитием микротрещин в структуре материала и другими процессами.

Накопление изменений в материалах приводит к изменению их свойств, параметров элементов и, в конечном счете, к появлению постепенных и внезапных отказов, которые отличаются друг от друга скоростью накопления изменений. Таким образом, существует причинноследственная связь последовательности событий, приводящих к отказам элементов.

На этапах разработки и производства элементов закладывается определенный уровень их надежности, характеризуемый значениями показателей надежности. Определение этих показателей производится статистическими методами на основе результатов испытаний элементов при уровнях внутренних и внешних нагрузок, определяемых техническими условиями. Такие показатели надежности называют производственными. Другой вид показателей определяется реальными эксплуатационными режимами работы элемента. Эти показатели носят название: «рабочие критерии надежности».

Существуют следующие основные резервы повышения производственных показателей надежности элементов:

-ослабление интенсивности протекания в материалах физико-химических процессов, приводящих к изменению параметров элементов;

-увеличение запасов прочности структуры элемента по всем видам нагрузок;

17

-создание равнопрочной конструкции во всех звеньях структуры;

-применение новых конструктивных решений и новых принципов создания элементов с большими потенциальными возможностями в отношении повышения надежности;

-отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами.

Наиболее перспективным способом повышения производственной надежности является разработка и применение интегральных микросхем (ИМС) и функциональных приборов.

Элементы интегральных микросхем, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей.

Помимо высокой надежности собственных элементов в интегральных микросхемах очень низкая интенсивность отказов связей между элементами и, поскольку интенсивность отказов системы λΣ формируется из двух составляющих – надежности элементов λi и надежности их связей λj , снижение второй составляющей приводит к значительному эффекту в части повышения надежности систем

n k

n k ,

i i j j

где n – количество типов элементов i-го вида; k – количество типов связей между элементами; ni, kj – соответственно количество элементов и связей данного типа.

Для целого ряда полупроводниковых ИМС связь между элементами внутри полупроводника практически абсолютно надежная.

18

Анализ показывает, что в интегральном исполнении радиоэлектронные узлы имеют надежность на несколько порядков выше надежности аналогичных устройств, выполненных на электровакуумных и полупроводниковых приборах.

Повышение надежности элементов может быть достигнуто также приработкой их под нагрузкой, испытаниями и отбраковкой производственных дефектов. Приработка также позволяет стабилизировать параметры оставшихся элементов. Интенсивность отказов при этом снижается до стабильного уровня, соответствующего периоду нормальной эксплуатации.

Производственная реализация уровня надежности, заложенного при проектировании и конструировании, определяется степенью технологичности элементов, которая должна учитываться при их разработке, и качеством технологического процесса их производства.

Для организации качественного технологического процесса необходимо осуществлять оперативный количественный контроль надежности элементов. Наиболее перспективными методами оперативного контроля становятся методы неразрушающего контроля, позволяющие быстро определять скрытые производственные дефекты изделий и вносить соответствующие коррективы в технологический процесс.

Наиболее действенным способом повышения надежности элементов является использование элемента в облегченных режимах работы (режимная избыточность). На рисунке показано изменение интенсивности отказов элемента λ в зависимости от коэффициента нагрузки Кн.

Из рисунка видно, что при разгруженном режиме работы λ характеристика уменьшается, при этом период нормальной работы элемента увеличивается.

19