Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
И
ИХ ВЛИЯНИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
Условия эксплуатации ЭА и систем
характеризуются комплексом параметров, называемых внешними воздействующими
факторами, которые имеют различную физико-химическую природу и изменяются в
весьма широких пределах. Эти факторы принято разделять на климатические,
механические и радиационные.
К климатическим факторам относят:
изменение температуры и влажности окружающей среды; тепловой удар; изменение
атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли или песка; присутствие
активных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения,
грибковых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых, грызунов;
взрывоопасной и легковоспламеняющейся атмосферы; дождя и брызг; присутствие в
окружающей среде озона.
К механическим факторам относят:
воздействие вибраций, ударов, линейного ускорения, акустического удара.
К радиационным факторам относят:
космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей,
радиационно-опасных ситуаций; облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов,
бета-частиц, альфа-частиц, протонов, дейтронов.
Некоторые из перечисленных факторов
могут проявлять себя независимо от остальных, а некоторые — в совместном
действии с другими факторами. Например, наличие движущихся потоков песка
неизбежно приводит к возникновению вибраций в элементах конструкции ЭА.
Так как электронно-вычислительная
аппаратура принадлежит, как правило, к классу так называемых человеко-машинных
систем, то важное влияние на работоспособность ЭА оказывает человеческий
(субъективный) фактор. Квалификация специалиста сказывается на качестве работы
ЭА на всех этапах ее жизненного цикла. Несоблюдение правил проектирования,
изготовления и эксплуатации ЭА приводит в конечном итоге к снижению их
качества. Известно, что в ряде случаев число отказов аппаратуры увеличивается с
ростом частоты осмотров и ремонта. Внедрение автоматизации на всех этапах
создания ЭА уменьшает влияние человеческого фактора.
Климатические факторы
Нормальными климатическими условиями
являются: температура +25±10 °С, относительная влажность 45...80 %, атмосферное
давление (8,3... 10,6) • 104 Па (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных
веществ в окружающей атмосфере.
Совокупность воздействующих на
конструкцию ЭА отдельных климатических факторов и их характеристики
определяются той климатической зоной, в которой она эксплуатируется. Весь
земной шар разделен на семь климатических зон, климат которых определяется как
очень холодный, холодный, умеренный, тропически влажный, тропически сухой,
умеренно холодный морской и тропический морской.
Очень холодный регион располагается в
Антарктиде. Средняя минимальная температура в нем ниже -60 °С. Рекордной
является зафиксированная в центральных районах Антарктиды на станции «Восток»
температура -88,3 °С. Характерной особенностью этого региона является сочетание
низких температур с сильным ветром.
В холодную зону включены большая часть
России и Канады, Аляска, Гренландия. Средняя минимальная температура здесь
достигает -50 °С, годовой перепад температур для некоторых районов составляет
80 °С, среднесуточный — до 40 °С. Особенностью для этой климатической зоны является
наличие высокой прозрачности атмосферы, что благоприятно для ионизации воздуха
и, как следствие, накоплению на поверхности аппаратуры статического
электричества. Характерным также является обледенение, иней, ветер с мелкой
снежной пылью.
В умеренный климатический регион
включены часть территории России, большая часть Европы, США, прибрежные
территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Для него характерно годовое
изменение температур от -35 до +35 °С, образование инея, выпадение росы, наличие
тумана, изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.
Влажная тропическая зона располагается
вблизи экватора и включает большую часть Центральной и Южной Америки, среднюю
часть Африки, Юг Индии, Индонезию, часть Юго-Восточной Азии. Для этой зоны
характерны среднегодовые температуры +20...+25 °С с перепадом температуры за
сутки не более 10 °С. Высокая влажность и повышенная концентрация солей
(особенно вблизи побережья морей и океанов) делает атмосферу этой зоны
коррозионно-агрессивной. В промышленных районах в атмосфере содержится
сернистый газ и хлориды. Благоприятное сочетание температуры и влажности
способствует существованию более 10000 видов плесневых грибков.
К зоне с сухим тропическим климатом
относят северную часть Африки, центральную Австралию, засушливые районы Средней
Азии, Аравийский полуостров, часть Северной Америки. Этот регион
характеризуется высокими температурами (до +55 °С), низкой влажностью,
интенсивным солнечным излучением (до 1500 Вт/м2), высоким содержанием пыли и
песка в атмосфере. Последнее способствует отрицательному абразивному и
химическому воздействию на аппаратуру.
Умеренно холодная морская зона включает
моря, океаны и прибрежные территории, расположенные севернее 30° северной
широты и южнее 30° южной широты. Остальная часть морей, океанов и прибрежных
территорий относится к тропически морской зоне. Климат морских зон отличается
сравнительно небольшими суточными перепадами температур, наличием высокой
влажности и значительной концентрацией хлоридов в атмосфере.
Учитывая специфику каждой из
климатических зон, ЭА наземного базирования, предназначенная для работы в
тропических зонах, должна быть изготовлена в соответствующем исполнении, что
отмечается в документации индексом Т. ЭА, устанавливаемая на судах с
неограниченным районом плавания, имеет обозначение ОМ. ЭА, пригодная для
эксплуатации на суше и на море, имеет индекс В.
Повышенные и пониженные температуры
влияют на место установки ЭА, расположение источников внешнего нагрева,
выделение тепла активными элементами внутри ЭА и суточным изменением
температуры окружающей среды. Так как электрические параметры МС и ЭРЭ
темпера-турозависимы, необходимо, чтобы температура нагрева наиболее
чувствительных к окружающей температуре элементов находилась в допустимых для
этих элементов пределах. Кроме того, многие конструктивные материалы при
высоких температурах претерпевают структурные изменения (тепловое старение
материалов).
Работоспособность ЭА определяется
допустимым температурным диапазоном работы, в котором ЭА должна выполнять
заданные функции в рабочем, т. е. во включенном состоянии. Для исключения
выхода из строя ЭА в процессе хранения и транспортирования в нерабочем,
невключенном состоянии, необходимо, чтобы она выдерживала температуры,
несколько большие допустимого диапазона. Эти
температуры, называемые предельными, характеризуют тепло- и холодопрочность
конструкции ЭА.
Тепловой удар характеризуется резким
изменением температуры окружающей среды. При этом время изменения температуры
исчисляется минутами, а ее перепад — десятками градусов. Наиболее сильно
тепловой удар проявляется в элементах конструкции, где имеются локальные
механические напряжения, способствуя образованию микротрещин, их росту и
объединению.
Влажность — один из наиболее агрессивных
воздействующих факторов, проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду,
воздействии капель дождя и брызг, водяных паров, образовании росы и инея с
последующим его оттаиванием. Адсорбция на поверхности элементов ЭА
конденсирующейся из окружающей атмосферы воды способствует коррозии металлических
деталей, старению неметаллов, изменению электроизоляционных характеристик
изоляторов. Кроме того, влага может выделяться из лакокрасочных и пропиточных
материалов.
Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда
загрязнена активными веществами — углекислыми и сернистыми солями кальция,
магния, железа, хлористым кальцием, газами — что еще больше способствует
проявлению коррозии.
Выпадение росы на поверхность аппаратуры
происходит при определенной температуре (точка росы), значение которой зависит
от относительной влажности атмосферы:
Относительная влажность, % 100 80
60 40 20
Точка росы, °С 15,5 12,1 7,8 2,0 -6,6
Поглощение влаги различными материалами
связано с тем, что межмолекулярные промежутки в полимерах, поры в керамике и
других материалах в сотни раз превосходят размеры молекул воды. Способность
воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины в зоне
спаев разнородных материалов увеличивается с повышением температуры. Так, при
повышении температуры от +20 до +80 °С вязкость воды уменьшается в 3 раза, а
величина поверхностного натяжения — более чем в 2 раза. Коэффициент
самодиффузии при этом также увеличивается более чем в 3 раза.
Пониженное и повышенное давление
окружающей среды зависит прежде всего от высоты над уровнем моря места, где
эксплуатируется ЭА.
На границе между тропосферой и
стратосферой (16 км) давление воздуха равно примерно 10 кПа. Содержание влаги в
атмосфере с ростом высоты также уменьшается. При снижении давления ухудшается
отвод тепла конвективным теплообменом, уменьшается электрическая прочность
воздуха, что приводит к ионизации воздуха и образованию химически активных
ионов и радикалов. Повышенное атмосферное давление оказывает в первую очередь
механическое воздействие на элементы конструкции ЭА.
Пыль и песок, содержащиеся в атмосфере,
оседая на поверхности деталей ЭА, могут стать причиной возникновения в ней
неисправностей. Пыль содержит углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые,
взаимодействуя с влагой, ускоряют процессы коррозии. Кроме того, находящаяся в
воздухе пыль способствует утечке зарядов и может вызвать пробой промежутка,
находящегося между контактами с высоким потенциалом. Стандартами определены три
уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3.
К активным веществам в окружающей
аппаратуру атмосфере относят сернистый газ, хлористые соли, пары кислот,
щелочей и др. Их содержание в атмосфере районов, находящихся в прибрежной зоне,
значительно больше, чем во внутриконтинентальных районах. Различают три типа
атмосферы: атмосфера сельской местности (содержание сернистого газа не более
0,02 мг/м3), атмосфера промышленного района (сернистый газ 0,02...2 мг/м3,
хлористые соли не более 0,3 мг/м3), морская атмосфера (хлористые соли 2...2000
мг/м3).
Солнечное облучение также активно
воздействует на работоспособность ЭА. Спектр излучаемой солнцем энергии состоит
из трех составляющих: ультрафиолетовая часть, видимая часть, инфракрасная
часть. На ультрафиолетовую часть спектра приходится около 9 % энергии
излучения, на волны видимой части — около 41 %, на инфракрасную часть — около
50 %. Примерно 35 % солнечной энергии поглощается в космическом пространстве,
19 % поглощается атмосферой Земли, около 46 % достигает земной поверхности.
Интегральная плотность потока солнечной
энергии одинакова на поверхности Земли и на высоте 15 км и составляет 1125 Вт/м2, при этом 42 Вт/м2 приходится на ультрафиолетовую часть спектра.
Грибковые образования (плесень) относят
к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. В процессе своей жизнедеятельности
они выделяют лимонную, уксусную, щавелевую кислоты и другие химические
вещества, под действием которых изменяются характеристики многих материалов.
Активно поглощая воду, эти вещества способствуют ускорению процессов коррозии,
ухудшают электроизоляционные свойства полимерных материалов и т. д.
Идеальные условия для развития грибковых
образований: температура 25... 35 °С, относительная влажность 80... 100 %,
неподвижность воздуха, отсутствие света (особенно ультрафиолетовой и инфракрасной
частей спектра).
Механические факторы
В процессе транспортирования и
эксплуатации ЭА подвергается воздействию вибраций, представляющих собой сложные
колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником
колебаний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным частотам
колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры противодействовать
их влиянию характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью.
Виброустойчивость определяет способность ЭА выполнять заданные функции во
включенном состоянии в условиях воздействия вибраций. Вибропрочность
характеризует качество конструкции ЭА, т. е. способность противостоять
разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально
работать после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на
конструкцию ЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения
(в единицах g).
Явление удара в конструкции ЭА возникает
в случаях, когда объект, на котором установлена машина, претерпевает быстрое
изменение ускорения. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом
ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные.
Линейное ускорение характеризуется
ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.
Акустический шум, проявляющийся в ЭА,
устанавливаемых вблизи работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях,
автомобильном и железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука,
мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.
При воздействии вибрации и ударных
нагрузок на элементы конструкции ЭА в них возникают статические и динамические
деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную
систему, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку и определенный вид
закрепления концов.
Следует отметить, что механизм влияния
на конструкцию ЭА акустических шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен.
Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени
все элементы конструкции. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы
конструкции ЭА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого
воздействия определяется также положением элементов относительно его
направленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются своего
рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Поэтому при прочих
равных условиях следует признать действие акустического шума более
разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.
Все более расширяющиеся сферы применения
ЭА практически во всех сферах человеческой деятельности ужесточают требования к
устойчивости их конструкции воздействию механических факторов. Это
иллюстрируется данными табл. 1, в которой приведена динамика роста требований
нормативно-технических документов по механическим нагрузкам.
Таблица 1. Уровень требований кЭА
Воздействия
|
Уровень требований
|
1980 г.
|
1995 г.
|
2000 г.
|
2005 г.
|
Вибрации:
|
|
|
|
|
частота, Гц
|
5...60
|
5... 1000
|
5...2500
|
5...5000
|
ускорение, g
|
7,5
|
10
|
15
|
40
|
Линейное ускорение,
g
|
25
|
75
|
150
|
500
|
Одиночные удары, g
|
75
|
150
|
500
|
1000
|
40
|
75
|
150
|
150
|
Акустические шумы,
дБ
|
—
|
—
|
—
|
165
|
Радиационные факторы
Радиационное воздействие вызывает как
немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию
ЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют
электромагнитные излучения и частицы высоких энергий.
Полный спектр электромагнитных излучений
охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей
нанометра. Наиболее значимое воздействие на ЭА оказывают рентгеновское
излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают
значительной проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются дозой и
мощностью излучения.
Экспозиционная доза излучения,
измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг), представляет количество излучения,
создающее посредством ионизации в одном килограмме воздуха заряд, равный одному
кулону.
Мощность экспозиционной дозы
характеризует интенсивность излучения и измеряется в амперах на килограмм
(А/кг). Она равна экспозиционной дозе излучения в 1 Кл/кг, переданной в течение
1 с. Широкое хождение имеют внесистемные единицы измерения экспозиционной дозы,
называемые Рентген, равный 2,5 810*4
Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы — Рентген в секунду (Р/с).
Поглощенная доза излучения, зависящая от
параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется
отношением средней энергии, переданной излучением веществу к его массе.
Единицей поглощенной дозы является Гр (Дж/кг), равный поглощенной дозе,
соответствующей энергии в 1 Дж, переданной веществу массой 1 кг.
Мощность поглощенной дозы характеризует
интенсивность передачи энергии излучения веществу и соответствует приращению
поглощенной дозы за единицу времени (Гр/с). Допускается применение внесистемных
единиц для описания поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы, называемых
рад и, соответственно, рад в секунду (рад/с); 1 рад = 0,01 Гр.
Существенное воздействие на конструкцию
ЭА оказывают заряженные частицы: а-частицы, протоны, Р-частицы и нейтроны,
обладающие высокой проникающей способностью. Для количественного описания их
воздействия применяют физические величины, называемые потоком и плотностью
потока частиц.
Поток ионизирующих частиц
характеризуется отношением числа частиц, прошедших через данную поверхность за
все время облучения, и измеряется в с*1.
Плотность потока ионизирующих частиц
определяется потоком частиц, отнесенному к площади поверхности проникновения
излучения, и измеряется в с/м2.
Облучение частицами может вызвать в
веществах обратимые, полуобратимые и необратимые явления. Обратимые явления
возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и
исчезают с его прекрашением. Полуобратимые явления возникают с началом
облучения, увеличиваются с его действием и постепенно исчезают после его
прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной
дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.
Наиболее устойчивы к воздействию
облучения металлы. Так, интегральный поток нейтронов величиной 1020 частиц/см2
на свойства большинства металлов практически не влияет. Однако следует
учитывать, что у большинства металлов при облучении снижается предел текучести
в 2—3 раза, ударная вязкость уменьшается, удельное сопротивление возрастает на
20...30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и
электротехнические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден
и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.
Воздействие излучения на полимеры
приводит к разрушению межмолекулярных связей, образованию зернистых структур и
микротрещин. В результате полимерные детали теряют эластичность, становятся
хрупкими, уменьшается их прочность на разрыв.
При облучении резисторов возникают
обратимые и необратимые изменения сопротивления, уровень шума увеличивается,
параметр влагостойкости уменьшается. Керамические и проволочные резисторы
наиболее устойчивы к действию облучения. Интегральный поток величиной до 1020
частиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к
облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры
заметно ухудшаются при интегральном потоке свыше 10м частиц/см2. Так же
чувствительны к облучению и композиционные резисторы.
Облучение конденсаторов ухудшает их
электрическую прочность, изменяет емкость и тангенс угла диэлектрических
потерь. Причиной этого являются необратимые явления в структуре диэлектрика,
механические деформации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков.
Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные
конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные,
полистироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной
радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее
низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электролита наступают при
низких дозах облучения.
По сравнению с другими типами
электрорадиоэлементов наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые
приборы и интегральные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и
необратимых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере
выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного
электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении
теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное
напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1О12...1О14
нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 1О4...1О7 рад при гамма-облучении.
В интегральных микросхемах (МС) при
облучении существенно изменяются характеристики вследствие изменения параметров
входящих в них резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же
изменяются изолирующие свойства разделительных переходов, возрастают токи
утечки, появляются многочисленные паразитные связи между элементами структуры
микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.
Литература
1. Мальков М.Н., Свитенко В.Н. Устройства
функциональной электроники и электрорадиоэлементы.Консп. лекций, часть I.-
Харьков: ХИРЭ,- 2002. – 140с.
2. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной
аппаратуры,Изд.2-е, перераб. и доп. М.:”Энергия”,2007.-656с.
3. Проволочные резисторы. Под ред. М.Т.Железнова,
Л.Г.Ширшева.- М.:Энергия.2000.-240с.
4. Справочник конструктора-приборостроителя.
В.Л.Соломахо и др.-М:Высш.шк,2008.-271с.
5. Белинский Б.Т., Гондол В.П. и др. Практическое
пособие по учебному конструированию РЭА. – К: Вища шк.,2002 – 494с.