Глава 5 влагозащита и герметизация рэс

5.1. Механизмы проникновения влаги

Проблемы влагозащиты и герметизации РЭС возникают, когда предполагается их длительная эксплуатация в условиях повышенной влажности окружающей среды. Эти условия оговариваются в техническом задании наряду с другими эксплуатационными требованиями, и тогда они являются исходными при выполнении проектных исследований и разработке мероприятий по влагозащите и герметизации РЭС.

Условия эксплуатации РЭС характеризуют следующие климатические параметры:

-максимальная, минимальная температуры окружающей среды,

-максимальная относительная влажность воздуха при определенной температуре.

В условиях этих климатичес­ких воздействий РЭС должны сохранять работоспособность в течение заданного времени. Аналогичные параметры задаются и для режима хранения РЭС.

Как известно, в атмосферном воздухе присутствует некоторое количество водяного пара (около 2,3 %), парциальное давление которого р_вп не может превышать некоторого определенного (зависящего от температуры) значения, т.е. давления насыщенного водяного пара р_в,_п._нас. При этом в заданном объеме V воздуха при заданной температуре может содержаться абсолютное М и максимальное М_mах количество водяного пара. Следовательно, абсолютную и максимальную влажность воздуха можно записать соответственно в виде

f= М/V, f_max⁼ М_max/V

Отношение f /f_max= φ

выраженное в процентах, называют относительной влажностью воздуха.

Температуру влажного воздуха, при охлаждении до которой происходит конденсация влаги, т.е. переход ее в капельно-жидкое состояние, называют температурой точки росы.

Воздействие паров воды на элементы и несущие конструкции РЭС определяется сорбционными процессами, т.е. поверхностным и объемным поглощением влаги, находящейся в парообразном или капельно-жидком состоянии. Изменения при этом структуры и параметров поглощающих материалов связаны с особенностями строения молекул воды.

Прежде всего, вода является сильно полярным веществом (ε = 80) с высокой электрической проводимостью (р = 10⁵ Ом-см), обусловленной наличием в ней примесей ионного типа.

Кроме тоro, вода — химически активное вещество, взаимодействующее с другими веществами с образованием растворов солей, кислот, щелочей и способное вызвать гидролитическую деструкцию поглощающих органических и неорганических материалов. Особой агрессивностью обладает морская вода, содержащая в растворенном виде многие металлы, вызывающие электрохимическую коррозию материалов. Без специальных мер защиты воздействие влаги может оказать существенное влияние на целость конструкции и параметры ЭРК.

В моточных изделиях (рис. 5.1, а) влага, проникая через выводы в межобмоточную и межслойную изоляцию, способствует снижению ее сопротивления R_из и возрастанию tg δ , увеличивая при этом вероятность теплового пробоя.

В коммутационных устройствах (рис. 5.1, б) влага, проникая через межконтактные капиллярные и механические зазоры, способствует увеличению переходного сопротивления контактного соединения вследствие образования оксидных пленок на его поверхностях, а также изменяет требуемое усилие и четкость переключения вследствие изменения механических характеристик упругих элементов. '

В конденсаторах (рис. 5.1, в) возможны объемное увлажнение органического диэлектрика и поверхностное увлажнение неорганического диэлектрика, увеличивающие их емкость и потери, а также снижающие сопротивление изоляции и значение напряжения пробоя.

Проникновение влаги в органическое связующее вещество токопроводящей композиции непроволочных резисторов (рис. 5.1, г) приводит к изменению их сопротивления.

Рис. 5.1. Пути проникновения влаги в РЭС:

а — в моточные изделия;

б — в коммутационные устройства;

в — в конденсаторы;

г — в резисторы

Для проводников, припоев и несущих металлических конструкций РЭС большую опасность представляют процессы электрохимической и электролитической коррозии металлов, т.е. растворения металлов в присутствии ионных загрязнителей в адсорбированной пленке паров воды (рис. 5.2). Ионные загрязнители — это диссоциированные ионы остатков серной, соляной и азотной кислот, присутствующих в атмосфере. Вследствие этого адсорби рованная пленка становится электролитом, в котором металлы конструкции образуют первичные гальванические пары. Аналогичные процессы могут происходить и под действием внешнего электрического поля.

Рис. 5.2. Схемы, поясняющие процессы коррозии металлов:

а — электрохимической (с образованием гальванической пары);

б — электролитической (под действием внешнего электрического поля)

В частности, разрушение проводников и припоев возможно с образованием химических соединений, из которых они были получены, например хлорного олова SnCl₄, гидрата закиси олова Sn(OH)₂ (рис. 5.2, а) или сульфата меди CuSO₄ (рис. 5.2, б).

Влияние влажной среды на параметры ЭРК может быть ослаблено за счет покрытия их поверхностей пленкой органических веществ, на проникновение влаги сквозь которую необходимо некоторое время, определяющее влагостойкость ЭРК.

Под проникновением влаги вообще понимают процесс ее поглощения (сорбции) и прохождения паров воды через слой (пленку) органического вещества в направлении падения их концентрации до наступления равенства парциальных давлений по обе стороны этого слоя.

Различают следующие сорбционные процессы:

адсорбцию — процесс поглощения паров воды из атмосферы поверхностью материала в результате адгезии (прилипания);

абсорбцию — процесс поглощения паров воды материалом вследствие диффузии или капиллярной конденсации при пониженном давлении паров воды над мениском в капилляре.

В процессе диффузии влага в фазе пара (размер молекул воды порядка 3- 10^-10 м) проникает через промежутки между молекулами пленки в направлении падения концентрации паров до состояния равенства парциальных давлений по обе ее стороны. Математическое описание диффузионных процессов применительно к идеальным газам и растворам было дано А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.

Первый закон Фика устанавливает связь между плотностью потока f молекул (атомов) диффузанта и градиентом их концентрации N в виде

F(₍х) = -D(dN/dx),

Где: D — коэффициент диффузии, м²/с, являющийся мерой скорости, с которой система способна выровнять разность концентраций при заданных условиях.

-Знак минус здесь указывает на то, что направление движения молекул обратно направлению возрастания концентрации.

Второй закон Фика устанавливает соотношение для скорости накопления молекул воды в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Согласно принципу сохранения изменение концентрации dN вещества в некотором объеме (dV = dS dx) должно быть равно потоку F его в данный объем, т.е.

dN/dt = -dF/dV= - df/dx.

Тогда для одномерного случая из первого закона Фика получим:

dN/dt= D(d²N/dx²).

Решением этого уравнения является функция

N=f(x, t).

По аналогии с процессами электро- и теплопроводности диффузионный механизм влагопоглощения можно описать через влагопроводимость D₀ органической пленки и ее геометрические раз­меры — толщину h и площадь S. Тогда выражение для массы т влаги, поглощаемой в единицу времени, при разности парциальных давлений р₁ - р₂ будет иметь вид

m/t = D₀ S(p₁ – p₂)/h.

Это уравнение позволяет рассчитывать параметры влагопоглощающих цепей. Значения D₀ для различных органических веществ лежат в пределах 10^-14... 10-¹⁵ кг/(м-с-Па).

В процессе капиллярной конденсации (рис. 5.3, а) влага проникает через пленку органического вещества в капельно-жидком состоянии по крупным порам и капиллярным путям. Скорость проникновения влаги зависит от разности парциальных давлений р₁ и р₂ водяного пара по обе стороны пленки, сопротивления R_K капилляра (R_K ~ l_k/r_к⁴, где l_k , r_к — длина и радиус капилляра), гидростатического давления в капилляре, обусловленного состоянием поверхности жидкости в нем (формы мениска), и дифференциального давления, обусловленного разностью температур стенок пленки.

По характеру поверхностного взаимодействия с жидкостью (смачивания) различают гидрофильные и гидрофобные твердые тела, отличающиеся значением краевого угла ψ, образуемого поверх ностью тела и касательной в точке пересечения ее с мениском.

К гидрофильным материалам относят многие металлы, жиры, графит, сульфиды, полимеры, а к гидрофобным — силикаты, сульфаты, кварц

За меру смачивания принимают cos ψ = (σ ₁₃ - σ₂₃)/ σ₁₂,

где: - σ₁₂, σ₁₃, σ₂₃ — натяжения поверхностей раздела компонентов, образующих мениск, Н/м. Тогда у гидрофильных поверхностей (см. рис. 5.3 б угол

. ψ < π /2, а у гидрофобных (рис. 5.3, в) — угол ψ > π /2.

Рис. 5.3. Схемы капиллярного проникновения влаги:

а — структура органического вещества;

б — гидрофильный капилляр;

в — гидрофобный капилляр; 1 — пар; 2 — жидкость; 3 — твердое тело

.

Кроме того, искривление поверхностного слоя жидкости приводит к появлению дополнительного давления на нее, зависящего от радиуса R кривизны поверхности и поверхностного натяжения σ=∆A/∆S, где ∆А - работа, требуемая для увеличения площади поверхности S жидкости на значение S. По закону Лапласа давление под искривленной сферической поверхностью р = ± σ /R (где «плюс» — для выпуклого мениска, «минус» — для вогнутого).

Таким образом, дополнительное давление, возникающее под искривленной поверхностью вогнутого мениска, способствует продвижению капель влаги за пленку, однако если r_к < 10 мкм, то его сопротивление резко возрастает и действие капиллярного механизма проникновения влаги ослабляется. Тем не менее влага может проникать дальше, но уже в фазе пара, испаряющегося с поверхности мениска.