книги из ГПНТБ / Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики

охлаждается с помощью циркулирующего воздуха или воды. При этом газообразный хладагент конденсируется в жидкое состояние. Жидкий хладагент при температуре окружающей среды и относительно высоком давлении поступает из конденса­ тора в приемник, где он накапливается. Далее жидкий хладагент через расширительный клапан поступает в распыленном состоянии в змеевик испарителя при резком понижении давления и темпе­ ратуры жидкости. В испарителе давление является пониженным вследствие процесса всасывания, осуществляемого компрес­ сором.

Вследствие понижения давления происходит бурное испарение хладагента с одновременным поглащением теплоты окружающей среды, из-за чего ее температура снижается. Перешедший в газо­ образное состояние хладагент засасывается компрессором и про­ цесс повторяется. Однокаскадная холодильная система обеспе­ чивает, как правило, понижение температуры до —40° С. Для создания более низких температур применяются двух или более ступенчатые системы.

Более простая установка для проведения испытаний при низких температурах может быть создана с использованием сухой угле­ кислоты, температура замерзания которой равна — 57° С. Такая установка состоит из теплоизоляционной камеры, внутрь которой между металлическим контейнером и стенкой камеры помещается двуокись углерода С 02 в твердом состоянии. Поверхностная тем­ пература твердой углекислоты равна примерно —80° С. Такую холодильную установку используют при отсутствии более совер­ шенных испытательных устройств. Недостатком камер с сухой углекислотой является существенное изменение температуры в зависимости от количества тепла, выделяемого испытуемыми образцами и трудность регулирования температуры внутри камеры.

Теплоустойчивость. Перед проведением испытаний аппаратуру осматривают, а затем измеряют электрические параметры и про­ веряют ее механические свойства. В камерах, которые исполь­ зуются для испытания аппаратуры на сухое тепло, обеспечивается возможность поддержания в любой точке ее рабочего объема тем­ пературы от 30 до 200° С. Стандарные значения температуры уста­ навливают равными следующим: 30; 40; 55; 70; 85; 100; 125; 155; 200° С. Допустимые отклонения температуры 125, 155 и 200° С не должны превышать ±5° С, остальных температур— ±3°С . При испытании элементов допустимые отклонения температуры во всем диапазоне их изменения не превышают ±2° С. Стандарт­ ные значения температуры свыше 200° С и до 1000° С рекомен­ дуется устанавливать равными следующим значением: 250°, 315°, 400°, 500°, 630°, 800° и 1000° С.

Абсолютная влажность в камере выбирается не более чем 20 г водяных паров на 1 м3 воздуха, что соответствует приблизительно 50% относительной влажности при температуре 35° С. Температура

90

в камере регулируется с помощью специального устройства. При этом необходимо следить за тем, чтобы условия в рабочем объеме камеры были бы по возможности однородными и максимально приближались к тем, которые существуют вблизи датчика темпе­ ратуры. Для обеспечения этого воздух в камере циркулирует. При этом необходимо, чтобы циркулирующий воздух не охлаждал испытуемые образцы. Конструкция камеры предупреждает воз­ можность прямого воздействия нагревательных элементов на испытуемую аппаратуру. Необходимо также обеспечивать, чтобы тепловое рассеяние испытуемой аппаратуры не оказывало значи­ тельного влияния на условия испытания в камере.

Аппаратура, которая подвергается испытанию на сухое тепло, помещается в камеру при нормальных атмосферных условиях без

ции, аппаратура вносится в камеру при высокой температуре. После установки испытуемых образцов в камеру температура в ней постепенно повышается до необходимой величины. Скорость изменения температуры выбирается не более 1° С/мин, которая определяется как средняя величина за период 5 мин. Выдержка при высокой температуре производится до тех пор, пока не уста­ новится температурное равновесие.

При испытании элементов аппаратуры они выдерживаются в камере при высокой температуре в течение 16 ч. При испытании аппаратуры на теплоустойчивость (возможность пребывания при высокой температуре), она находится в камере в течение 96 ч. В отдельных случаях в технических условиях может быть указано другое время выдержки.

Проверка работоспособности аппаратуры при высокой темпера­ туре производится путем ее включения и проверки основных па­ раметров. Длительность выдержки аппаратуры при высокой тем­ пературе и режим работы, оговариваются в технических условиях. Минимальное время выдержки во всех случаях не менее 2 ч. Имеющиеся средства охлаждения аппаратуры, обычно исполь­ зуемые в нормальных условиях эксплуатации, применяются и при испытаниях аппаратуры на воздействие высокой темпе­ ратуры.

Измерения электрических параметров и проверку механических свойств изделий производят в конце периода выдержки. Перечень параметров и их количественные значения указываются в техни­ ческих условиях. По возможности производят визуальный осмотр изделия. После выдержки изделий и проверки параметров темпе­ ратура в камере постепенно понижается до нормальных значений (15— 35° С) со скоростью, не большей чем 1° С/мин.

Аппаратура остается в камере до тех пор, пока не установится температурное равновесие. В отдельных случаях, если это особо оговаривается в технических условиях, аппаратуру можно извле­ кать из камеры при высокой температуре.

91

Рис. 25. Схема термокамеры

очистки сухого воздуха; 3 —осу­ шающий элемент; 4 — циркуля­ ционный вентилятор; 5 — регу­ лятор относительной влажности; 6 — устройство для обеспечения точной регулировки относитель­ ной влажности воздуха; 7 — нагреватель; 8 — регулятор тем­ пературы; 9 — рабочая камера

Проверку параметров производят непрерывно в течение всего времени восстановления. После окончания периода восстановле­ ния производят проверку механических свойств изделия и изме­ ряют ее электрические параметры.

При разработке и конструировании камер для испытаний на воздействие высоких температур должны быть удовлетворены требования, обеспечивающие достоверность результатов испыта­ ний и достаточную точность установки заданных температур и других требований.

Выравнивание температуры осуществляется циркуляцией воздуха внутри камеры. В зависимости от конструкции, возможно использование естественной или принудительной конвекции. Последнее предпочтительнее, так как при естественной конвек­ ции возможно возникновение внутри камеры отдельных местных перегревов.

Рядом преимуществ обладает камера с внешними подогрева­ телями, в которых предварительно подогретый воздух подается в рабочее пространство камеры. Схема такой установки показана на рис. 25. Устройство состоит из собственно камеры, в рабочий объем которой помещаются испытуемые элементы 9, устройства предварительного нагрева и очистки сухого воздуха 2, осушающего элемент 3, вентилятора 4, обеспечивающего циркуляцию воздуха, основного нагревателя 7, системы автоматического регулирования температуры 8 и, при необходимости, системы обеспечения за­ данной относительной влажности воздуха 6. Эта система состоит из насоса, обеспечивающего распыление предварительно подогре­ той воды и регулятора относительной влажности 5, управляющего работой насоса.

Более простыми устройствами для испытания при повышенной температуре являются термостаты, температура в которых уста­ навливается с помощью нагревательных элементов. При этом необходимо исключить влияние нагревательных элементов непо­ средственно на испытуемую аппаратуру или узлы.

92

4. Методы испытаний на воздействие пониженного и повышенного давления, влажности и морского тумана

Пониженное давление. При испытании радиоэлектронной аппара­ туры на возможность ее работы в условиях пониженного атмо­ сферного давления первоначально измеряют электрические пара­ метры изделия и определяют его механические свойства, сравни* вая полученные данные с требованиями технических условий. Далее образцы помещают в камеру, после чего в ней устанавли­ вают температуру, указанную в технических условиях. По дости­ жении температурного равновесия давление в камере снижается до необходимой величины и поддерживается на этом уровне в те­ чение заданного времени. В течение этого времени аппаратура находится во включенном состоянии. В конце периода выдержки изменяют электрические параметры изделия, а также проверяют его механические свойства. По окончании периода выдержки дав­ ление в камере постепенно повышают до значений, соответствую­ щих нормальным атмосферным условиям, контролируя при этом отсутствие конденсации влаги на образцах. Элементы аппара­ туры выдерживают в нормальных атмосферных условиях восста­ новления от 1 до 2 ч, а аппаратура в течение времени, необходи­ мого для достижения температурного равновесия. После оконча­ ния периода восстановления, длительность которого может быть указана в технических условиях, вновь измеряют электрические параметры изделий и проверяют их механические свойства.

Испытания аппаратуры на пониженное атмосферное давление, производят при значениях давления, указанных в табл. 9. В этой же таблице приведены значения соответствующих высот. Приве­ денные в табл. 9 соотношения между давлением и высотой соот­ ветствуют наиболее неблагоприятным условиям. Необходимо учитывать, что на высотах до 1000 м нормальным является атмосфер­ ное давление 860— 1060 мбар. Если аппаратуру необходимо испы­ тать при нижнем пределе давления, соответствующем нормаль­ ным атмосферным условиям испытаний, то в этом случае уста­ навливают давление, равное 840 мбар.

Допускаемое отклонение от указанных в таблице величин давлений составляет ±5% или ±1 мбар в зависимости от того, какая из этих величин больше. Для давления 840 мбар допускае­ мое отклонение находится в пределах ±20 мбар. В любой точке

93

камеры, предназначенной для проведения испытаний на понижен­ ное давление, предусматривается возможность установления по­ ниженной или повышенной температуры, предусмотренной тре­ бованиями для проведения испытаний на холод и сухое тепло.

Влажность. При проведении испытаний радиоэлектронной ап­ паратуры и ее элементов на воздействие влажности различают так называемые длительные и ускоренные испытания.

При длительных испытаниях определяется возможность экс­ плуатации изделия в условиях повышенной влажности в течение заданного времени. Длительность испытаний колеблется от 4 до 56 дней. При этом обеспечивается возможность поддержания

влюбой точке камеры температуры 40 ± 2° С и относительной влажности 90—95%, а также принудительная циркуляция воз­ духа. В камере обеспечивается отсутствие тумана и конденсация воды на испытываемых изделиях.

При ускоренных испытаниях изделий на влажное тепло про­ изводится проверка возможности эксплуатации или хранения их

вусловиях высокой влажности в сочетании с изменениями темпе­ ратуры. Цикл ускоренных испытаний на влажное тепло про­ должается 24 ч (рис. 26). Вначале цикла температура в камере

в течение 1,5—2,5 ч повышается до 55 ± 2° С при влажности 80— 100%. При этом на испытываемых изделиях конденсируется влага. Затем в течение 16 ч в камере поддерживается температура 55 ± 2% с периодическими, не менее 4 раз в час колебаниями на 2—3° С. Относительная влажность в камере в течение этого периода составляет 95— 100% и на изделиях будет появляться влага. После окончания второго периода температура в камере понижается до нормальной при влажности 80— 100%. При испыта­ ниях изделия подвергаются от 1 до 6 указанных циклов в зави­ симости от выбранной степени жесткости.

Получившие широкое распространение комбинированные термобаровлагокамеры обеспечивают испытание аппаратуры на устойчивость по отношению к воздействию повышенной и пони­ женной температуры, пониженного давления и повышенной влаж­ ности. Преимуществом применения таких комбинированных камер является возможность одновременного испытания аппара­ туры на устойчивость к нескольким влияющим факторам и мень­ ший объем, занимаемый установкой. Такие комбинированные уста­ новки являются сложными автоматически регулируемыми устрой­ ствами, в которых давление, температура и влажность регули­ руются автоматически следящими системами с применением соответствующих датчиком температуры, давления и влажности.

Морской туман. Испытанию на устойчивость к воздействию морского тумана подвергается радиоэлектронная аппаратура и ее элементы, эксплуатирующиеся на морских объектах. Эти испы­ тания предназначены в основном для определения качества и однородности защитных покрытий, применяемых в производстве таких изделий. Основное внимание при контроле имитируемых

'94

При определении устойчивости радиоэлектронной аппаратуры или ее элементов к воздействию морского тумана их необходимо помещать в камеру и испытывать в комплекте с защитным устрой­ ством, установленным соответствующим образом (например, кор­ пусом, крышкой, экраном и т. д.), с которыми они обычно исполь­ зуются. Для образования в камере соляного тумана устанавли­ вается состав раствора, состоящего из 50 гр хлористого натрия NaCl, растворенного в дистиллированной воде до получения 1 л раствора при температуре 20° С значение pH этого раствора должно находиться в пределах 6,5— 7,2. Допускается корректи­ ровка pH реактивом соляной кислоты при условии, что концентра­ ция раствора хлористого натрия останется в указанных пределах.

В камере создаются однородные и постоянные условия мор­ ского тумана. Ее конструкция исключает возможность непо­ средственного попадания распыляемой жидкости на испытуемые образцы, а также попадания на них капель жидкости, которые могут собираться на потолке, стенках или других частях камеры.

Температура раствора при создании морского тумана устанав­ ливается равной температуре в камере. При использовании для распыления раствора дополнительного источника воздуха его температура также равна температуре в камере, и в нем не должно быть примесей, оказывающих влияние на результаты испытаний.

Недопустимо вторичное использование распыленного раствора. Распыление соляного раствора производится в течение всего вре­ мени выдержки изделий. Температура в камере при испытании на воздействие морского тумана поддерживается равной 35 ± 2° С.

Важное значение для получения повторяемости результатов имеет положение образцов в испытательной камере относительно ее осей. При этом образцы не должны соприкасаться с металли­ ческими частями и между собой.

Перед испытанием образцы осматривают, измеряют их элек­ трические параметры и проверяют механические свойства. Дли-

95

сферных условиях в течение 1.—2 ч.

По окончании периода восстановления необходимо визуально осмотреть образцы на наличие коррозии, измерить их элек­ трические параметры и проверить механические свойства из­

делий.

Повышенное давление. Специальная камера [42 J обеспечивает проведение статических испытаний изделий при повышенном дав­ лении; циклических испытаний образцов, подвергающихся воз­ действию различных переменных давлений; динамических испыта­ ний, проводящихся путем быстрого увеличения или снижения дав­

ления и других испытаний.

Такие камеры имеют значительные габаритные размеры и пред­ назначены для испытаний достаточно большой аппаратуры. Вну­ тренний диаметр камеры равен 1,8 м, длина цилиндрической части —- 2,4 м. В камере можно создать давление, равное 200 кг/см. Камера имеет вводы для электрических и гидравлических систем, а также смотровые и осветительные окна. Толщина цилиндри­

ческой стенки равна 5,7 см.

Для создания необходимого давления внутри камеры исполь­ зуются два насоса, обеспечивающие давление до. 210 кг/см2 за

время менее чем 30 мин.

Схема системы, обеспечивающей создание необходимого дав­ ления, приведена на рис. 27. Давление, которое необходимо уста­ новить в камере 4, задается программным устройством 1. В устрой­ стве 2 производится сравнение заданного программным устрой­ ством 1 давления с данными, получаемыми от датчика давления 3, Если показания датчика менее установленного в программном устройстве, то клапан 5 остается открытым и давление в ка­ мере поднимается. При равенстве показаний датчика и програм­ много устройства клапан закрывается и насосы 6 отключаются.

Для снижения давления может быть использовано два спо­ соба: быстрого снижения давления за время не более 20 с с по­ мощью специального клапана 7; медленного снижения давления со скоростью 4 кг/см2 в 1 мин с помощью клапана 5.

96

5. Методы испытания на герметичность

Надежность и работоспособность радиоэлементов, в частности полупроводниковых приборов в значительной мере определяется состоянием их поверхности и может быть снижена при ее загряз­ ненности. Последнее возможно, в процессе изготовления элемен­ тов или в результате диффузии в его корпус пылинок различных веществ через небольшие отверстия и неплотности корпуса.

Таким образом, для обеспечения необходимого срока службы и надежной работы изделий необходимо разработать методы кон­ троля герметичности корпусов полупроводников элементов, в том числе и интегральных полупроводниковых микросхем. Одним из методов испытания корпусов на герметичность является [32 ] пузырьковый метод, который состоит в том, что испытуемый элемент предварительно помещают в атмосферу газа (воздуха или смесь воздуха и гелия), находящегося под высоким давлением. Газ проникает внутрь корпуса через зазоры и отверстия и создает внутри него избыточное давление. Далее элементы помещают

вжидкость (обычно силиконовое масло, вода, минеральное масло

ит. д.) и наблюдают выделение пузырьков. Для увеличения чув­ ствительности метода жидкость подогревают. Для увеличения пе­ репада давления и лучшего наблюдения пузырьков в камере, где проводят испытание, создается пониженное давление.

Пояснения к методу показаны на рис. 28, где обозначено: 1 — ванна; 2 — жидкость, 3 — корпус прибора, в котором создается повышенное давление; 4 — пузырьки, идущие из места утечки. Температура жидкости выбирается комнатной или несколько по­

вышенной.

При погружении испытуемого изделия в ванну верхняя часть его корпуса находится на расстоянии не менее чем 10 мм от по­ верхности жидкости. Темпера­ туру жидкости при применении вакуумирования следует поддер­ живать в интервале 15—30° С.

В случае, если испытания прово­ дятся при нормальном давлении, температура живости устанавли­ вается в зависимости от допусти­ мой повышенной температуры испытуемого элемента. Преиму­ ществом пузырькового метода определения герметичности по сравнению с другими методами (например, масс-спектрометриче- ским, радиоизотопным и др.) яв­ ляется его простота и возмож­ ность точного ' определения места утечки.

7 М. Н. Видершайн

При применении пузырькового метода необходимо учитывать, что существует некоторый критический размер отверстия (при использовании вакуумирования — до 2 микрон) для активного образования пузырьков при установленном перепаде давления и поверхностном натяжении жидкости. Поэтому даже при наличии отверстий пузырьки могут не образовываться. При относительно больших отверстиях возможны утечки газа в промежутках между его нагнетанием и испытанием изделия. При проведении испыта­ ний по указанному методу имеется опасность попадания внутрь элемента нагретых масел, что может не обнаружиться в процессе испытаний. Таким образом, этот метод целесообразно применять только в случае необходимости быстрого проведения испытаний. Для получения более достоверных данных необходимо пользо­ ваться другими методами.

6. Оборудование для проведения комбинированных испытаний

Применяемые в настоящее время методы испытания амплитуды на устойчивость по отношению к внешним воздействиям не обеспе­ чивают достаточно. достоверных сведений о действительных па­ раметрах аппаратуры еще и потому, что в этом случае отсутствует информация о последствиях одновременного воздействия ряда факторов. Создание испытательного оборудования, обеспечиваю­ щего проведение испытаний аппаратуры при совместном воздей­ ствии ряда факторов (температуры, вибрации, давления, влаж­ ности и т. д.) является довольно сложной задачей.

Совместное воздействие вибрационных и линейных (центро­ бежных ускорений на испытуемую аппаратуру обычно обеспечи­ вают или путем помещения вибрационной установки на центри­ фуге, или, что делается чаще и легче конструктивно выполняется, устанавливая центрифугу на вибрационный стол.

В работе [8] описывается установка (рис. 29), предназначен­ ная для испытаний небольших блоков весом 2,3 кг и меньше на воздействие случайной или синусоидальной вибрации, центро­ бежных ускорений от 0 до 30g; температуры в диапазоне от — 184° до +149° С; относительной влажности до 100% и пониженного давления, соответствующему высоте до 30 500 м над уровнем моря. Для испытаний на пониженную температуру камера помещается в холодильную установку. Повышенная температура создается с помощью электрических нагревательных спиралей. Центробеж­ ные ускорения создаются путем передачи на вал вращения от электродвигателя, работающего с различной скоростью вращения. К валу прикреплен стол с испытуемым изделием. Вибрационные нагрузки передаются на стол с помощью коромысла, преобразую­ щего аксиальные ускорения в радиальные, направленные вдоль оси стола. Имитация высотных условий осуществляется подклю­ чением камеры к вакуумному насосу, а повышенная влажность —

98

Рис. 29. Комбинированная испытательная установка

подачей влажного воздуха через соответствующий отвод. Приме­ нение такой установки обеспечивает проведение испытаний не­ больших по объему блоков на одновременное воздействие ряда влияющих факторов.

Конструкция камеры для проведения комбинированных испы­ таний аппаратуры на холодоустойчивость , теплоустойчивость и ударные нагрузки описаны в работе [43]. Наиболее целесообразно использование камеры при проведении испытаний на надежность различных радиоэлектронных и электротехнических устройств, а также для проведения ускоренного старения. Камера позволяет проводить циклические температурные испытания изделий, при­ чем продолжительность цикла испытаний может изменяться в пре­ делах от 90 с до 30 мин. Может быть использован цикл изменения температуры — от положительной температуры +130° С до отри­ цательной — 80° С с последующим повышением температуры вновь до +130° С. Этот цикл продолжается всего 30 с.

Испытательное устройство представляет собой отдельный шкаф. В шкафу помещается цилиндр, внутри которого перемещается камера с испытуемым,'изделием. Цилиндр заполняют силиконовым маслом, сохраняющим свое агрегатное состояние во всем диапа­ зоне температур от — 80 до +130° С. В верхней части цилиндра силиконовое масло нагревается до +130° С, а в нижней — охлаж­ дается с помощью двухступенчатого компрессора до температуры