Глава 10. Влагозащита и герметизация рэс.
В предлагаемой главе рассматриваются основные вопросы теории и практики обеспечения защищенности конструкций РЭС при воздействии влаги, которая является одним из наиболее агрессивных факторов окружающей среды. С этой целью в данном разделе кратко анализируются механизм и последствия влияния влаги на конструкции РЭС, разбираются методы защищенности и их конструктивная реализация, даются сравнительные характеристики различных способов защиты.
10.1. Влияние влаги на конструкцию рэс.
Общие сведения о воздействии влаги на конструкцию РЭС и последствиях этого воздействия уже были указаны в главе 4. Сейчас подробнее рассмотрим отличия указанного воздействия на различные материалы используемые в конструкциях РЭС.
Известно, что влияние влаги на РЭС выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потери механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности и т.п. у конструкционных материалов и материалов активных элементов. Изменение свойств материалов элементов Г конструкции S приводит к изменению свойств самих элементов Г, а затем – к изменению свойств системы S. В результате возникает ухудшение качества, снижение эффективности, параметрические и внезапные отказы РЭС.
Коротко остановимся на механизме и последствиях воздействия влаги на различные материалы.
Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина во всех случаях одинакова: переход коррозирующего металла в более стабильное первоначальное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии. 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, что практически не имеет места. Поэтому при эксплуатации РЭС наиболее часто происходит именно электрохимическое растворение металла с возникновением новых соединений с участием в качестве электролита воды.
Различают три вида коррозии:
равномерная - процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла;
неравномерная – процесс ограничивается отдельными локальными областями на поверхности металла, например, вследствие нарушения защитного покрытия;
межкристаллическая – характеризуется проникновением влаги в глубь металла за счет разрыва структуры и распространения вдоль границ кристаллов.
Способность металлов противостоять воздействию на них влаги называется коррозийной стойкостью.
Рассмотрим коррозийную стойкость некоторых основных металлов используемых в конструкциях РЭС.
Алюминий (Al) и его сплавы. Стойкий металл за счет образования на его поверхности защитной пассивирующей пленки толщиной 0,01-0,02 мкм. Сплавы Al с магнием и марганцем еще более устойчивы и применяются даже при воздействии на них морской воды.
Медь (Сu). Имеет тоже защитный слой, но значительно меньшей прочности. Сплавы Al с другими металлами более стойки, чем сплавы Сu . Пара металлов Al - Cu в конструкциях недопустима из-за возникающей коррозии Al.
Cталь. Свойства определяются химическим составом и другими факторами. Добавки меди и хрома улучшают антикоррозийные свойства стали. При хроме больше 12% в составе получают нержавеющую сталь.
Сплавы олова и свинца. Такого рода сплавы широко используются в конструкциях РЭС в качестве припоев. Эти сплавы обладают средней коррозийной стойкостью и со временем покрываются неэлектропроводным слоем.
Типовые результаты воздействия влаги на металлические конструкции РЭС проявляются в разрушении паяных и сварных швов, обрыве электрических связей, повышении сопротивлений контактных пар, уменьшении прочности элементов конструкций, затруднениях при разборке винтовых и других соединений и т.д.
Воздействие влаги на изоляционные материалы конструкций РЭС проявляется в поглощении влаги, приводящей к ухудшению диэлектрических свойств материалов и постепенному их разрушению.
Так как влага имеет высокую проникающую способность (размер молекулы воды 25 нм), высокую химическую активность и электропроводность, очевидна опасность этого явления для диэлектрических материалов.
Различают капиллярное и диффузионое проникновение влаги.
Капиллярное проникновение объясняется наличием грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов в материале. Устранение капиллярного проникновения происходит в конструкциях РЭС за счет соответствующих технологических мер.
Диффузное проникновение влаги заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. Именно диффузное проникновение важно для материалов РЭС, поскольку с ним труднее бороться.
В результате проникновения влаги в органические диэлектрические материалы возрастают диэлектрическая проницаемость( ) и потери (tg ), уменьшаются объемное сопротивление, электрическая и механическая прочность, изменяются геометрические размеры вследствии набухания и т.д.
Наиболее чувствительны к воздействию влаги полупроводниковые материалы, в частности, элементы и структуры интегральных схем: Влага на поверхности тонкопленочных пассивных элементов может привести к образованию коррозии, закорачивающих перемычек, увеличению диэлектрической проницаемости, потерям и утечкам в диэлектриках. Влага на поверхностях полупроводниковых бескорпусных компонентов ИС может привести к сорбции влаги поверхностью, скоплению положительных зарядов Na+ на границе Si-SiO2 , образованию слоя накопления зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов.
В результате воздействия влаги на материалы элементов конструкций РЭС происходят существенные изменения в свойствах самих элементов.
Резисторы:- постепенное изменение номинального значения величины сопротивления вплоть до обрыва или короткого замыкания;
увеличение уровня шума.
Конденсаторы: - увеличение сопротивления в цепи обкладок или даже обрыв;
увеличение емкости, потерь и утечек;
появление коротких замыканий обкладок;
уменьшение пробивного напряжения.
Полупроводниковые компоненты: - биполярные характеризуются дрейфом обратных токов, пробивных напряжений и коэффициентов усиления;
- МДП-транзисторы приобретают дрейф порогового напряжения, тока стока и крутизны.
Другие элементы:
- катушки индуктивности характеризуются уменьшением добротности, увеличением собственной емкости и потерь;
- электромонтаж сопровождается уменьшением сопротивления изоляции, повышением уровня перекрестных помех, ростом переходных сопротивлений разъемов и т.д.
10.2. Обеспечение влагозащиты РЭС.
10.2.1. Принципы и способы обеспечения влагозащиты РЭС.
Сказанное выше о характере и последствиях воздействия влаги на конструкцию РЭС заставляет обращать серьезное внимание на построение систем защиты РЭС от указанного воздействия.
Основная цель защиты состоит в обеспечении работоспособности отдельных элементов, узлов и изделий в целом в процессе производства, эксплуатации и хранения в течении заданного периода времени и заданных условий.
Физический смысл защиты - стабилизация процессов на поверхности и в объеме материала защищаемого изделия, т.е. стабилизация его параметров в заданных пределах при изменении свойств окружающей среды или при переходе ее из одного равновесного состояния в другое. Необходимо учитывать еще и то, что защита от влаги в большинстве случаев обеспечивает и другие виды защит от климатических факторов.
Исходя из общих соображений обеспечение защищенности состоит в построении такой системы S защиты, S={ П, Г, , Е },которая при использовании определенных принципов П с помощью множества элементов Г, объединенных по нужной схеме и определенных параметрах Е обеспечит необходимый для защиты вариант конструкции РЭС.
Из множества принципов П реально для защиты от влаги использовать следующие:
р1 – принцип изоляции защищаемого объекта от влаги;
р2 – принцип повышения устойчивости объекта к влаге и комбинации их.
Очевидно, что реализация принципа изоляции р1требует наличия специального дополнительного элемента конструкции-оболочки. Второй принцип р2 не требует обязательных дополнительных элементов, хотя и не исключает их. Реализация принципа р2 возможна как за счет применения стойких к влаге материалов и их соответствующей технологической обработке, так и за счет поглощения влаги попавшей в объект специальными дополнительными элементами- поглотителями.