Влагозащита радиоэлектронных средств

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 

1.Общие сведения  о влагозащите элементов и  конструкций РЭС 

1.1.Воздействие влаги  на материалы и электрорадиоэлементы 

1.2.Способы защиты  элементов и узлов РЭС 

1.3.Влагозащита компонентов  и блоков РЭС 

2.Методы определения  степени влагозащиты РЭС 

2.1.Экспериментальные  методы определения герметичности 

2.2.Оценочные расчеты  степени герметичности блока  РЭС 

2.3.Расчет времени  влагозащиты гермооболочки РЭС 

Список литературы 
 

Введение 

Надежная работа радиоэлектронных средств (РЭС) в условиях повышенной влажности обеспечивается на стадии их проектирования использованием влагоустойчивых электрорадиоэлементов, материалов, покрытий и специальных конструкторско-технологических приемов. Если при конструировании РЭС не предприняты специальные меры, то воздействие повышенной влажности будет сильно влиять на параметры РЭС или даже приводить к полному выходу ее из строя. 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  О ВЛАГОЗАЩИТЕ ЭЛЕМЕНТОВ И  КОНСТРУКЦИЙ РЭС 

1.1. Воздействие влаги  на материалы и электрорадиоэлементы 

В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС могут подвергаться воздействию влаги, содержащейся в окружающем пространстве, внутренней среде гермоблоков, материалах конструкции, а также в используемых при изготовлении РЭС материалах. 

Наличие влаги во внутренней среде гермокорпуса РЭС обусловлено следующими причинами:  

1) проникновением  ее через микропоры из внешней  среды; 

2) невозможностью  полной осушки (без влагопоглотителя) среды заполнения (например, точка  росы газообразного азота после  централизованной осушки составляет -70°С); 

3) наличием влаги  в конструкционных материалах  гермокорпуса. 

Значительно увеличивают  содержание влаги полимерные материалы, использование которых в конструкции  РЭС обусловлено экономическими соображениями (уменьшение трудоемкости сборки, расхода материалов и энергии). В процессе производства и хранения полимерные материалы поглощают влагу из окружающей среды, а при нагреве эта влага выделяется во внутреннюю среду гермокорпуса. 

Полимерные материалы  применят для герметизации соединителей, контровки резьбовых соединений, в качестве демпфирующих и виброизолирующих слоев, для маркировки, выполнения неразъемных соединений при сборке узлов из деталей и компонентов, изготовленных из различных материалов (металлов, сплавов, керамики, ферритов, резин, пластмасс и т.д.) и различного конструктивного исполнения (печатные платы и шлейфы, объемные проводники, экраны, влагозащитные и теплоотводящие конструкции и т.д.). Полимеры входят в состав таких конструкционных материалов, как стеклотекстолит, гетинакс, лакоткань. 

Вода (сконденсированная  влага) - полярное, химически активное вещество, легко вступающее в соединение с различными металлами и неметаллами (газами, жидкостями, твердыми веществами, инертными газами). При этом образуются гидраты, устойчивые при низких температурах. Еще более активно вода окисляется кислородом; она реагирует с фтором, хлором, соединениями углерода. Щелочные и щелочноземельные металлы разлагают воду уже при комнатной температуре. Вода является активным катализатором. Она обладает высокими диэлектрической проницаемостью в жидкой фазе (e = 79...84) и потерями (tgd): при частоте f=50 Гц tgd весьма велик; при f=105 Гц tgd = 1,6; при f=107 Гц tgd = 0,3; при f=109 Гц tgd = 0,03. При наличии примесей ионного типа вода имеет высокую проводимость (удельное сопротивление водопроводной воды составляет 106...107 Ом×м; дважды дистиллированной на воздухе воды - 108 Ом×м; перегнанной в вакууме - 1010 Ом×м). 

Воздействие влаги  на материалы и компоненты может  привести к постепенным и внезапным отказам РЭС. Увлажнение органических материалов сопровождается следующими явлениями: увеличением диэлектрической проницаемости (e) и потерь (tgd); уменьшением объемного сопротивления, электрической и механической прочности; изменением геометрических размеров и формы (короблением при удалении влаги после набухания); изменением свойств смазок. Это приводит к увеличению емкости (в том числе паразитной), уменьшению добротности контуров, снижению пробивного напряжения и появлению отказов РЭС. Постепенные отказы систем радиолокации и навигации проявляются в ухудшении точности определения координат и снижении дальности действия РЛС. У радиовещательных и телевизионных приемников снижается чувствительность и избирательность, снижаются диапазоны рабочих частот (в сторону более низких), появляется неустойчивость работы гетеродина. Внезапные отказы систем радиолокации и навигации обуславливаются электрическим пробоем, расслоением диэлектриков и т.д. При увлажнении отказы могут произойти из-за коррозии, приводящей к нарушению паяных и сварных герметизирующих швов, обрыву электромонтажных связей, увеличению сопротивления контактных пар, что ведет к увеличению шумов неразъемных и обгоранию разъемных контактов); уменьшению прочности и затруднению разборки крепежа; потускнению отражающих и разрушению защитных покрытий; увеличению износа трущихся поверхностей и т.д. 

Попадание влаги  на поверхность тонкопленочных резистивных  элементов может привести к изменению  их сопротивления (уменьшению при шунтировании влагой, увеличению при коррозии); влага в диэлектриках пленочных конденсаторов увеличивает их емкость и приводит к пробою диэлектрика; влага на поверхности полупроводниковых элементов ИС способствует скоплению на границе Si-SiO2 положительных ионов (Na+ и др.), образованию слоя накопленных зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов и изменению параметров полупроводниковых приборов (дрейфу обратных токов, пробивных напряжений, коэффициента усиления биполярных транзисторов, порогового напряжения и крутизны передаточной характеристики МДП-транзисторов). 

Все это, как правило, приводит к полному отказу РЭС, как  негерметичных, так и герметичных, но в первом случае воздействие оказывает  внешняя среда, а во втором - и  внутренная. 

1.2. Способы влагозащиты  элементов и узлов РЭС 

Для обеспечения  надежности функционирования РЭС при  воздействии влаги требуется  применять влагозащитные конструкции, которые разделяют на две группы: монолитные и полые. Монолитные оболочки составляют неразрывное целое с  защищаемым узлом. Монолитные оболочки выполняются из органических материалов. Обычно компоненты с такой защитой предназначены для использования в негерметичных наземных РЭС, и в этом случае приходится принимать дополнительные меры для обеспечения влагозащиты электрических соединений (например, лакировать печатные платы). 

Полые влагозащитные  оболочки позволяют освободить защищаемые компоненты от механического контакта с оболочкой, что обеспечивает работу в более широком диапазоне  температур и исключает химическое взаимодействие оболочки и защищаемого компонента. Полые оболочки, особенно из неорганических материалов, обеспечивают более высокую надежность влагозащиты, но имеют значительные габариты, массу, стоимость. Наиболее эффективно использование полых оболочек для групповой герметизации бескорпусных компонентов в составе блока. 

Для защиты от влаги  компонентов и узлов с помощью  монолитных оболочек, являющихся одновременно несущей конструкцией для внешних  выводов, используются пропитка, заливка, обволакивание и опрессовка. 

Пропитка нашла  наибольшее применение для защиты от влаги обмоток электродвигателей, катушек трансформаторов и т.д. При пропитке из полостей и пор  вытесняется воздух, и они заполняются  лаком или компаундом. Это приводит к увеличению электрической и  механической прочности, улучшению теплопроводности, но одновременно увеличиваются масса, паразитная емкость. 

Заливка - это сплошная упаковка компонента или узла в изоляционную массу путем заполнения ею свободного промежутка между изделием и стенками корпуса или между изделием и заливочной формой. Для улучшения теплопроводности в заливочный компаунд иногда добавляют кварцевую пудру или прокаленный порошок оксида аллюминия, а для улучшения влагозащитных свойств можно добавлять порошок цеолита, поглощающий влагу. При выборе заливочного материала особое внимание следует обращать на близость ТКЛР материала заливки и защищаемого компонента или узла (это влияет на внутренние напряжения в компаунде), а также ТКЛР материала заливки и внешних выводов (это влияет на образование каналов проникновения влаги при изменении температуры). 

Обволакивание - применяют  для защиты от влаги печатных плат, дискретных ЭРЭ, бескорпусных полупроводниковых  приборов, микросборок. Основным преимуществом  обволакивания является высокая  экономичность, недостатками – довольно толстый и неконтролируемый слой покрытия, возможность использования только для нежестких условий эксплуатации (как и для всех видов полимерной защиты от влаги), сложность удаления попавшей под защитный слой влаги. Обволакивание печатных плат лаками и компаундами позволяет повысить пробивное напряжение работающей в наземных условиях аппаратуры. 

Опрессовка - это  защита изделия от влаги толстым  слоем полимерного материала (термореативная или термопластическая пластмасса) методом литьевого или трансферного прессования в специальных формах. Этот вид влагозащиты используют в основном для малогабаритных компонентов (ИС, ЭРЭ, микросборок), что позволяет надежно укрепить внешние выводы и создать несущую конструкцию, которая способна выдерживать механические перегрузки и пригодна для автоматизации установки компонентов на плату. При выборе материала для опрессовки необходимо учитывать его параметры e, tgd, электрическую прочность. 

Для защиты от коррозии несущих корпусных конструкционных  узлов из металлов и сплавов широко применяют монолитные пленочные металлические покрытия, нанесенные горячим способом, гальванически, путем диффузии. Толщина таких покрытий единицы – десятки микрометров. 

В ряде случаев защитное покрытие делают многослойным, например слой меди толщиной 6…10 мкм (высокая адгезия к стали), слой никеля толщиной 3…6 мкм (высокая твердость), слой хрома толщиной 0,5 мкм (антифрикционность, гидрофобность). Для защиты корпусов из алюминиевых сплавов используют многослойные покрытия, например Cu – Ni – (Sn – Bi). 

1.3. Влагозащита компонентов  и блоков РЭС 

Полые влагозащитные  оболочки применяют для защиты компонентов, блоков РЭС, ИС, микросборок, в качестве дополнительной защиты от влаги наземных РЭС на корпусированных элементах, для бортовых РЭС на бескорпусных элементах, для аппаратуры диапазона СВЧ. Применение корпусных оболочек позволяет исключить механический контакт их с защищаемым изделием, что позволяет исключить передачу изделию механических напряжений, которые могут возникнуть в них. Кроме того, устраняется химическое взаимодействие оболочки с защищаемым изделием. Одновременно часто улучшается теплоотвод (при использовании оболочек, теплопроводность которых выше теплопроводности полимеров), повышается надежность влагозащиты и обеспечивается электромагнитное экранирование (при использовании оболочки из металла или металлизированной керамики), ослабляются паразитные связи ввиду уменьшения e при замене полимера воздухом. 

Для наземных РЭС, работающих в отапливаемых помещениях можно использовать дешевые полимерные полые оболочки к пластмассовому основанию которых приклеивается пластмассовая крышка. Основной недостаток подобных оболочек заключается в возможности проникновения влаги в результате диффузии через полимерную оболочку, а также по границе вывод – пластмасса при образовании каналов из-за различия ТКЛ материала вывода и пластмассы. 

Более дорогим, но и  более надежным являются полые неразъемные  металлополимерные оболочки. Наличие  металлических крышек уменьшает  площадь, через которую может  диффундировать влага, однако по границе  вывод – полимер влага может  проникать (как в монолитных, так и в полых полимерных оболочках). Обычно время влагозащиты подобных оболочек при влажности окружающей среды 98% не превышает 10…30 сут. В условиях космоса это время может быть значительно больше. Из-за низкой теплопроводности полимеров часто для обеспечения отвода тепла используют теплоотводящие шины. Металлостеклянными полыми оболочками можно герметизировать не только компоненты, но и блоки РЭС, например бортовое РЭС одноразового действия. Для улучшения теплоотвода от бескорпусных компонентов оболочка заполнена фторсодержащим веществом. Внешние выводы изолированы от металлического корпуса с помощью стеклянных изоляторов. Соединение крышки с основанием осуществлено неразъемным паянием или сварным швом. Для блоков объемом менее 3 дм3 при необходимости обеспечения небольшого (до 3…5 раз) числа разгерметизаций и повторных герметизаций (на этапе производства при настройке или на этапе эксплуатации при ремонте) используется регенерируемый паяный или сварной шов. Такой вид герметизации обеспечивает работоспособность блоков в течении 8…12 лет.