2.3. Защита конструкций эс от воздействия влаги

Влияние влаги на эффективность и качество конструкции. От прямого воздействия влаги ЭС, как правило, не защищены и не должны эксплуатироваться в этих условиях. Однако на работающую аппара­туру воздействуют пары влаги окружающего воздуха или какой-либо иной газовой среды, в которой эксплуатируется аппаратура. В техническом зада­нии на разработку всегда указывается относительная влажность воздуха. Нормальной влажностью считается относительная влажность 60...75 % при температуре 20.. .25 °С [5].

Возможна конденсация водяных паров на холодных поверхностях конструкции как внутри аппаратуры, так и снаружи. Выпадение росы (кон­денсация) вызывается понижением температуры, которое практически все­гда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры. На­пример, если в течение дня влажность внутри ЭС составляла 70, 50 и 35 %, то точка росы оказывается соответственно на 5, 10 и 15 °С ниже температур, которые имели место днем внутри ЭС.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приве­дением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на хо­лодных элементах конструкции. В результате движения потоков воздуха влага будет осаждаться на одних и тех же местах. Капли конденсата будут стекаться в поддон конструкции и собираться в местах «ловушек влаги». В результате аппаратура будет находиться под постоянным воздействием влаги.

При длительном воздействии высокой влажности металлические кон­струкции подвергаются коррозии, органические материалы — набуханию и гидролизу. Продуктом гидролиза являются органические кислоты, разру­шающие органические материалы и вызывающие интенсивную коррозию металлических несущих конструкций. Наличие во влажной атмосфере про­мышленных газов и пыли приводит к прогрессирующей коррозии. В резуль­тате создания благоприятных условий для образования плесени воздействие влаги может многократно усилиться.

Хотя параметры аппаратуры при этом не изменяются, однако корро­зия недопустима, поскольку ухудшает внешний вид изделия, а с течением времени рыхлая окисная пленка может оказаться в гнездовых контактах со­единителей, что приводит к трудно устранимым отказам.

Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электро-химическую природу, но причина во всех случаях одинакова: переход коррозирующего металла в более стабильное первоначальное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии [12]. Процесс коррозии всегда связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, т. е. без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии растворение металла (возникновение новых соединений) происходит с участием электро-лита, т. е. воды.

Различают три вида коррозии: равномерную, неравномерную, меж-кристаллическую.

При равномерной коррозии процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла.

Неравномерная коррозия ограничивается отдельными местами и возникает, например, вследствие нарушения защитного покрытия.

Коррозия межкристаллическая характеризуется проникновением в глубь металла путем разрыва структуры и распространением вдоль границ кристалл-лов.

Коррозия протекает более интенсивно при контактиро­вании материалов с существенно различными электрохимическими потен­циалами. Металл с отрицательным потенциалом гальванической пары будет разрушаться и тем быстрее, чем больше разница их электрохимических по­тенциалов. Электро-химические потенциалы металлов в пресной и морской воде представлены в табл. 25.

Таблица 25

Электрохимические потенциалы металлов

Пресная вода		Морская вода
Металл	Потенциал, мВ	Металл	Потенциал, мВ
Серебро	+194	Серебро	+149
Медь	+140	Никель	+46
Никель	+118	Медь	+10
Алюминий	-169	Свинец	-259
Олово	-175	Цинк	-284
Свинец	-283	Сталь	-335
Сталь	-350	Кадмий	-519
Кадмий	-574	Алюминий	-667
Цинк	-823	Олово	-809

Существенно влияние влажности на электрические соединения. При повышенной влажности коррозируют проводники, на разъемных контактах появляются налеты, ухудшающие их качество; отказывают паяные соедине­ния, особенно если они загрязнены.

Слоистые диэлектрики, поглощая влагу, меняют параметры и харак­теристики. Образование на печатных платах водяной пленки приводит к снижению сопротивления изоляции диэлектриков, появлению токов утечки, электрическим пробоям, механическим разрушениям (поломкам, разрывам, заклиниванию) вследствие набухания-высыхания материала. Из-за погло­щения влаги значительно уменьшается электрическая прочность, что осо­бенно сказывается на работоспособности высоковольтных узлов, вызывая их возгорание. Влажность ускоряет разрушение лакокрасочных покрытий, нарушает герметизацию и целостность заливки элементов влагозащитными материалами. За 3—4 года эксплуатации при относительной влажности ни­же 20 % и температуре +30 °С полностью высыхает изоляция проводов, в результате чего она становится ломкой, меняет свойства.

Рассмотрим коррозионную стойкость важнейших металлов, приме-няемых при производстве ЭС.

Алюминий вследствие самопроизвольного образования на его поверх-ности стабильной пассивирующей защитной пленки относится к наиболее устойчивым к атмосферной коррозии металлам. Естественная оксидная пленка на его поверхности имеет толщину 0,01...0,02 мкм. Сплавы алюминия с магнием и марганцем отличаются высокой коррозионной стойкостью даже в морской атмосфере, содержащей хлориды.

Реакция меди на агрессивную атмосферу заключается в образовании защитного слоя. Однако прочность этого слоя значительно меньше, чем у алюминия, вследствие чего вероятность разрушения, например, медных проводников сравнительно большая. Сплавы меди с никелем, кремнием, оловом и другими металлами более устойчивы к коррозии и сохраняют свои свойства при воздействии влажного теплого климата, промышленной атмосферы и морского тумана.

Скорость коррозии у стали в значительной мере зависит от состава окружающей атмосферы. Повышенное содержание хлоридов, SO2 и CO2 (промышленная и морская атмосфера) значительно увеличивают скорость протекания процесса коррозии стали. На скорость коррозии стали также влияют химический состав, режим термообработки и состояние поверхности. Повышение содержания углерода в стали снижает стойкость к морскому климату; марганец и сера не изменяют коррозионной стойкости; фосфор способствует возникновению коррозии в промышленной атмосфере; медь, хром и никель повышают стойкость к коррозии. Стали с содержанием хрома более 12 % называют нержавеющими.

Сплавы олова и свинца, используемые в качестве припоев, харак-теризуются средней коррозионной стойкостью. С течением времени эти сплавы покрываются неэлектропроводным пассивным слоем, толщина которого растет со скоростью 0,43...0,69 мкм/год в промышленной атмосфере, 0,41...0,56 мкм/год на морском побережье и 0,23...0,48 мкм/год при континентальном климате.

Наличие в атмосфере кислот, щелочей, солей в большинстве случаев ускоряет процессы коррозии.

Воздействие агрессивной атмосферы на изоляционные материалы выражается в поглощении ими влаги, ухудшении диэлектрических свойств и постепенном разрушении. Изоляционных пластмасс, не поглощающих влаги, не существует. Количество проникшей влаги и время ее проникновения неодинаковы для различных материалов. Проникновение влаги в изоля-ционные материалы может быть капиллярное и диффузионное. Капиллярное проникновение имеет место в случае наличия в материале грубых микро-скопических пор, трещин и других дефектов. Так как в микроэлектронике применяют только высококачественные изоляционные материалы, то они практически свободны от таких дефектов. Поэтому в данном случае существенно большее значение имеет процесс диффузионного проникновения, который заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. При этом перемещение молекул воды происходит в сторону меньшей их концентрации. Таким образом, при повышенной влажности молекулы воды проникают внутрь материала, а в сухой теплой атмосфере – из материала. В первом случае имеет место поглощение влаги, во втором – высыхание. Количество влаги, диффундирующее за некоторый промежуток времени в изоляционный материал, может быть рассчитано на основании первого закона Фика:

, (23)

где m – диффундирующая масса; t – истекшее время; D – постоянная диффузия; F – размеры плоскости, перпендикулярной к направлению диффузии; P – парциальное давление водяных паров, x – текущий путь диффузии.

Поглощение влаги диэлектриком ведет к уменьшению его сопротивления изоляции, увеличению диэлектрических потерь, набуханию, механическим повреждениям. В табл. 26 приведены значения влагопоглощения в процентах некоторых диэлектриков, применяемых при конструировании микроэлект-ронных ЭС.

Таблица 26

Влагопоглощение материалов

Материал	Влагопо- глощение, %	Материал	Влагопо- глощение, %
Пеностекло Полиамид 68 Капрон Гетинакс Стеклотекстолит	5 2,5 – 10 3,5 – 10 1 – 2,5 1,5	Текстолит Поликарбонат Пресс-порошок К-21-22 Пресс-порошок АГ-4 Полистирол	0,8 – 1,5 0,16 0,1 0,02 – 0,1 0,006

Плесневые грибки как один из сильнейших биологических факторов также могут отрицательно воздействовать на работоспособность аппаратуры. Для развития плесени необходимы большая относительная влажность воздуха (80 – 100 %) и температура 25 – 37 °С (см. [1]). Такие условия естественны для стран с тропическим влажным климатом, однако они могут возникнуть искусственно в помещениях, где эксплуатируется аппаратура. Среди материалов, применяемых в микроэлектронной аппаратуре, наибольшее воздействие плесень оказывает на те, которые имеют органическую основу. Изоляционные материалы на основе целлюлозы (прессшпан, текстолит, гетинакс и т.д.) теряют механическую прочность и электрические показатели. У прессшпана разрушение может привести к полному распаду материала. У текстолита и гетинакса наибольшему воздействию грибков подвергаются места среза. Из лаков наибольшему воздействию плесневых грибков подвергаются глифталевые, хорошей стойкостью против грибков обладают уретановые лаки.

Для борьбы с плесневыми грибками применяют три способа:

- способ 1 – использование материалов, не склонных к образованию на них плесени (применение этого метода ограничивается возможностями выбора материалов);

- способ 2 – изменение внутреннего климата в аппаратуре, имеющее цель лишить плесневые грибки благоприятной базы для развития (здесь главным образом требуется принимать меры к снижению влажности воздуха, так как саморазогрев как отдельных микросхем, так и полностью всей аппаратуры почти автоматически лишает грибки благоприятной температуры);

- способ 3 – добавление в состав лака или эмали, которыми покрывают поверхности деталей, специальных химических веществ, фунгицидов. Из таких веществ наибольшее распространение нашли пентахлорфенол (применяемая концентрация 2-5 %), оксихинолят меди (0,1-0,5 %), салициланимид (2-5 %), фенилортутные соединения (до 0,1 %).

Защита от влаги элементов и узлов ЭС. Она осуществляется соот­ветствующими материалами, покрытиями, применением усиленной венти­ляции сухим воздухом, поддерживанием внутри изделий более высокой температуры, чем температура окружающей среды, использованием погло­тителей влаги, разработкой герметичной аппаратуры.

Для защиты поверхности металлических и неметаллических материалов от агрессивной внешней среды применяют различные покрытия, которые по назначению делят на три группы: защитные, защитно-декоративные и специ-альные.

Защитные покрытия предназначены для защиты деталей от коррозии, старения, высыхания, гниения и других процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с обеспечением защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

По способу получения все покрытия разделяют на металлические и неметаллические. Металлические покрытия – покрытия, нанесенные горячим способом (гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках). Неметаллические покрытия – покрытия лаками, эмалями, грунтовками, а также противокоррозионное покрытие пластмассами.

Металлические покрытия образуют с основным материалом детали контактную пару. В зависимости от полярности потенциала различают по­крытия анодные (отрицательный потенциал покрытия по отношению к ос­новному металлу) и катодные (положительный потенциал покрытия). При коррозии могут разрушаться как основной металл детали, так и покрытие. Разрушения происходят из-за наличия пор в покрытиях; повреждений в ви­де сколов, царапин, трещин, возникающих в процессе эксплуатации, и будут тем интенсивнее, чем больше разница электрохимических потенциалов ме­жду основным металлом и покрытием. При анодном покрытии вследствие коррозии разрушается само покрытие, основной материал детали не подвер­гается разрушению. При катодном покрытии все происходит наоборот.

В качестве материалов покрытий наибольшее распространение полу­чили никель, медь, цинк, кадмий, олово и серебро. Толщина покрытия вы­бирается в зависимости от материала и способа нанесения покрытия. Для улучшения механических и защитных свойств покрытий рекомендуются к применению многослойные покрытия из разнородных материалов.

Полученное химическим способом покрытие менее прочно, чем по­крытие металлическое. Образующаяся при этом защитная пленка химически пассивна, устойчива, имеет хороший декоративный вид. Толщина покрытия обычно равна от 1...15 мкм.

Оксидирование — получение окисной пленки на стали, алюминии и его сплавах. Такое покрытие имеет хороший внешний вид, антикоррозион­ные свойства, но непрочное и микропористое. Последнее свойство покрытия позволяет его использовать как грунт под окраску.

Анодирование — декоративное покрытие алюминия и его сплавов электрохимическим способом. Защитная пленка химически устойчива, об­ладает высокими электроизоляционными свойствами, надежно защищает от коррозии, может быть окрашена.

Фосфатирование — процесс образования на стали защитной пленки с высокими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами, хоро­шей адгезией. Получаемое покрытие пористо и недостаточно прочно. Фос­фатные пленки используются как грунт под окраску.

Характеристики некоторых видов покрытий приведены в табл. 5.18 [12].

Таблица 27

Группы лакокрасочных покрытий

Лакокрасочные покрытия защищают детали от коррозии. Как недоста­ток следует отметить низкую механическую прочность и термостойкость. Этот вид покрытия применяется для окрашивания каркасов, кожухов, лице­вых панелей приборов и т. п. Качественный внешний вид изделия обеспечи­вается многослойным окрашиванием. Толщина лакокрасочного покрытия колеблется от 20 до 200 мкм. В табл. 27 приведены группы лакокрасочных покрытий и виды воздействий, которым они противостоят.

Лаковое покрытие толщиной 80...130 мкм защищает плату с компо­нентами от влажности. Недостатком лаковых покрытий является то, что они требуют высокой чистоты производственных процессов и усложняют заме­ну неисправных компонентов. При эксплуатации покрытия скалываются, ломаются, шелушатся и загрязняют контакты электрических соединителей. Пары воды, попадая под покрытия, конденсируются и уменьшают электри­ческое сопротивление между разобщенными цепями. При высыхании по­крытия образующиеся мосты из лака между рядом расположенными выво­дами компонентов передают механические напряжения на выводы и паяные соединения, вызывая короткие замыкания между рядом расположенными выводами, увеличивая вероятность отказа паяных контактов.

Защита от воздействия пыли [5]. Пыль — смесь твердых частиц малой массы, находящаяся в воздухе во взвешенном состоянии или медленно оседающая на поверхность предметов. Различают пыль естественную, образованную на поверхно­сти Земли под влиянием Солнца, вулканов и т. д., и техническую, кото­рая является следствием износа оборудования, обработки материалов, сжигания топлива и пр.

При относительной влажности воздуха выше 75 % и нормальной тем­пературе наблюдаются рост числа частиц пыли, их коагуляция; увеличивает­ся вероятность притяжения пыли к неподвижным поверхностям. При низкой влажности частицы пыли электрически заряжаются. Как правило, неметал­лическая пыль заряжается положительно, металлическая — отрицательно. Заряд частиц чаще всего возникает из-за трения.

Загрязненность воздуха пылью значительно снижает бесперебойную и надежную работу ЭС. Пыль, попадая в смазочные материалы и прилипая к скользящим поверхностям деталей электромеханических узлов, приводит к ускоренному их износу. Максимальную опасность представляют частицы величиной 1...40 мкм.

Под воздействием пыли изменяются параметры и характеристики магнитных лент, дискет, магнитных головок, царапается и приходит в не­годность магнитный слой. Пыль в зазорах контактов препятствует замыка­нию контактов реле. Эти отказы контактов возникают из-за частиц пыли размером более 50 мкм. При частом переключении реле срабатывает эффект самоочистки контактов при их искрении.

Оседающая на поверхности некоторых металлов пыль опасна из-за своей гигроскопичности, поскольку уже при относительно небольшой влажности пыль существенно повышает скорость коррозии. Пыль, имеющая в своем составе электролит, поглощает влагу из воздуха, многократно уси­ливая коррозию. Пыль с поглощенными ею растворами кислот разрушает достаточно быстро даже очень хорошие краски. В тропических странах пыль часто является причиной роста плесени.

Слежавшаяся в процессе длительной эксплуатации на поверхности компонентов пыль снижает сопротивление изоляции, особенно в услови­ях повышенной влажности, приводит к появлению токов утечек между выводами, что очень опасно для микросхем с малыми расстояниями ме­жду выводами корпусов. Диэлектрическая проницаемость пыли выше диэлектрической проницаемости воздуха, что определяет завышение ем­кости между выводами компонентов и, как следствие, увеличение емко­стных помех.

Оседающая в изделии пыль препятствует естественному движению воздуха, снижает эффективность охлаждения изделия, образует на поверх­ностях ПП, не защищенных лаковым покрытием, токопроводящие перемыч­ки между проводниками.

Пыленепроницаемость ЭС или отдельных устройств может быть достиг-нута установкой их в герметичные корпуса. Однако при этом возрастает стои-мость ЭС, ухудшается температурный режим рабо­ты. Если корпус ЭС выпол-нен с перфорациями, пыль вместе с охлаж­дающим воздухом проникает внутрь ЭС естественным путем либо при принудительном воздушном охлаждении — вместе с воздушными пото­ками от вентиляторов. Таким образом, применение корпуса с вентиляци­онными отверстиями для охлаждающего воздуха приводит к проникно­вению внутрь изделия пыли. Уменьшить попадание пыли внутрь ЭС воз­можно установкой на вентиляционные отверстия мелкоячеечных сеток, созданием внутри помещений, где эксплуатируется ЭС, соответствую­щей чис-тоты воздуха.

Влажность воздуха играет большую роль в борьбе с негативным влия­нием воздействия пыли. С повышением относительной влажности выше 70 % пыль коагулирует, не поднимается слабыми движениями потоков воз­духа и не прилипает на элементы конструкции. Поэтому рекомендуется ре­гулярное влажное протирание полов в залах вычислительных центров, при этом моющие средства не должны выделять паров, которые могут вызывать коррозию металлов.

Для устранения проникновения загрязненного воздуха из других по­мещений в машинных залах вычислительных центров создается избыточное давление в 1...1,5 мм рт. ст. Используемые в помещениях строительные, отделочные, шумопоглощающие и изоляционные материалы не должны создавать пыль. Для предотвращения попадания в помещения запыленного воздуха с улицы оконные проемы должны быть герметичными.

Герметизация. Известны способы герметизации с помощью: а) изоляционных материалов; б) непроницаемых для газов оболочек.

Защита изделий изоляционными материалами. Эта защита может производиться пропиткой, заливкой, обволакиванием и опрессовкой.

Пропитка изделий состоит в заполнении имеющихся в них каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением каналов при пропитке на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий их от воздействия агрессивной среды. Одновременно с защитными функциями пропиточный материал повышает электрическую прочность изделия, скрепляет механически его отдельные элементы, во многих случаях улучшает теплопроводность. Пропитку осуществляют погружением изделий в жидкий изоляционный материал. После извлечения изделия материал отвердевает. Процесс отвердения может происходить при нормальной температуре или с внешним подогревом. При использовании полимеризующихся пропиточных материалов необходимо применять специальные ускорители.

При выборе материалов для пропитки необходимо учитывать их нейтральность к элементам пропитываемого изделия, нетоксичность, влаго- и нагревостойкость. В табл. 5.20 [12] приведены параметры некоторых пропиточных лаков.

При герметизации заливкой все свободные полости в изделии, в том числе и пространство между элементами и корпусом, заливают электроизоляционным материалом, который после отвердения образует достаточно толстый защитный слой. Заливку изделия можно производить в его постоянном корпусе или использовать для этого специальные разъемные формы, которые после отвердения материала удаляются. Так как заливочный материал имеет большую массу, то при отвердении в нем возникают внутренние напряжения, которые в ряде случаев могут отрицательно сказаться на работоспособности аппаратуры и даже вызвать в ней обрывы проводников и поломку непрочных деталей. Поэтому для устройств, чувствительных к таким напряжениям, следует применять пластичные электроизоляционные материалы, которые, полимеризуясь, образуют упругую резинообразную массу. Обычно заливка составляет 10...20 % общего объема изделия, что существенно увеличивает его массу.

Поэтому там, где это необходимо, следует применять пенообразующие материалы, содержащие большое число несоединяющихся воздушных полостей.

Герметизация обволакиванием по технике исполнения аналогична операции пропитки, однако здесь используют вязкие изоляционные материалы, обладающие хорошей адгезией к элементам изделия. Слой материала, образующегося на поверхности деталей, сравнительно толст (от долей до нескольких миллиметров) и надежно защищает их от воздействия агрессивной среды.

Опрессовку деталей или узлов производят в специальных формах термопластичными массами. Для микроэлектронных изделий этот способ герметизации не получил большого распространения.

В качестве пропиточных, заливочных и обволакивающих материалов широкое распространение получили компаунды.

Компаундом называется композиция на основе органических (смол, битумов, масел) или неорганических (алюмофосфатов, металлометафосфатов) веществ. Герметизация компаундами улучшает элек­троизоляционные и механические характеристики модуля. Однако низкая теплопроводность большинства компаундов ухудшает отвод теплоты, огра­ничивает или делает невозможным ремонт, внутренние напряжения могут нарушить целостность деталей и электрических соединений.

Полная герметизация блоков и шкафов путем помещения в герметич­ный кожух является самым эффективным способом защиты, но и самым до­рогим. При этом возникает необходимость в разработке специальных кор­пусов, прок-ладок, способов герметизации внешних электрических соедини­телей, выходов жгутов, элементов управления и индикации. В условиях вакуума стенки герметизируемых изделий должны противостоять значи­тельным усилиям из-за разницы давлений внутри и снаружи изделия. В ре­зультате увеличения жесткости конструкции возрастает ее масса и размеры. Применение полной герметизации может потребовать введения в конструк­цию клапана-регулятора для снижения давления внутри корпуса.

Вакуумно-плотная герметизация может быть выполнена с неразъемными и разъемными швами: первую используют для защиты малогабаритных узлов и устройств, вторую – для сравнительно больших блоков, требующих профилак-тической проверки и нуждающихся в смене ее отдельных элементов. Неразъ-емные герметичные конструкции делают со швами, выполняемыми пайкой, сваркой, клепкой, заливкой, склеиванием или замазкой специальными компа-ундами (герметиками).

На рис. 100, а приведены примеры применения паяных швов для вакуумно-плотной герметизации корпусов изделий. Обычно корпуса изготав-ливают из холоднокатаной стали (0,3...0,5 мм), латуни (0,25...0,8 мм) и алюминия (0,3...0,8 мм). Наиболее простой вариант пайки I, наиболее сложный – IV. Неудачной конструкцией следует считать вариант II и в какой-то степени III, так как для них требуется точное соответствие размеров крышки и корпуса. В противном случае крышка будет либо проваливаться, либо туго входить в корпус.

Рис. 100. Герметизированные соединения

Швы, паянные мягкими припоями, допускают работу при температуре 85 °С. При большей температуре вследствие перекристаллизации припоя в швах образуются поры, и герметичность нарушается. Большие перепады температур (от -60 до +85 °С) вызывают деформацию корпуса, что также может привести к потере герметичности. Для устройств, предназначенных для работы при температуре более 85 °С, корпуса следует выполнять из стали, а пайку швов вести твердыми припоями.

Представленный на рис. 100, б вариант герметизации закаткой сложен, но при правильном выполнении весьма эффективен.

Сварные швы (рис. 100, в - д) допускают большие механические нагрузки и в ряде случаев более технологичны, чем паяные. При использовании контактного, роликового и рельефного способов электросварки (рис. 100, в) следует применять стальные листы толщиной 0,25...0,5 мм, для дуговой сварки (рис. 100, г) толщина свариваемых стальных листов должна быть не менее 1 мм. Для холодной сварки (рис. 100, д) используют только алюминий толщиной не менее 0,8 мм. Особенность герметичных сварных швов – способность выдерживать большие перепады температур (от -60 до +200 °С).

При жестких требованиях к герметичности герметизацию выполняют сваркой или пайкой (рис. 101) по всему периметру корпуса. Конструкция корпуса изделия должна допускать неоднократное выполнение операций разгерметизации/герметизации. В углубление корпуса 1 устанавливается прокладка 2 из жаростойкой резины, на которую укладывается стальная лу­женая проволока 3. Проволока по контуру изделия припаивается к корпусу, образуя шов. Свободный конец проволоки в виде отвода фиксируется в пазу на крышке 5. При разгерметизации изделия шов нагревают и припой вместе с проволокой легко удаляется. Повторную герметизацию можно осуществ­лять многократно. Резиновая прокладка предохраняет изделие от перегрева при пайке шва. Ширина прокладки на 0,2...0,3 мм больше ширины зазора между крышкой и корпусом. Диаметр проволоки должен быть меньше ши­рины зазора между крышкой и корпусом на 0,1...0,2 мм.

В разъемных герметичных конструкциях между соединяемыми деталями (корпусом и крышкой) помещают эластичную прокладку (рис. 100, е), а в герметизируемый объем – влагопоглотитель, например силикагель. Условие непроницаемости такого герметичного соединения – сохранение во все время его службы контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями.

Рис. 101. Герметизация паяным швом и проволокой: 1 - корпус; 2 - прокладка; 3 - проволока; 4 - припой; 5 - крышка

Существует большое разнообразие способов герметизации. Широко применяются упругие уплотнительные прокладки, устанавливаемые между крышкой и корпусом (рис. 102). При поджатии они уплотняют стык корпу­са с крышкой. Утечка газа через уплотнение при сжатии прокладки на 25...30 % от ее первоначальной высоты происходит только за счет диффу­зии. Большие усилия при сжатии не рекомендуются, поскольку из-за интен­сивного старения прокладка быстро выходит из строя. Форма поперечного сечения прокладки может быть различной. Прямоугольные прокладки про­сты в изготовлении, легки в использовании, способны обеспечить воздуш­ную герметизацию габаритных изделий, но не защищают их от воздействий водяных паров. Давление между крышкой и корпусом получается низким, по­скольку прокладка легко деформируется под воздействием стяжных винтов 3.

Применяют металлические (из свинца, алюминия, красной меди) и резиновые прокладки (рис. 103). При стягивании винтами металлические прокладки деформируются, в них могут возникнуть напряжения, превы-шающие предел текучести. При использовании резиновых прокладок уплот-нение достигается действием остаточных упругих деформаций. Резиновые прокладки имеют форму сечения круглую, прямоугольную, треугольную и т. д.

При длительной эксплуатации, широком диапазоне изменений давления и незначительной деформации применяют прокладки, изображенные на рис. 103, а. Наиболее распространены прокладки, изображенные на рис. 103, б; они просты в изготовлении, выдерживают широкий диапазон давлений. Прокладка Х-образного сечения (рис. 103, в) не требует большого сжатия, используется для низких давлений.

Рис. 102. Герметизация упругой (резиновой) прокладкой: 1 - корпус; 2 -крышка; 3 - винт; 4 - прокладка

Рис. 103. Конфигурации металлических (I) и резиновых (II) прокладок

Прокладка с сечением, приведенным на рис. 103, г, применяется для принудительных уплотнений с большим сроком службы. Резинометаллические прокладки (рис. 103, д) не требуют монтажной канавки, устанавливаются между плоскостями. В агрессивных для резины средах применяют тороидальные прокладки, армированные пластмассой (рис. 103, е). В прокладку с полым сечением (рис. 103, ж) подается газ под давлением 0,28...0,35 МПа. Для уплотнения плоских фланцев с откачкой воздуха из полости между кольцами используется прокладка, показанная на рис. 103, з. Металлическая лента в прокладке (рис. 103, и) служит для защиты резины от воздействия внешней среды, например радиации.

Для прокладок круглого сечения можно использовать различные конструкции канавок, например с односторонним (рис. 104, а), угловым (рис. 104, б) и двусторонним (рис. 104, в) уплотнениями. При сжатии резиновая прокладка заполняет зазор.

Рис. 104. Конструкции уплотнений

В качестве материала прокладок используют резину, обладающую вы­сокой эластичностью, податливостью и способностью проникать в мельчайшие углубления и неровности. Большие крышки требуют высокой жест­кости и большого числа стяжных винтов с мелкой резьбой и для надежной герметизации изготавливаются на токарных станках.

Влага со временем проникает через все органические материалы, по­этому изделия с прокладками из органических материалов обеспечивают защиту от водяных паров лишь на протяжении нескольких недель.

При использовании резины в качестве прокладок следует помнить, что для этого материала характерно свойство релаксации, т. е. постепенного падения внутренних напряжений при неизменном значении деформации. Причина релаксации – замедленная перестройка молекулярной структуры деформированной резины (так, через 20 минут напряжение снижается на 14 %, через 2 суток – на 25 % и стабилизируется). При повторном обжатии релаксация меньше (всего 6 % за 20 суток). В связи с этим узел уплотнения с резиновой прокладкой следует подтягивать через 2 суток после сборки.

При эксплуатации аппаратуры в условиях сверхнизкого вакуума, больших давлений, высоких температур органические материалы применять запрещается, рекомендуется использовать металлы, керамику, стекло. Необ­ходимо помнить, что источниками влаги могут оказаться литые конструк­ции и конструкции, полученные экструзией, из-за пористости их поверхно­сти. В порах скапливаются влага, грязь, жиры и проникают в герметизируе­мые объемы. Чтобы этого не происходило, подобные конструкции в вакууме пропитывают эпоксидной смолой.

Если температура внутри герметизируемых изделий ниже темпера­туры окружающей среды, то при высокой влажности внутри изделия вла­га будет конденсироваться, вызывая отказы. Вертикальной ориентацией плат и электрических соединителей обеспечиваются естественные пути отвода влаги в поддон изделия. Чтобы с конструкции легко скатывалась влага, поверхность ее должна быть гладкой. Избежать ловушек влаги, например, в углах несущих конструкций, где горизонтально ориентированные элементы конструкции сочленяются с вертикальными, можно выполнением отверстий диаметром 5...7 мм. Влага из поддона сливается либо испаряется.

Постоянства относительной влажности в определенных пределах внутри герметичного аппарата можно добиться введением внутрь изделия веществ, активно поглощающих влагу. Подобными веществами являются силикагель, хлористый кальций, фосфорный ангидрид. Однако они впиты­вают влагу до определенного предела. Например, силикагель поглощает около 10 % влаги от своей сухой массы. При этом относительная влажность внутри аппаратуры не превышает 80 %.

В особых случаях в качестве материалов прокладок применяют медь и нержавеющую сталь с алюминиевым или индиевым покрытиями. Такие про­кладки чаще всего выполняются трубчатыми с внешним диаметром 2...3 мм при толщине стенок 0,1...0,15 мм. Усилие поджатая при герметизации ме­таллическими прокладками составляет 20...30 кг на 1 см длины прокладки. Желобок в крышке и корпусе изделия в поперечном сечении должен быть в форме эллипса. При расчете герметизации определяется усилие поджатия прокладки, затем вычисляются усилия затягивания и количество стяжных винтов.

При герметизации внутренний объем герметизируемой аппаратуры заполняется инертным газом (аргоном или азотом) с небольшим избыточ­ным давлением. Поскольку атмосфера земли в большинстве своем содержит азот, то при заполнении герметизируемого изделия сухим азотом свойства газа внутри изделия будут практически подобны свойствам воздуха. Закачка газа внутрь корпуса осуществляется через клапаны-трубки.

Рис. 105. Трубки-клапаны откачки воздуха: 1 - трубка-клапан; 2 - корпус; 3 - сварной шов; 4 - компаунд; 5 – винт

Рис. 106. Герметизация соединителя (а, б) и выхода жгута (в):

1 - соединитель; 2 - корпус; 3 - прокладка; 4 - компаунд; 5 - зажимная шайба; 6 - жгут; 7 – втулка

Входные и выходные клапаны-трубки следует размещать на противо­положных сторонах корпуса. Продувка азотом обеспечивает очистку полос­ти корпуса от водяных паров. Клапаны-трубки привариваются к корпусу или заливаются компаундом (рис. 105, а, б), затем защемляются. Защем­ленная часть трубки при разгерметизации изделия срезается и при необхо­димости повторно защемляется. Более удобна герметизация винтом 5 с ост­рой кромкой, врезающейся при заворачивании в мягкий материал трубки-клапана (рис. 105, в).

Элементы управления и индикации герметизируются резиновыми чехла-ми, мембранами; электрические соединители — установкой на про­кладки (рис. 106, а), заливкой компаундами (рис. 106, б); выходы жгутов — резиновыми зажимными шайбами (рис. 106, в).