Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

Еще более высокой теплостойкостью (до 2000°С ) обладает углепластик с углеродной матрицей марки КУП-ВМ.

Элементы конструкций из углепластиков изготовляются несколькими методами, например мокрой намоткой, когда жгуты или ленты пропитываются связующим составом в процессе укладки. Другой метод связан с пропиткой связующим составом под давлением, когда заготовку из сухого наполнителя пропитывают в замкнутой форме и затем формуют деталь при повышенном давлении и температуре. Метод выбирается в зависимости от геометрических особенностей детали. Наиболее технологичным является углепластик КМУ-3, для которого температура и давление формообразования минимальны.

Еще более высокими механическими свойствами обладают бороволокниты на основе борного волокна. От углепластиков они выгодно отличаются сочетанием таких свойств, как высокое сопротивление сжатию, срезу, сдвигу, низкая ползучесть, высокая твердость и модуль упругости. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1К предназначены для длительной работы при температуре до 200°С. Бороволокнит КМБ-2К сохраняет высокие механические свойства до 300°С. Материалы КМБ-3 и КМБ-ЗК содержат эпоксидный связующий состав и отличаются наиболее высокими механическими свойствами, технологичностью, низким давлением при формообразовании, но их рабочая температура не превышает 100°С.

351

10. ЗАЩИТА РЭС ОТ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ

10.1. Общие сведения о внешних воздействующих факторах

Условия эксплуатации изделий. Во время эксплуатации на РЭС влияет значительное количество внешних воздействующих факторов, среди которых можно выделить [54] следующие основные группы: механические, климатические, биологические, термические факторы.

Кмеханическим факторам относятся вибрационные, ударные и линейные нагрузки.

Кклиматическим факторам (в соответствии с ГОСТ 15150-69) относятся температура окружающего воздуха, его влажность, давление воздуха или газа, солнечная радиация, дождь, ветер, пыль, тепловой удар, морской туман, атмосферные осадки, содержание в воздухе (воде) кор- розионно-активных агентов.

Кбиологическим факторам относятся бактерии и плесневые гриб-

ки.

Ктермическим факторам относятся аэродинамический нагрев, радиационное, электрическое и ультразвуковое разогревания.

Кроме перечисленных, на РЭС в процессе эксплуатации могут оказывать влияние и другие факторы, например специальная среда, электростатические, магнитостатические и электромагнитные поля, лазерное излучение.

Условия эксплуатации РЭС можно разделить на нормальные, наземные естественные, наземные транспортные и условия на высотных самолетах, ракетах, космических объектах. Под нормальными условиями работы РЭС понимают такие, при которых температура воздуха — 15...25°С, относительная влажность — 45...75%, атмосферное давление

—96...106 кПа, отсутствуют механические воздействия, воздействия

пыли и песка, атмосферных осадков, солнечной и ядерной радиации, биологических факторов и др.

Воздействия влаги на РЭС. Характер воздействия влаги на РЭС определяется свойствами воды в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Возможны два основных вида взаимодействия воды с материалами. В первом случае вода проникает в трещины, зазоры, капилляры или находится на поверхности вещества, удерживаясь на его мелкодисперсных частицах. Во втором случае вода оказывается химически связанной с элементами вещества [55].

Этот вид взаимодействия воды с материалами приводит к ускорению процессов коррозии металлов, гидролизу и способствует распаду

352

некоторых материалов. Коррозия металлов приводит к снижению механической прочности конструкций, уменьшению точности и продолжительности работы механизмов, нарушению контактных соединений, обрывам тонких проводов и т.п.

Воздействие пониженного атмосферного давления на РЭС. Снижение атмосферного давления приводит к изменению напряжения электрического пробоя воздуха. Уменьшение атмосферного давления оказывает влияние на параметры ЭРЭ и РЭС непосредственно и косвенно. Непосредственное влияние вызывает изменение емкости и допустимого рабочего напряжения конденсаторов с воздушным диэлектриком, уменьшение величины допустимого рабочего напряжения изоляторов, волноводов, элементов антенно-фидерных трактов и между проводниками электрического монтажа. Увеличивается вероятность возникновения искровых разрядов в негерметизированных высоковольтных выпрямителях и антенно-фидерных трактах. Повышается механическая нагрузка на кожухи герметизированных элементов РЭС. Косвенное влияние проявляется в ухудшении условий воздушного охлаждения РЭС вследствие уменьшения плотности и теплоемкости воздуха.

Влияние пыли и песка на РЭС. Пыль представляет собой мельчайшие частицы различного происхождения и разных физико-химических свойств. Различают пыль неорганического и органического происхождений.

Неорганическая пыль составляет 65...75% всех аэрозолей и представляет собой частицы в виде пластинок, иголочек, чешуек с размерами до 0,2 мм. В состав неорганической пыли входят кварц, полевой шпат, слюда и др.

Органическая пыль представляет собой споры растений, плесневые грибки, бактерии, частицы волокна из шерсти и хлопка, мельчайшие остатки насекомых и растений. При повышенной влажности органическая пыль может служить хорошей питательной средой для плесени

[56].

Пыль, оседая на поверхности различных деталей и ЭРЭ РЭС, создает хорошие условия для их увлажнения. Содержащиеся в пыли раство-

римые соли также хорошо поглощают влагу. При этом на поверхности

металлов может происходить коррозия. Пыль на поверхности изоляционных материалов способствует адсорбированию влаги этими материалами. Увлажненная пыль на поверхности лакокрасочных покрытий вызывает химические реакции, результатом которых является разрушение покрытий. Проникая в микротрещины изоляционных материалов, пыль снижает их изоляционные показатели. В механизмах пыль увеличивает трение и износ материалов, окисление смазочных материалов. Попадая в коммутационные элементы, пыль ускоряет износ контактов, может

353

вызывать образование коронного разряда между контактами и, следовательно, их нагрев.

Биоповреждения РЭС. При эксплуатации РЭС в различных климатических районах в условиях повышенной влажности, ограниченного доступа воздуха и умеренной температуры (0...30°С ) часто наблюдаются повреждения, вызванные микробиологическими организмами.Эти повреждения выражаются в снижении прочностных, электроизоляционных и других свойств конструкционных материалов и покрытий. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов (метаболиты)стимулируют процессы коррозии металлов. К агентам биологического поражения РЭС относятся грызуны, насекомые, плесневые грибки, бактерии. Однако наибольшую опасность для РЭС представляют плесневые грибки,которые поражают самые разнообразные материалы: пластмассы, кра-ски, лаки, резину, дерево и даже металлы. Если грызуны и насекомыенаносят механические разрушения, то грибки вызывают поврежденияпродуктами метаболизма по электрохимическому и химическому меха-низмам. Действие плесени на пластмассы зависит от их состава. Наибо-лее подвержены действию плесени органические наполнители и пла-стификаторы. Слабо противостоят действию плесени феноло-фор-мальдегидные смолы, нитроцеллюлоза, поливинилацетат; очень слабо— древесина и масляные краски. Плесень способна поражать также истекло, если на нем имеется питательная среда. Хорошей питательнойсредой дляплесени является канифоль, которая может оставаться наместах пайки. При появлении плесени снижается сопротивление изоля-ции, ускоряется процесс коррозии металлов, разрушаются защитные покрытия, нарушаются контакты, возможны замыкания, пробои и т.п.

Влияние радиоактивных излучений на РЭС. По происхождению радиоактивные излучения (РИ) могут быть разделены на естественные и искусственные. К естественным излучениям относятся космическое, корпускулярное и рентгеновское излучения Солнца и радиационных поясов Земли. Искусственное РИ возникает в результате ядерных реакций в реакторах или при взрыве.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Существует пять видов радиоактивности: α-распад, β-распад, спонтанное деление, протонная и двухпротонная радиоактивности. Все они характеризуются достаточно продолжительными превращениями ядер, которые определяются либо характером взаимодействия (слабые взаимодействия при β-распаде), либо задержкой испускания положительно заряженных частиц кулоновским потенциальным барьером в ядре (α- распад, спонтанное деление, протонные радиоактивности). Обычно все

354

виды радиоактивности сопровождаются испусканием γ-лучей (потоков жестких фотонов с длиной волны 10-9 …10-11 см ).

В свою очередь виды излучений подразделяют на мгновенное (γ-лучи), инициированное (нейтроны и γ-кванты), стационарное (α и β -ЧАСтицы) и остаточное (продукты вторичного расщепления).

Уровни воздействия радиоактивных (фоновых) излучений определены их дозой поглощения и скоростью потока эквивалентных нейтронов на один квадратный сантиметр. Доза поглощения есть энергия любого вида излучения, поглощаемая единицей массы облучаемого веще-ства и измеряемая в радах (1 рад = 10-2 Дж/кг = 100 эрг/г). Различаюттакже дозу интегральную (общее количество энергии поглощения всеймассой материала, г рад) и дозу биологическую (количество энергии,поглощенное тканью, биологически эквивалентное одному рентгенурентгеновских или γ-лучей), выражаемую в бэрах. При облучении био-логической ткани дозой у-лучей в 1 рад в 1 г ткани поглощается 93 эрг энергии излучения. При естественном фоне (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и тела человека) мощность излучения не превышает 0,1 бэр/год. При местном медицинском излучении доза не превышает 10 бэр, а лучевая болезнь наступает при дозе в 400...500 бэр.

Радиационная стойкость материалов и ЭРЭ характеризуется следую-

Рассмотрим воздействие излучений на некоторые материалы. Фоновые излучения, воздействующие на металлы и сплавы, увеличивают их прочность и уменьшают вязкость; электрические же характеристики при этом практически не меняются.

У керамических материалов и изделий из них увеличивается склонность к пробою, а кварц и стекло начинают тускнеть, терять прозрачность.

Термопластичные материалы становятся хрупкими, темнеют или обесцвечиваются. Наиболее термостойкий, химически неактивный, высокочастотный фторопласт-4 уже при дозе 104 рад разлагается на фтористоводородные соединения. Наиболее стойким является полистирол. Эластомеры становятся твердыми, теряют эластичность, а бутиловый каучук, наоборот, становится клейким. Пропиточные и заливочные масла образуют отстой и выделяют газ.

В большинстве случаев нарушения работоспособности РЭС при воздействии РИ сказываются в основном в изменении параметров ППП и ИС. Величину изменения параметров можно оценить на основании

355

справочных данных по стойкости материалов и ЭРЭ. Наряду с информацией об изменении параметров ЭРЭ при воздействии соответствующих уровней РИ в справочниках приводят информацию о коэффициентах радиационной чувствительности к воздействию γ-излучения, а также о максимальной мощности дозы γ-излучения, при которой происходит отказ ЭРЭ в схеме.

Под действием γ-импульса происходит ионизация конструкции прибора и окружающей его среды, что вызывает возникновение кратковременных межэлектродных проводимостей и первичных фототоков.

Протекание фототоков в цепях транзистора может привести к нежелательным последствиям, таким как изменение состояния ключевых схем, появление ложных сигналов в аналоговых схемах, а также перегорание транзистора из-за вторичного пробоя, если не приняты меры по его предотвращению последовательным включением индуктивности или токоограничивающих сопротивлений.

Облучение ППП нейтронами приводит к изменениям основных параметров изделий. Эти изменения обусловлены в основном дефектами в структуре полупроводникового материала, а также ионизирующей способностью нейтронов высоких энергий. У маломощных транзисторов наиболее чувствительными к воздействию потока нейтронов являются коэффициент передачи базового тока и напряжение между эмиттером и коллектором в режиме насыщения, уменьшающиеся с ростом потока нейтронов, а также обратный ток коллекторного перехода.

При воздействии импульсного γ-излучения в ИС все обратносмещенные переходы генерируют фототоки, которые могут привести к изменению состояния ИС. Характерно то, что в ИС с изоляцией р—п- переходами ионизационные эффекты примерно на порядок выше, чем

всхемах на дискретных элементах.

Внастоящее время не существует единой точки зрения по вопросу проектирования радиационно стойких ИС. Считается, что необходимо соблюдать следующие наиболее общие правила при их разработке [58]:уменьшать отношение числа активных элементов ИС к числу пассив-ных; уменьшать рассеиваемую в ИС мощность, использовать радиационно стойкие проводящие и диэлектрические материалы; повышать универсальность ИС; снижать зависимость выходных параметров ИС от коэффициентов усиления входящих в ее состав транзисторов.

Изменения параметров резисторов при воздействии РИ обусловлены изменением параметров материалов конструктивных элементов резистора и окружающей резистор среды в результате ионизации, нарушения структуры и химических процессов в материалах и радиационного разогрева.

356

В радиационно стойкой РЭС рекомендуется применять по возможности низкоомные резисторы (менее 10 кОм), а высокоомные — подвергать опрессовке или заливке эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного покрытия в 10 раз позволяет снизить чувствительность резистора к воздействию РИ не менее чем в 5-8 раз. Следует также предусматривать максимальное удаление резисторов друг от друга и защиту их выводов. При уменьшении размеров резистора его устойчивость к РИ повышается.

Радиационная стойкость конденсаторов определяется стойкостью диэлектрика. Наименьшей радиационной стойкостью обладают конденсаторы с органическим диэлектриком и электролитические. Степень изменения параметров у этого класса конденсаторов не зависит от вида РИ при равнозначных коэффициентах передачи энергии, а определяется в основном дозой поглощенной энергии, поскольку механизм воздействия любого излучения на изделия с органическим диэлектриком сводится к процессам ионизации и возбуждения атомов молекул.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклянные) обладают высокой радиационной стойкостью. Для конденсаторов с неорганическим диэлектриком в отличие от конденсаторов на основе полимерных материалов важными являются не только поглощенные дозы, но и интегральный поток быстрых нейтронов.

При действии РИ в электролитических конденсаторах наблюдаются нарушение уплотнений и катастрофическое ухудшение электрических параметров (в первую очередь, емкости).

В жидкостных электролитических конденсаторах с объемным пористым анодом из окисей тантала и ниобия наименее радиационно стойким элементом является герметизирующая прокладка из фтороорганической резины.

Причиной ухудшения электрических параметров оксидно-полупро- водниковых конденсаторов в условиях воздействия γ-радиации при больших интегральных потоках являются снижение сопротивления двуокиси марганца и, естественно, нарушение работоспособности конденсаторов.

Стойкость моточных изделий к воздействию РИ определяется степенью изменения свойств применяемых в них материалов и конструкций и зависит от характеристик γ-нейтронного излучения. Под воздействием непрерывного γ-нейтронного излучения у магнитных материалов изменяются индукция, магнитная проницаемость, электрическое сопротивление, упругость и другие характеристики. Монолитность конструкций из железа и меди, обладающих сравнительно большими

357

коэффициентами теплообразования, приводит к значительному радиационному нагреву. При этом сопротивление изоляции трансформаторов уменьшается на несколько порядков (примерно до 102 ... 104 МОм). При прекращении воздействия излучения сопротивление изоляции восстанавливается полностью.

В современных РЭС важную роль играют радиочастотные и низкочастотные соединители (разъемы). Встречаются два типа радиационных повреждений разъемов. Повреждение, при котором изменяются физические характеристики изоляционных материалов, может привести к механическому ослаблению опоры штырей, о чем судят по появлению хрупкости органических диэлектриков. Постоянная или временная потеря сопротивления изоляции между контактами или по корпусу

— это повреждение второго типа.

Наиболее чувствительными элементами к воздействию у-нейтрон- ного излучения у разъемов являются опорные шайбы и контактные промежутки из различных органических диэлектриков и пластмасс, наиболее критичными параметрами при облучении — сопротивления изоляции, наименее радиационно стойкими — соединители с опорными шай-

бами из фторопласта-4.

При воздействии импульсного γ-излучения в материалах опорных шайб и контактных промежутках за счет ионизации возникают токи утечки, что приводит к резкому снижению сопротивления изоляции на 3-5 порядков. Такое изменение сопротивления изоляции носит обратимый характер и после прекращения импульса излучения практически

полностью исчезает [57].

Радиационная стойкость кабелей и проводов определяется радиационной стойкостью применяемых в них конструкций изоляционных материалов, физико-механические свойства которых зависят от поглощенной дозы у-излучения. Затухание в радиочастотных кабелях равномерно возрастает при увеличении дозы γ-излучения. Сопротивление изоляции монтажных проводов с полиэтиленовой изоляцией при воздействии потока нейтронов снижается.

10.2. Особенности работы РЭС в условиях воздействия факторов космического пространства

К факторам космического пространства, наряду с космическими ионизирующими излучениями, относятся глубокий вакуум, лучистые тепловые потоки и невесомость.

Глубокий вакуум космического пространства характеризуется крайне низкими значениями концентрации частиц, плотности и давления атмосферы. На высоте 150—200 км давление окружающей среды со-

358

ставляет 10 -4 Па, а на высотах более 10 тыс. км — менее 10-11 Па [59]. Однако характеристика условий открытого космического пространства еще не является характеристикой условий работы РЭС. На поверхности космического аппарата в негерметизированных блоках аппаратуры и отсеках изделия за счет испарения материалов конструкций давление будет существенно выше давления среды, окружающей изделие (порядка 10-7 ... 10-2Па). Тепловое воздействие вакуума проявляется в снижении теплоотвода от энерговыделяющих изделий из-за полного отсутствия конвективного теплообмена и резкого падения теплопроводности газа. Поэтому учет теплового воздействия вакуума на РЭС сводится к определению зависимости допустимых рассеиваемых изделиями мощностей от давления. Глубокий вакуум оказывает сильное воздействие на трущиеся и контактирующие поверхности, приводя к эффектам сухого трения и холодной сварки. Кроме того, в процессе изменения давления от нормального атмосферного до глубокого вакуума между электродами изделий, находящихся под напряжением 100 В и более, могут наблюдаться такие явления, как электрический пробой, коронный и тлеющий разряды, которые приводят к нарушению работоспособности РЭС. Проявление указанных электрических эффектов наиболее вероятно в области давлений от 10-4 ~ до 10-1Па.

Основным источником лучистой энергии космического пространства — лучистых тепловых потоков — является Солнце. В состав прямого солнечного излучения входит и электромагнитное излучение Солнца с длиной волны короче 0,3 мкм, называемое ультрафиолетовым излучением. Под действием ультрафиолетового излучения могут меняться свойства оптики и терморегулирующих покрытий, свойства красителей и органических материалов, поверхностная электропроводность и т.д. Ультрафиолетовое излучение проникает в большинстве материалов на глубину нескольких ангстрем, поэтому все повреждения ограничиваются лишь поверхностным слоем.

Невесомость как фактор космического пространства имеет место при свободном орбитальном полете КА и является средством уравновешивания силы гравитации силами инерции. Невесомость, воздействующая на РЭС, рассматривается только как фактор, оказывающий влияние на тепловой режим изделий. В этом смысле невесомость следует учитывать для РЭС, размещаемой в герметизированных отсеках КА. Тепловое воздействие невесомости так же, как и вакуума, характеризуется отсутствием конвективной составляющей теплоотдачи от энерговыделяющих изделий. Использование для охлаждения принудительной циркуляции газа в условиях орбитального полета практически устраняет эффект воздействия невесомости. Однако если при этом име-

359