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 ОмЧм; дважды дистиллированной на воздухе воды - 108 ОмЧм; перегнанной в вакууме - 1010 ОмЧм).

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 ? 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.

Для блоков, объем которых превышает 3 дм3, целесообразно использовать разъемные полые оболочки с прокладками, что допускает большее истечение (натекание) газа ввиду большего объема блока (для прокладок из лучших эластомеров течь составляет 10-3…10-7 дм3 Па/с на метр прокладки) и позволяет значительно снизить массу блока по сравнению с массой блока, герметизированного паяным швом (при объеме блока, меньшем 3 дм3, этому мешает большая масса стягивающих болтов).

Использование прокладок упрощает герметизацию и разгерметизацию блока, что актуально как на этапе производства (при регулировке и настройке), так и на этапе эксплуатации (при ремонте). На этапе производства это особенно актуально для сложных блоков, в которых необходимо заменять компоненты при регулировке или при выходе их из строя на испытаниях. При эксплуатации герметизация с помощью прокладок наиболее эффективна для блоков многоразового пользования, конструкция которых должна быть ремонтопригодна. В качестве материала уплотняющих прокладок можно использовать полимеры (резина, пластмасса), металлы (медь, алюминий, свинец, индий).

2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЛАГОЗАЩИТЫ РЭС

2.1. Экспериментальные методы определения герметичности

Получить в производстве абсолютно герметичный блок не представляется возможным. Поэтому необходимо оценивать степень герметичности, которая характеризуется течью: большой (больше 10-3 дм3 Па/с), средней (10-3…10-4 дм3 Па/с), малой (менее 10-5…10-8 дм3 Па/с). Большие течи можно определить, помещая герметизированный блок в нагретый этиленгликоль или керосин на глубину не менее 2,5 см. Воздух при нагревании расширяется и выходит в виде пузырьков; чувствительность этого метода 2*10-3 дм3*Па/с. Можно подавать в испытываемый гермоузел воздух под давлением (10…12) *105 Па. По скорости образования пузырьков и их размерам можно ориентировочно определить место и течь. Средние течи можно определить с помощью индикаторной жидкости, в которую погружается предварительно опрессованный во фреоне (2…6) *105 Па гермоузел.

Малые течи определяются масс-спектрометрическим или радиационным методом. При масс-спектрометрическом методе течь определяется с помощью гелиевых течеискателей типа ПТИ-7, СТИ-11, имеющих чувствительность 2*10-12 дм3*Па/(с*мВ). Полимерные оболочки этим методом не проверяются, так как они под давлением могут сорбировать гелий, находящийся в атмосфере. Недостатком метода является низкая производительность, особенно в случае малых течей, что требует увеличения времени измерения. Радиационный метод (чувствительность 10-13 дм3 Па/с) состоит в предварительной опрессовке гермоблока в изотопе Kr85 и индикации степени истечения изотопа счетчиком Гейгера. Так как получить абсолютно герметичный шов практически невозможно, то после герметизации блок заполняется каким-либо осушенным инертным газом (азотом, аргоном, гелием) под избыточным давлением (0,03…0,06 Мпа). Выравнивание давления в гермокорпусе и наружной среде происходит в течение 8…10 лет, что препятствует натеканию влаги из внешней среды внутрь гермокорпуса (при наличии снаружи парцианального давления паров влаги, большего, чем внутри гермокорпуса, и при размере микропор, большем диаметра молекул влаги, влага может натекать из внешней среды внутрь гермокорпуса даже при наличии в нем избыточного давления осушенного инертного газа). Увеличение давления заполняющего гермокорпус газа способствует увеличению времени защиты от внешней среды, но оболочка корпуса должна быть более прочной и, следовательно, более массивной.

2.2. Оценочные расчеты степени герметичности блока РЭС

Допустимое истечение из гермокорпуса (дм3 Па/с) может быть определено по формуле Q=VDP/Dt, где DP - начальное избыточное давление газа внутри гермоблока, Па; Dt - время хранения и работы блока, с; V - объем блока, дм3 . Если, например, V=0,5 дм3, DP=0,3Ч105 Па, Dt=2,5Ч108 с (8 лет), то Q=0.610-4 дм3ЧПа/с. Если мал объем, заполненный газом, или велико истечение, то гермокорпус не обеспечит надежной работы в течение заданного времени. В этом случае надо либо отрабатывать технологический процесс герметизации с целью уменьшения течи, либо увеличивать объем оболочки, либо повышать начальное давление в ней. Второй и третий пути не являются эффективными, так как ведут к увеличению габаритов либо массы гермоблока. Приемлемыми считаются следующие течи для блоков с различным свободным объемом: 10-7 дм3 ЧПа/с (объем 0,1…0,4 дм3), 10-4…10-5 дм3 ЧПа/с (объем 0,5…5 дм3), 10-3…10-4 дм3 ЧПа/с (объем более 5 дм3). Течь для разъема типа РПС-1 не должна превышать 10-10 дм3 ЧПа/с.

2.3. Расчет времени влагозащиты гермооболочки РЭС

Время влагозащиты t определяет способность гермокожуха или гермооболочки сохранять работоспособным находящееся внутри РЭС или его отдельный компонент и находится в зависимости от физических характеристик материала и конструктивно-технологических особенностей изделия. Основным физическим параметром, определяющим t является коэффициент влагопроницаемости материала оболочки, значение которого зависит от состава материала и температуры. Коэффициент влагопроницаемости - В определяется уравнением диффузиозной проницаемости и выражается массой паров воды, прошедшей в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте концентрации или давления. Единица измерения [кг/(мЧсЧн/м2)] или, упрощая эту размерность, ее можно получить как [c].

Влагопроницаемость металлических оболочек РЭС при одинаковых геометрических размерах существенно ниже, чем полимерных, поэтому далее будут рассматриваться лишь последние. Для ряда систем полимер-вода диффузия, являющаяся основным механизмом переноса влаги через стенку гермооболочки, может быть записана в случае применения закона Фика в форме

(1)

где D - коэффициент диффузии, являющийся функцией концентрации, если у поверхности полимера поддерживается постоянная концентрация с водяных паров.

Для описания концентрационной зависимости применяется полуэмпирическое выражение вида

(2)

где a - константа, DC=0 - коэффициент диффузии, экстраполированный к нулевой концентрации влаги. Коэффициент D наиболее резко меняется в области малых концентраций влаги.

Температурная зависимость коэффициента влагопроницаемости выражается уравнением вида

(3) где B0, E и R - константы (при с=const), T - абсолютная температура.

Решение уравнения диффузии дает время влагозащиты оболочки выраженное через ее геометрические параметры и условия внешней и внутренней сред. Основными величинами, которые определяют необходимый срок службы изделия при заданных условиях, являются коэффициент влагопроницаемости материала приведенный ниже в таблице и толщина стенок оболочки. Для случая если влагозащита осуществляется заливкой или опрессовкой герметизирующего материала расчетное время в с защиты оболочки можно определить по формуле

(4) где d - толщина оболочки, м; D - коэффициент диффузии, м2/с; р0 - давление паров окружающей среды; ркр -давление паров влаги, соответствующее ее критической концентрации, после достижения которой появляются отказы. Расчетное время влагозащиты не является определяющим при выборе материала, так как надо оценить внутренние напряжения после полимеризации и в диапазоне температур, адгезию оболочки к компоненту, e и tgd, электрическую и механическую прочность, токсичность и т. д.

При использовании полого полимерного корпуса время влагозащиты (с) определяется временем задержки проникновения влаги через слой полимеров и временем накопления влаги внутри корпуса до наступления критического давления паров (ркр):

(5) где V -внутренний объем оболочки, м3; h - коэффициент растворимости влаги в материале оболочки, с2/м2; d - толщина стенки оболочки, м; S - площадь проникновения влаги через оболочку, м2; р0 - давление окружающей среды, Па; D - коэффициент диффузии материала оболочки, м2/с; В - коэффициент влагопроницаемости оболочки, с. Влажностные параметры некоторых герметизирующих полимерных материалов

№ Материал В, с D, м2/с h, c2/м2 Назначение материала

1 Фторопласт-4 1,0?10-16 8,34?10-13 12?10-5 Герметизирующие прокладки

2 Полиэтилен 6,27?10-16 6,4?10-13 9,8?10-4 Элементы конструкции высокочастотных узлов

3 Полистирол 4,22?10-15 3,32?10-11 12,6?10-5 То же

4 Пресс-материал ЭФП-63 1,83?10-16 6,1?10-13 3?10-5 Монолитный пластмассовый корпус

5 Порошковый компаунд ПЭП-17 8,0?10-16 1,14?10-12 7?10-4 Герметизация узлов вихревым напылением

6 Клей ВК-9 3,3?10-16 6,5?10-13 5,63?10-4 Крепление элементов на плату

7 Лак ФП-525 4,5?10-16 1,18?10-12 3,8?10-4 Бескорпусная герметизация ИС

8 Компаунд ЭК-16Б 2,08?10-16 6,4?10-13 3,25?10-4 Заливка элементов и узлов РЭС

9 Пластмасса

К-124-38 1,66?10-16 8,34?10-14 2,0?10-3 Полый пластмассовый корпус

10 Компаунд ЭКМ 4,1?10-16 7,1?10-13 5,77?10-4 Герметизация полупроводниковых ИС

11 Кремнийорганический эластометр СКТН 8,2?10-15 8,2?10-12 1,0?10-3 Заливка ферритовых элементов

12 Компаунд ПЭК-19 7,8?10-16 2,1?10-12 3,7?10-3 Заливка узлов РЭС

13 Лак УР-231 5,2?10-16 3,5?10-12 1,48?10-4 Обволакивание печатных плат

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков В.А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1992. - 144 с.

2. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1990 - 432 с.

3. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для вузов / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтинь-Аболинь, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шерстнев; Под ред. В.Б. Пестрякова. - М.: Радио и связь, 1992. - 432с.

4. СТП ВГТУ 001-98. Курсовое проектирование. Организация, порядок проведения, оформление расчетно-пояснительной записки и графической части. Методические указания №186-98