Семестр7 / Надійність та діагностика електрообладнання / Матеріали / ЛЕКЦІЯ 13

ЛЕКЦІЯ №13

НАДІЙНІСТЬ СИСТЕМ З УРАХУВАННЯМ ФАКТОРІВ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ

Бабкін Георгій Володимирович

georgii.babkin@nuos.edu.ua

До основних факторів, які впливають на надійність апаратури, відносяться теплові поля, вологість навколишнього середовища, механічні дії, сонячна радіація, режими роботи.

Всі фактори можна розділити на конструктивні, виробничі і експлуатаційні.

Конструктивні та виробничі фактори впливають на надійність в процесі проектування і виготовлення. До них відносяться вибір схемних і конструктивних рішень, технологія виробництва, вибір елементів і режимів роботи, вхідний контроль комплектуючих елементів.

Експлуатаційні фактори проявляються поза сферою проектування і виробництва. За характером впливу на об'єкт їх можна поділити на об'єктивні деградаційні фактори, обумовлені природними процесами старіння, зносу, корозії, втоми, і суб'єктивні чинники, зумовлені недотриманням або порушенням правил технічної експлуатації обслуговуючим персоналом. Об'єктивні чинники можуть бути зовнішніми і внутрішніми.

Розглянемо зовнішні впливи, які впливають на надійність обладнання, побудованих з використанням напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем.

Механічні дії. В процесі експлуатації радіоелектронна апаратура піддається динамічним впливам: вібраціям і ударам. Ці дії передаються на елементи, викликаючи порушення нормального режиму роботи і їх механічні пошкодження.

Під дією механічних навантажень в елементах конструкції приладів виникають динамічні і статичні деформації, що супроводжуються складними коливальними процесами, так як корпусні і активні елементи приладу є свого роду коливальну систему, що складається з блоку, стрижнів з різними видами кріплень решт, навантажених зосередженої і розподіленої масою.

Для елементів конструкції найбільш небезпечними є вібрації з частотою 15-150 Гц і 175-500 Гц. Першому частотного діапазону відповідають викликають резонансні явища в елементах конструкції, другого – резонансні коливання електричних елементів.

У разі ударно-вібраційних навантажень механічний вплив на прилад передається елементам його конструкції через області кріплення в апаратурі. З іншого боку, елементи конструкції в місцях кріплення приладів служать свого роду демпфірувальними пристроями, що ослабляють вплив джерела вібрації на інші конструктивні елементи приладу.

Конструктивні елементи приладу по-різному реагують на механічні дії. Наприклад, реакція корпусу електронного приладу і внутрішньої арматури обумовлена їх деформацією за рахунок вібрацій і проявляється у вигляді:

– деградації конструкції елементів внутрішньої арматури (за рахунок втомного руйнування, відшарування);

– деформації струмопровідних елементів на поверхні напівпровідникового кристала, відшаровування і обриву провідників;

– деформації перехідного шару між активним елементом і основою, відриву кристала від крісталлодержателя;

– деградації активного елементу приладу, розтріскування і руйнування кристала.

Для запобігання механічних перевантажень апаратурні блоки розміщують в місцях з найменшими перевантаженнями і, крім того, застосовують різного роду амортизаційні пристрої.

Кліматичні впливи і агресивні середовища. Кліматичні чинники, такі як вологість, високі і низькі температури, сонячна радіація, в комплексі характеризують навколишнє середовище, в якій експлуатується обладнання.

Наявність високого вмісту солі в атмосфері в поєднанні з високою відносною вологістю і високою температурою створює виключно сприятливі умови для інтенсивної корозії металів.

Вплив коливань температури. Вплив коливань температури на прилади обумовлено сезонними і добовими змінами температури навколишнього середовища. Зовнішні температурні фактори можуть діяти як самостійно при зберіганні обладнання, так і в поєднанні з власним тепловим режимом обладнання.

Реакція напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем на стаціонарний тепловий вплив пов'язана з температурною залежністю їх електричних параметрів. Якщо режими роботи приладів обрані правильно, грамотно сконструйована апаратура, то зміни електричних параметрів приладів при температурному впливі будуть перебувати в допустимих межах, не викликаючи відмов апаратури. Разом з тим тривала експлуатація приладів при підвищених температурах призводить до старіння вихідних конструктивних матеріалів.

Під час тривалої експлуатації при високих робочих температурах багато сучасних матеріалів, виконані на органічній основі, скло і кераміка зазнають структурні зміни. У сплавів з високим електричним опором завжди нелінійно змінюється провідність, при високих температурах стає нелінійним коефіцієнт температурного розширення, діелектричні втрати і діелектрична проникність матеріалів з підвищенням температури, як правило, збільшуються.

Зміна температурного режиму обладнання, обумовлене як надходженням тепла ззовні, так і виділенням його термоактивні елементами всередині блоку, сприяє збільшенню крихкості металевих і пластмасових конструкцій обладнання, зниження їх стійкості до вібраційних ударних впливів.

Вплив вологості. Іншим фактором, що визначає кліматичні умови роботи апаратури, є вологість навколишнього середовища. Вплив вологості на напівпровідникові прилади і інтегральні мікросхеми пов'язано з адсорбцією води, що міститься в навколишній атмосфері, на поверхні корпусу і висновків приладу. Волога в атмосфері міститься в пароподібному стані і у вигляді розчинів солей і кислот. Осідаючи на поверхні корпусів приладів, вона утворює плівку електроліту. Протікають при цьому хімічні реакції прискорюються під впливом світла і електричних полів. Корозія металевих елементів корпусів приладів призводить до зниження їх механічної міцності. Об'ємна корозія, пов'язана з проникненням вологи в пори і мікротріщини, призводить до порушення герметичності корпусів приладів.

Морська вода є досить активним хімічною сполукою. Вона легко взаємодіє з рідинами, газами, твердими речовинами. Це активний каталізатор, тому багато хімічних реакцій істотно прискорюються в присутності навіть незначної кількості води.

Інтенсивність фізичних і хімічних процесів, що обумовлюють вплив вологи на прилади, пов'язана не тільки з активністю морської води як розчинника і каталізатора, але і з її здатністю змочувати ті чи інші матеріали і проникати в них. З підвищенням температури здатність води до змочування поверхні і проникненню в пори матеріалів, в мікротріщини в місцях спаїв різнорідних матеріалів збільшується. При підвищенні температури від 20 до 80 ° С в'язкість води зменшується.

Слід зазначити, що розглянуті вище фактори діють, як правило, в комплексі, підсилюючи один одного і надаючи несприятливий вплив на надійність апаратури, викликаючи певного виду відмови того чи іншого механізму.

Зовнішні фактори в поєднанні з електричними і тепловими режимами роботи приладів одночасно впливають на всі елементи апаратури, прискорюючи в них деградаційні процеси. Вірогідні випадки, коли швидше виходять з ладу або змінюють свої параметри такі елементи, як резистори, конденсатори, провідники і ізоляційні покриття. Вихід з ладу або значна зміна електрофізичних параметрів цих елементів може порушити режим харчування напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем або привести до відмов цих приладів.

Вплив біологічного середовища і пилу. В умовах підвищеної вологості значну небезпеку для приладів представляють цвілеві грибки, що володіють виключно високою здатністю до розмноження. Грибкові освіти, розвиваючись на корпусних деталях приладів, виділяють лимонну, оцтову і / або щавлеву кислоти, інші біологічно активні сполуки.

Цвілеві грибки вражають навіть такі матеріали, як скло, яке не є для них живильним середовищем. Під дією біологічно активних речовин, що виділяються грибками, змінюються електричні характеристики герметизирующих пластмас, підвищується їх крихкість, різко зростає влагопроницаемость. Під дією виділяються грибками кислот і лугів активізується корозія корпусних деталей і висновків приладів. Активність цвілевих грибків значно зростає при підвищених температурах і вологості, а також під впливом сонячної радіації.

Істотний вплив на стан обладнання надають солі, що містяться в атмосфері (соляний туман) і морській воді. Процеси, які відбуваються в приладах в умовах соляного туману, є різновидом атмосферної корозії, має електрохімічний механізм.

Вміщені в атмосферному повітрі частинки пилу, осідаючи на металевих деталях приладів, можуть стати причиною їх відмов. У пилу різних матеріалів містяться вуглекислі, хлористі і сірчанокислий солі та інші сполуки, які осідають на поверхнях приладів і, поглинаючи вологу з навколишнього повітря, прискорюють корозію металевих деталей. Крім корозії, зволожений наліт пилу на поверхні приладів може викликати поверхневі струми витоку і пробою повітряного проміжку між висновками корпусу, що знаходяться під напругою. На лакофарбових покриттях корпусів зволожена пил викликає повільну хімічну реакцію, що призводить до втрати ізоляційних властивостей покриттів.

На роботу обладнання істотний вплив роблять сонячна радіація, електромагнітні та радіаційні випромінювання. Довгохвильова частина спектра сонячного випромінювання призводить до нагрівання блоків, а короткохвильова надає фотохімічні вплив, викликаючи старіння матеріалів, втрату пружності, прозорості і кольору. Потужні електромагнітні випромінювання можуть призвести до порушення електромагнітної сумісності обладнання та перевантажень вхідних каскадів приймальних пристроїв. Радіаційне випромінювання особливо небезпечно для апаратури, виконаної на напівпровідникових приладах та інтегральних схемах, так як призводить до зміни їх характеристик.

Збільшення кількості одночасно функціонуючих радіотехнічних засобів призводить до виникнення так званих взаємних перешкод. Можливість одночасної роботи радіотехнічних засобів без погіршення їх функціонування через електромагнітних випромінювань називається електромагнітною сумісністю. Вона досягається шляхом неухильного дотримання норм і правил для забезпечення ефективного використання радіочастотного ресурсу (радіочастотного спектру) і проведенням ряду спеціальних технічних заходів, зокрема поліпшенням технічних характеристик обладнання.

Вимоги до радіотехнічним системам і правила їх використання викладені в міжнародних і національних нормативно-технічних документах.