книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

Т а б л м ц а 54 Факторы, характеризующие влажный тропический климат

личное, к ним могут быть предъявлены требования ра­ ботоспособности в любых климатических условиях. Рас­ смотрим влияние некоторых климатических факторов на печатную плату и печатный монтаж.

6 - 1. ДЕЙСТВИЕ ВЛАГИ

Влага, постоянно присутствующая в воздухе атмо­ сферы, наиболее опасна для радиоаппаратуры. Она ус­ коряет коррозию металлов, изменяет электрические

244

ностью, а отношение ее к тому количеству водяных паров (г/м3), которые при данной температуре насыщают про­

245

трик с тетраэдрической структурой молекул. Молекула воды имеет четыре заряда: два положительных и два отрицательных, расположенных по вершинам правиль­ ного четырехгранника (тетраэдра), центр которого сов­ падает с центром молекулы воды. Расстояние между центрами атомов Н и О равно 0,96 ■ІО-8 см, между ато­

ХІО7 ом. см, tg'ö при 50 гц весьма велнк; при ІО7 гц ра­ вен 0,3; при 10э г ц — (0,03—0,01). Критическая темпера­ тура для воды 374° С, а критическое избыточное давле­ ние— 218,5 ат.

Масса 1 л насыщенного водяного пара при 100° С и нормальном давлении равна 0,5974 г. При этом водяной пар имеет 91% молекул Н20 и 9% ассоциированных мо­ лекул (Н20 2).

Вода — химически активное вещество, легко вступа­ ющее в соединения с различными металлами и неметал­ лами. Многие вещества вступают с ней в реакцию об­ менного разложения, называемую гидролизом. Процесс гидролиза и получаемые в результате его продукты ха­ рактеризуют влагостойкость изоляции и являются основ­ ной ее характеристикой.

Более полно свойства воды и ее химическое воздей­ ствие с защитными и основными материалами радио­ электронной аппаратуры описаны С. А. Ямановым

[59].

Различают две основные формы связи воды с мате­ риалами: в одном случае вода является химически свя­ занным элементом вещества и не может быть удалена без его разрушения, в другом она химически не свя­ зана с веществом, занимает в нем свободные полости (находится в капиллярах, трещинах) или удержива­ ется на поверхности тела и на мелкодисперсных ча­ стицах.

Свойство материала поглощать водяные пары извоздуха с относительной влажностью 96—98% при 20° С называется гигроскопичностью (влагопоглощаемостыо) материала. Выражается гигроскопичность в процентах и определяется как отношение приращения веса образца

246

после выдерживания его в условиях относительной влажности 96—98% в течение 1—2 суток к первоначаль­ ному весу в сухом состоянии.

влажности, г.

Процесс поглощения влаги изоляционным материа­ лом называется сорбцией.

Метод определения гигроскопичности является про­ стым, но дает он лишь ориентировочные результаты. Зная величину гигроскопичности, предсказать дальней­ шее увлажнение материала нельзя, так как равновесное увлажнение для различных материалов достигается в те­ чение различного времени. Связь между гигроскопично­ стью и физикохимическими свойствами материалов от­ сутствует.

Гораздо полнее процесс сорбции влаги (влагопоглощение) можно характеризовать так называемыми влаж­ ностными характеристиками. Имеются в виду коэффици­

толщиной 1 см и площадью 1 см2 при разности давлений 1 мм рт. ст. за единицу времени (1 ч), когда температу­ ра постоянная.

Коэффициент растворимости дает представление о процессе сорбции влаги органическими изолирующими материалами, то есть о процессе растворения, и опреде­ ляется количеством воды, растворенной в 1 см3 материа­ ла, отнесенным к разности давления 1 мм рт. ст.

Коэффициент диффузии определяет скорость процес­ са сорбции.

Пользуясь этими коэффициентами, можно оценить влагозащитные и влагостойкие свойства материала, учи­ тывая не только величину гигроскопичности, но и изме­ нение его электрических характеристик под действием влаги [98].

247

Различные изоляционные материалы в условиях по­ вышенной влажности воздуха не только поглощают раз­ ное количество водяных паров с разной скоростью, но и отличаются неодинаковым механизмом этого поглоще­ ния. Современные взгляды относительно механизма влагопоглощения іи влагопроницаемости электроизоляци­ онных материалов высказаны М. М. Михайловым [98].

При низкой относительной влажности на поверхно­ сти материала образуется мономолекулярный слой воды, в случае, если влажность более высокая, начинает фор­ мироваться полимолекулярный слой. Толщина его, по мере приближения относительной влажности к 90%, резко возрастает.

а

Рис. 71. Краевой угол на границе раздела жидкость — твердое тело

Процесс конденсации паров жидкости (или газа) на поверхности материала называется адсорбцией.

Адсорбция может быть значительной, если строение материала ионное (например, стекло) и выраженной слабо, если материал состоит в основном из малополяр­

притяжения молекул воды друг к другу. В первом случае вода будет образовывать на поверхности материала уединенные шарообразные скопления. Во втором случае она стремится занять всю площадку на поверхности изо­ ляционного материала.

Способность поверхности материала смачиваться во­ дой оценивается так называемым краевым углом смачи­ вания (рис. 71). Предельный случай смачивания соот­ ветствует полному растягиванию капли на поверхности В виде тонкой пленки (краевой угол смачивания равен

248

нулю). Краевой угол абсолютно несмачиваемой поверх­ ности составляет 180°.

При возникновении на поверхности материала пленки воды, вследствие низкого ее сопротивления, диссоциации примесей и загрязнений, поверхностное сопротивление снижается на несколько порядков.

Если на поверхности материала вода образует раз­ общенные капельки, то поверхностное сопротивление снижается незначительно, но величина пробивного (по­ верхностного перекрытия) напряжения резко уменьша­ ется.

Когда образец материала с объемным поглощением воды, пренебрежимо малым, помещается в атмосферу, имеющую 100%-ную относительную влажность при нор­ мальной температуре, на нем в течение нескольких се­ кунд появляется ионизированная проводящая пленка. В течение приблизительно 1—5 мин поверхностное сопро­ тивление резко падает.

У того же материала в атмосфере с нулевой относи­ тельной влажностью поверхностное сопротивление вос­ станавливается в течение нескольких секунд [97].

Если объемное поглощение воды значительное, вре­ мя восстановления изоляции исчисляётся десятками ми­ нут.

Влага перемещается по направлению уменьшения давления паров воды. Если влажность воздуха, окру­ жающего изоляционный материал, увеличивается и при этом давление паров в воздухе выше давления водяных паров в веществе, тогда влага из воздуха будет прони­ кать через поверхностную пленку во внутреннюю область материала. По мере повышения давления водяных паров

миграция прекращается. Время миграции влаги до состояния равновесия зависит от структуры материала.

С ростом окружающей температуры при постоянной относительной влажности проникновение влаги в мате­ риал возрастает под влиянием двух факторов: увеличе­ ния парциального давления паров воды в окружающем пространстве и теплового движения молекул диэлектри­ ка. Последнее обстоятельство вызывает образование межмолекулярных промежутков, в которые проникают молекулы воды. Это ускоряет их перемещение в глубь

249

диэлектрика. Межмолекулярные промежутки являются теми видами нарушения структуры, которые присущи органическим диэлектрикам и представляют собой не­ устранимые причины их влагопроницаемости. Вещества, у которых расположение молекул упорядоченное, обла­ дают меньшей влагопроницаемостыо.

Скорость и степень увлажнения изоляционного мате­ риала при одинаковой абсолютной влажности среды, но различных температурах, зависит от разности между максимально возможным содержанием паров воды при данной температуре в окружающем пространстве и фак­ тическим ее содержанием. Чем больше эта разность, тем меньше влаги поглотит изоляционный материал, чтобы достигнуть равновесное состояние с окружающим про­ странством. Иными словами, скорость и степень увлаж­ нения зависит от относительной влажности воздуха.

Влагопоглощение, происходящее в результате тепло­ вого колебания молекул высокополимера, называется ак­ тивированной сорбцией.

В реальных условиях материалы непрерывному ув­ лажнению не подвергаются. Процессы увлажнения пре­ рываются, материал подвергается нагреву, под влияни­ ем которого влага испаряется. Последующий процесс снова приводит материал в состояние некоторого увлаж­ нения. Периодические изменения влажности воздуха вы­ зывают периодические изменения сопротивления изоля­ ции материала. В органических материалах при этом наблюдается остаточное изменение вследствие того, что скорость поглощения влаги материалом больше скорос­ ти потери влаги при прочих равных условиях. В конеч­ ном итоге после серии периодических увлажнений и вы­

250

гигроскопические волокна: бумагу, хлопок. Эти волок­ на, как фитили, засасывают влагу. Большим влагопоглощением обладают слоистые прессованные материалы типа гетииакса. Слоистым материалам типа стеклотка­ ни присущи те же свойства. Адсорбируясь на поверхно­ сти стеклянного волокна, влага медленно проникает в глубь материала.

Вода проходит через пропитанные ткани, проникая через ее промежутки под собственным или приложенным давлением, а также при распространении по капиллярам. Возможны и сочетания обоих явлений. В первом случае степень сопротивления, которое оказывает ткань про­ никновению воды, зависит в основном от ее конструк­ ции и структуры, во втором случае степень сопротивле­ ния определяется главным образом ее водоотталкиваю­ щей способностью.

Пропитка и обволакивание не могут полностью пре­ дохранить слоистые материалы от влаги. Назначение их заключается в том, чтобы задержать на некоторое вре­ мя ее проникновение. Поэтому слоистые материалы име­ ют обычно невысокое сопротивление изоляции и харак­ теризуются повышенными потерями. Электрический пробой таких материалов определяется не электрической прочностью составных элементов, а главным образом содержанием в них влаги и ионизированных примесей.

Влага, адсорбированная материалом, более опасна, чем адсорбированная на поверхности, поскольку путем кратковременного просушивания она не удаляется. Ма­ териал, содержащий влагу, помимо ухудшения механи­ ческих, химических и электрических качеств, обладает и повышенной скоростью старения.

Повышение стабильности печатных схем в процессе эксплуатации достигается, в основном, за счет влагоза­ шиты печатной платы. О способах влагозащиты печат­ ных схем дает представление табл. 56.

6 - 2 . ДЕЙСТВИЕ ТЕПЛА И ХОЛОДА

Радиотехнические изделия на печатном монтаже мо­ гут подвергнуться ряду температурных воздействий: 1) кратковременным, 2) длительным, 3) температурных перепадов. Тепловое воздействие на аппаратуру во мно­ гих случаях усиливается в результате того, что во время работы приборов выделяется тепло.

251

Таблица 56

Способы влагозащиты печатных схем

С п о с о б Д о с т о и н с т в а Н е д о с т а т к и

Повышенная температура ухудшает функционирова­ ние полупроводниковых приборов и даже выводит их из строя. Она изменяет электрические характеристики: вы­ зывает увеличение диэлектрических потерь и сопротив­ ление металлических проводников, снижает электриче­ скую прочность и уменьшает сопротивление электриче­ ской изоляции. При нагревании, вследствие теплового расширения, изменяется емкость переменных конденса­ торов, емкость и индуктивность обмоток, появляется не­ стабильность частоты в настроенных цепях.

Повышенная температура вызывает повышенное теп­ ловое расширение деталей приборов. Особенно опасно это бывает, когда коэффициенты теплового расширения сопрягаемых материалов различные.

При изменениях температуры, сравнительно малых, размеры твердых тел линейно зависят от нее. В общем случае с точностью, достаточной для практики, темпера­ турная зависимость выражается в виде [97]:

где Хі; Х2 — размеры тела соответственно при темпера­

ских тепловых воздействий, отмечаются чаще вследствие многократных деформаций элементов аппаратуры, при­ чем особенно отрицательно оказываются переходы тем­ пературы через нуль градусов. Интенсивность- -воздейст­ вия зависит от того, какова разность между наивысшей

инаинизшей температурами.

-Повышенная окружающая температура вызывает как постепенные, так и внезапные изменения физических характеристик материалов. Длительное ее воздействие связано в первую очередь со старением органических ма­ териалов, в том числе и лакокрасочных покрытий. Вы­ сокий температурный режим ускоряет химические реак­ ции в материалах, причем скорость химической реакции тем больше, чем выше этот режим. На лакокрасочных

-покрытиях появляются трещины- и поры, что ухудшаем -влагозащитные и изоляционные характеристики-пленок. ■- -Длительное воздействие feMnèpäTypbr вызывает' ус-

253