книги из ГПНТБ / Доценко Н.С. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги)

80° С, когда содержание паров и воздуха соответственно равно 50 и 50%. Тогда условия низкого давления имеют место при температуре ниже 80° С, а условия высокого давления при температуре выше 80° С. Если температура, давление паров и давление воздуха постоянны, то пары проникают благодаря диффузии через воздух в канале капилляра. При циклическом изменении температуры, вызывающем разностное давление воздуха в канале, смесь паров воды и воздуха принудительно продвигается по каналу капилляра. На основании изложенного, ве­ роятность неповреждения р (t) (23) (исправная работа элемента) за промежуток (0, /„„) можно представить в виде убывающей функции времени т, относительно

где p(t/é1) — условная вероятность срока службы эле­ мента в интервале (tx, tx -j- t), вычисленная в предпо­ ложении, что он проработал безотказно время (0, t). Из свойств р (/) следует, что /1Ш(т) — возрастающая функция, причем t„н (0) = 0 и іап (т) -> оо при t -у со.

Величина t'm (т) = X (і) называется опасностью от­ казов. Из свойств ^Ш (т) следует, что к (() > 0 ; ta„ (т) =

/Иначе говоря, к (^1Н) есть опасность отказов в момент,

40

и позволит определить срок службы элемента для ин­ тервала времени (0, (), если подставить значения фор­ мулы (29) в соотношение (27).

Формула (28) позволяет рассмотреть некоторые ха­ рактерные случаи влияния на срок службы элемента его предыдущей работы, особенно это важно для восста­ навливаемых элементов. С этой целью левую и правую части формулы (28) продифференцируем по (д.

т. е. чем больше времени элемент проработал в прошлом, тем его срок службы будет выше, так

как все испытания, которым подвергаются выпускаемые эле­ менты, для выявления скрытых дефектов производства, а иногда и конструктивных недоработок, построены на предположении, что проработавшие некоторое время элементы в будущем ока­ жутся более надежными, чем до этой работы.

Для участка I I справедливо X (t1 -f-1) = X (tt);— р (t/tj) = 0. dt

В этом случае срок службы в будущем не зависит от того, сколько элемент проработал в прошлом; имеет место экспо­ ненциальное распределение

Cü(Z) = Xexp(—XZ).

Выяснение длины интервала I I является одной из основных задач, решаемых при испытаниях элементов на срок службы, так как это дает возможность устанавливать разумные сроки работы элементов.

Для участка I I I справедливо X {tx + t) > X (Іг); — р ( t/ t^ K 0,

dtf

т. e., чем больше времени элемент проработал в прошлом, тем

41

то с в я з ь м еж д у п л о т н о ст ь ю ве р о я т н о ст и т е х н и ч е с к о г о р е с у р с а

Определение плотности распределения по статистическим данным функциональных узлов позволит по формулам ( 1 5 ) —(17) определить средний технический ресурс, дисперсию техниче­ ского ресурса и установленный технический ресурс. В резуль­ тате этого можно определить срок службы элемента, который в значительной степени зависит от скорости проникновения влаги в элемент через оболочку.

Рассмотрим некоторые аспекты определения величины срока службы тк. Пусть необходимо вычислить величину тк для та­ кого элемента, который будет находиться в среднем часть у вре­ мени эксплуатации в рабочем режиме, а часть (1—у) времени — в режиме хранения. Тогда интенсивности отказов элемента во время работы Л р, во время хранения Л хр и при проведении рег­ ламентных работ Лр. р не равны между собой. Следовательно, календарный срок службы элемента может быть представлен как сумма средних суммарных интервалов времени эксплуата­ ции, в течение которых элемент находился в различных режи­

мах (работа tp, хранение txp, регламентные работы tPi р, суммар­ ный капитальный ремонт t%K. р)

Так как Л Рт^Лхр^=Лр. р, то можно определить коэффи­ циенты: /;гхр = Л р/Л хр; тр. р = Л р/Л р. р, а часть суммарного установленного ресурса t%, израсходованная при проведении регламентных работ, будет

42

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

разрушение; в) коррозия контактов, приводящая к отказу ре­ зистора; г) пористость материала каркаса п внешнего покрытия, приводящие к коррозии проводов у проволочных резисторов.

Наиболее трудным режимом работы для резистора является такой, когда резистор в обесточенном состоянии находится в ус­ ловиях повышенной влажности долгое время, а затем нагру­ жается.

Повышенная относительная влажность окружающей среды не влияет на физические процессы, происходящие в электро­ вакуумном приборе, но может привести к появлению проводя­ щих пленок на поверхности и к коррозии выводов. Особенно это сильно наблюдается в электронных приборах СВЧ, имею­ щих дисковые выводы.

Существенное влияние на долговечность оказывает процент влажности в корпусе полупроводникового прибора.

При действии повышенной влажности на негерметпзнроваиные конденсаторы, в которые вода проникает за счет диффузии через пластмассовую опрессовку, либо в местах соединения вы­ водов и пластмассы, происходит увеличение tg б и уменьшение сопротивления изоляции (см. гл. 2, 4).

Основные отказы у моточных изделий (дроссели, катушки индуктивности и трансформаторы) вызываются разрушением изоляции под действием высокой влажности и температуры. К ним относится обрыв обмотки, межвитковые замыкания, про­ бой на корпус или между жилами и т. д. Эти отказы в основном зависят от конструкции и от культуры производства.

По изложенным причинам функциональные узлы, детали конструкции, а также конструкции элемента в целом должны обязательно иметь защиту от действия влаги. Рациональность конструкции влагозащитной полимерной оболочки определяется

и методами защиты: механические конструкции, механизмы, радиоэлементы и монтаж. Механические конструкции при дли­ тельном действии влаги подвергаются коррозии. Для защиты механических конструкций от действия влаги применяются за­ щитные покрытия, выбор материала для которых необходимо производить в зависимости от влагопроницаемости и диффузии материала.

Существенно влияние влажности на монтаж, в котором при длительном воздействии влажности происходит изменение свойств изоляции проводов, что снижает сопротивление утечки, увеличивает паразитные емкости и т. п. С этой целью необходимо применять влагостойкие изоляционные материалы или поме­ щать изоляционный материал в герметичную оболочку, толщина которой должна определяться из условия диффузии влаги через оболочку.

Однако основное влияние влажность оказывает на радио­ элементы. Методы защиты радиоэлементов от действия влаги играют очень важную роль в конструкции элемента. Возмож­ ность создания долговечных элементов появилась в связи с при-

48

мененнем функционально-узлового метода конструирования элементов, о котором было сказано выше. Применение этого метода требует от конструктора глубокого знания материалов и их свойств, умения разрешать комплекс вопросов по распре­ делению функций влагозащиты между герметизацией аппара­ туры или блоков в целом и улучшением защищенности монтажа, радиоэлементов и узлов.

Производственные фанторы

Долговечность элементов зависит в известной степени от технологии производства, от проблемы обеспечения влагозащнты, от проблемы устранения воздушных включений при герметиза­ ции элементов полимерными материалами. Наличие воздушных включений в герметизирующем материале, так же как и присутст­ вие влаги внутри элемента, является причиной появления раз­ личных дефектов в готовых элементах. Эти производственные факторы вызывают ухудшение механических и электрических свойств, а также пробой герметизирующего материала в про­ цессе эксплуатации. Производственные факторы, снижающие срок службы элементов, связаны с недостаточностью технологи­ ческих процессов, с нарушениями технологии, со слабым кон­ тролем качества продукции и др.

Устранение влаги в процессе герметизации требует большой тщательности при всех технологических операциях. Кроме того, при разработке приемов удаления влаги из полимерного герме­ тизирующего материала или из активного элемента следует осо­ бое внимание уделить условиям хранения герметизирующего материала и конструкции элемента, предназначенного для гер­ метизации. В противном случае могут произойти необратимые процессы в материале, приводящие к проникновению влаги в активный элемент и к отказу элемента.

Можно предположить, что скорость необратимых процессов в зоне дефекта для каждого элемента при неизменном режиме нагрузки есть величина постоянная до тех пор, пока величина перегрева остается без изменения и скорость проникновения влаги также постоянная и зависит от влагопроницаемости ма­ териала. Если процессы разрушения зашли так далеко, что тем­ пература в зоне дефекта начинает повышаться, то это вызовет в свою очередь увеличение скоростей разрушения и проник­ новения влаги в загерметизированный элемент. Такая обратная связь приведет к лавинообразному процессу разрушения актив­ ного элемента.

Таким образом, срок службы элемента есть функция неко­ торой случайной величины, обратной скорости необратимых про­ цессов в зоне скрытого локального дефекта; в свою очередь тем­ пература в области дефекта и скорость проникновения влаги определяются размерами и характером дефекта.

Исходя из экспоненциальной зависимости скорости проник­ новения в материал влаги в зоне дефекта, можно прийти к вы­ воду о существовании такого порогового значения температуры, ниже которой скорость проникновения влаги будет очень малой (определяется растворимостью влаги в материале и влагопро­ ницаемостью), а срок службы элемента при определенной влаж-