5.3. Старение полимерных материалов

Физико-механические свойства полимеров  предел прочности при растяжении, сопротивление пластической деформации, температура размягчения, эластичность и др.  определяются их химическим составом и структурой  областями кристаллического и аморфного строения, формой и степенью подвижности цепей, величиной и характером сил, действующих между цепями. Старением полимеров (и пластических масс на их основе) называют зависящее от времени изменение их свойств в условиях хранения или эксплуатации. Старение технических полимерных материалов обусловлено в основном процессами, приводящими к деструкции полимеров, т. е. к распаду основных цепей макромолекул на осколки более простого строения, или к изменению строения макромолекул и взаимодействию между ними. Процессы деструкции, имеющие непосредственное техническое значение, могут происходить под влиянием физических (тепло, свет) или химических (кислород, вода) факторов. Таким образом, все процессы (реакции) деструкции можно разделить на следующие четыре группы, различающиеся механизмом и кинетикой:

1. реакции, индуцированные физическими факторами, протекающие

32

а) с разрывом цепи;

б) без разрыва цепи;

2. реакции, индуцированные химическими агентами, протекающие

а) с разрывом цепи;

б) без разрыва цепи.

При старении пластических материалов могут изменяться структура, мо-

лекулярный вес, химический состав, взаимодействие макромолекул, определяющие физико-механические свойства этих материалов. Происходящее часто при старении в результате деструкции уменьшение длины цепи и молекулярного веса полимеров существенно ухудшает их механические свойства: снижает прочность при растяжении, увеличивает хрупкость при низких температурах, снижает стойкость к истиранию. В результате процессов структурирования повышаются нерастворимость полимеров, их твердость и прочность; при этом увеличивается хрупкость и снижаются пластичность и эластичность. При длительной выдержке полимера в условиях постоянной достаточно высокой температуры его прочность может сначала уменьшиться вследствие деструкции цепи, а затем вновь увеличиться благодаря структурированию. В конце концов прочность понижается в результате полного разложения полимера.

5.4. Старение полупроводников и полупроводниковых приборов

Возникновение отказов и ухудшение работоспособности полупроводниковых приборов при эксплуатации связано во многих случаях с их старением, т. е. зависящим от времени изменением свойств, которое проявляется в деградации, дрейфе основных параметров и характеристик приборов: увеличении обратного тока диодов и неуправляемых обратных токов коллекторного и эмиттерного переходов транзисторов, дрейфе коэффициентов передачи тока транзисторов, снижении пробивных напряжений (pn)-переходов, уменьшении пикового тока туннельных диодов и т. д. Процессы старения приводят к отклонению вольт-амперной характеристики (pn)-перехода прибора от нормальной.

Ухудшение со временем параметров и характеристик полупроводниковых приборов обусловлено физико-химическими процессами в полупроводниках, механизм которых определяется главным образом двумя их особен-ностями:

высокой чувствительностью поверхности полупроводников с (pn)-пере-

33

ходами как к физическим условиям, так и к химической природе окружающей среды;

высокой чувствительностью свойств полупроводников к примесям, неоднородностям и дефектам структуры полупроводников.

Процессы, вызывающие изменения параметров и характеристик прибо-

ров, в значительной степени зависят от внешних условий и режимов работы: окружающей температуры, влажности, давления, состава окружающей газовой среды, механических нагрузок, рассеиваемой мощности, вида электрической

нагрузки, длительности работы и других факторов. Характер влияния ряда внешних воздействий указан в табл. 2 [3]. Во всех случаях окружающая температура и рассеиваемая мощность в наибольшей степени ускоряют процессы изменения параметров, определяющих отказы. Значительная зависимость параметров от температуры является принципиальной особенностью полупроводниковых приборов, связанной с физическими свойствами полупроводников.

Т а б л и ц а 2

Влияние некоторых внешних воздействий

на полупроводниковые приборы

Вид внешнего воздействия	Основные вызванные или ускоренные процессы	Типичные дефекты
1	2	3
Повышенная температура	Высыхание защитных покрытий и их деформация Выделение газов Растрескивание кристаллов Миграция захваченных примесей, влаги и газов Изменение электрических характеристик Увеличение размеров	Снижение предельно допустимых напряжений (пробой переходов) Ухудшение электрических характеристик Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания
Пониженная температура	Конденсация влаги Растрескивание кристаллов Изменение электрических характеристик Сокращение размеров	Пробой переходов Ухудшение электрических характеристик Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания

34

О к о н ч а н и е т а б л. 2

1	2	3
Повышенная относительная влажность	Адсорбция и абсорбция влаги Химические реакции с влагой Электролиз Коррозия	Ухудшение электрических характеристик Появление нестабильности Коррозия выводов и корпуса Повреждение лакокрасочных покрытий
Резкие неоднократные изменения температуры	Механические напряжения в местах спая Растрескивание кристаллов Растрескивание и деформация покрытий Изменение размеров	Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания Ухудшение электрических характеристик
Пониженное давление	Ухудшение теплопередачи Уменьшение пробивного напряжения	Перегрев Наружный пробой между выводами или между выводами и корпусом
Механические воздействия (вибрация, удары, ускорения)	Механические напряжения, усталость	Обрывы и короткие замыкания Потеря герметичности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что надежность технических систем напрямую связана с физико-химическими свойствами конструкционных

материалов.

К общим физическим моделям отказов и процессов их возникновения относятся:

 деформация и механическое разрушение различных материалов элементов (деталей);

 электрическое разрушение (нарушение электрической прочности, электрический пробой) диэлектрических материалов;

35

 тепловое разрушение (нарушение тепловой устойчивости, перегорание,

расплавление и т. п.) элементов;

 электрохимическая коррозия;

 электротермическая эрозия;

 истирание (изнашивание) поверхностей деталей;

 сцепление (схватывание) поверхностей соприкасающихся деталей;

 загрязнение поверхности и материала элементов и многие другие.

Возникновение отказов зарождается в результате протекания физико-химических процессов, подверженных множеству случайных факторов. Знание и прогнозирование протекания этих процессов позволят повысить надежность технических систем.

Библиографический список

1. М е л а м е д о в И. М. Физические основы надежности. Л.: Энергия, 1970. 152 с.

2. Ж у р к о в С. Н., Б е х т и н В. И., П е т р о в А. И. Температурно-временная зависимость прочности металлов и сплавов в неравновесном состоянии// Физика металлов и металловедение. 1967. Вып. 1,2. 98 с.

3. Транзисторы: параметры, методы измерений и испытаний/ Под ред. И. Г. Б е р г е н с о н а. М.: Советское радио, 1968. 129 с.

ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич,

ОВЧАРЕНКО Сергей Михайлович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ

Конспект лекций

_________________________

Редактор Н. А. Майорова

* * *

Лицензия ИД № 01094 от 28.02.2000.

Подписано в печать . . . Формат 6084 .

Плоская печать. Бумага газетная.

Усл.-печ. л. 2,3. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж 230 экз.

Заказ .

* *

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*