книги из ГПНТБ / Доценко Н.С. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги)

6П2.15

Д71

УДК 621.396.6

Гйс. публична?!

ЧИ ТМ ’іЬІ'О ГО 3A->>A

H. С. Доценко, В. В. Соболев

Д71 Долговечность элементов радиоэлектронной ап­ паратуры (влияние влаги). Л., «Энергия», 1973.

д 0341-342

242-73 6П2.15

051(01)-73

Рецензент Б. И. Козлов

© Издательство «Э и е р г и я», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Рост ответственности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и непрерывное ее усложнение требуют повышения надежности. Под надежностью обычно понимается свой­ ство элемента выполнять все заданные ему функции в оп­ ределенных условиях эксплуатации в течение опреде­ ленного времени при сохранении значений основных параметров в заранее установленных техническими ус­ ловиями пределах.

На этапе проектирования, производства и эксплуа­ тации надежность элемента обусловливается его безот­ казностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью.

В предлагаемой книге будет рассматриваться понятие надежности, связанное со свойством долговечности. Под долговечностью элемента аппаратуры понимается свойство элемента сохранять работоспособность до пре­ дельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние элемента определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, обусловленной либо сниже­ нием эффективности, либо требованиями безопасности, и оговаривается в технической документации. Количест­ венное определение показателей долговечности элемен­ тов затрудняется тем, что на долговечность элементов влияет совокупность различных факторов, которые не всегда можно учесть. Экспериментальное определение количественных характеристик долговечности элемента представляет собой сложную задачу, так как показатели долговечности (например, срок службы и ресурс) опреде­ лить во много раз сложнее, чем определить или измерить большинство других технических параметров аппара­ туры.

Рассматривая внешние дестабилизирующие факторы, необходимо отметить, что в некоторой степени удается

определить влияние их иа показатели долговечности элементов лишь при раздельном воздействии, например, температуры, влажности, давления и т. д. До сих пор нет достаточно полных обобщающих сведений о суммар­ ном воздействии дестабилизирующих факторов на аппа­ ратуру как во время эксплуатации, так и во время хра­ нения.

Оценка долговечности элементов, основанная на дан­ ных о характеристиках элементов и интенсивности воз­ действий, не только не исключает, но предполагает ис­ пользование вероятностных и статистических методов. Случайные колебания и изменения характеристик эле­ ментов и воздействующих факторов должны учитываться

врасчетах долговечности схем и конструкций элементов.

Всвязи с этим целесообразно рассмотреть методы, позволяющие оценить долговечность элементов, исходя из зависимости от характеристик и параметров элемен­

тов, их изменений, определяемых физико-химическими процессами в материалах, от характеристик интенсив­ ности эксплуатационных воздействий. Из практики из­ вестно, что наиболее полно отвечает этим требованиям функциональный метод расчета долговечности элемен­ тов на основании данных экспериментов.

Высокие требования к долговечности, длительные сроки работы без обслуживания и большая сложность замены отдельных элементов РЭА, а для некоторых практически полная невозможность замены отказавших элементов, сложные условия эксплуатации, обуслов­ ленные требованием получения высокой эффективности работы отдельных элементов — все это подчеркивает актуальность развития работ по исследованию долго­ вечности в этой области.

Чтобы добиться надежной работы РЭА при большом количестве входящих в нее элементов, необходимо по­ вышать долговечность каждого элемента.

Элементы РЭА подразделяются на электрические, электромеханические и механические. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транс­ форматоры, реле, переключатели и другие изделия, выполняющие определенные функции в электрической схеме.

В связи с тем, что обычно на 80—90% аппаратура состоит из типовых элементов, изготавливаемых специа-

4

лизированными заводами, каждый разработчик должен знать, чем определяется долговечность этих элементов и какими способами ее можно повысить.

Успех при конструировании долговечных элементов аппаратуры зависит от умения учитывать факторы, ко­ торые могут нарушить работоспособность или сохран­ ность этих элементов. Комплекс воздействующих фак­ торов весьма разнообразен. Как показал анализ стати­ стических данных об отказах, часто нарушения рабочих функций элементов изделий вызываются неправильным применением элемента, действием различных климати­ ческих факторов (влаги, температуры) и старением. Не­ стабильность параметров элементов, вызванная воздейст­ вием температуры, составляет 60—70%, а нестабиль­ ность, вызванная совместным действием температуры, влаги и старения, составляет 95—98% от общей неста­ бильности.

В реальных условиях все внешние влияния действуют на элемент совместно, но методически удобнее каждый вид воздействия рассматривать отдельно. При этом сум­ марная нестабильность параметров элементов, по су­ ществу, определяется производственными и эксплуата­ ционными допусками и практически сводится к расчету температурных допусков, допусков на влажность и ста­ рение.

Общеизвестно, что все изолирующие материалы при поглощении влаги ухудшают свои электрические харак­ теристики, причем при определенном значении погло­ щенной влаги эти характеристики могут стать ниже допустимого значения, что является причиной отказов элементов радиоэлектронной и электротехнической ап­ паратуры. Из конденсаторов наиболее чувствительны к воздействию влаги бумажные, слюдяные, керамические и стеклянные. Критическая влажность для них 30—50%.

Композиционные углеродистые резисторы поверхност­ ного и объемного типов увеличивают свое сопротивление при повышении влажности за счет набухания органиче­ ской связки. Для них критическая влажность 70—80%. Содержание 0,004% паров влаги по объему в гермети­ зированном корпусе кварцевого стабилизатора частоты вызывает отказ. Критическая влажность полупроводни­ ковых приборов — 40%. Пьезокерамические преобра­ зователи могут работать при влажности не выше 50%.

5

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВЛАГОЗАЩИТЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

1. Общие сведения о долговечности элементов РЭА

В теории надежности принято эксплуатационную надежность аппаратуры представлять как совокупность долговечности и сохраняемости отдельных элементов. При этом чаще всего под долговечностью понимают та­ кое состояние, при котором длительно сохраняется ра­ ботоспособность элемента (до разрушения или другого предельного состояния) в различных условиях окру­ жающей среды. Соответственно, под сохраняемостью считают такое состояние элемента, для которого связь между входными и выходными параметрами, находя­ щимися в допускаемых ' пределах в процессе хранения при различных условиях окружающей среды, опреде­ ляется каким-либо линейным или нелинейным уравне­ нием. Обычно данная связь определяется линейным или нелинейным оператором, строгое определение понятия которого требует привлечения основных сведений функ­ ционального анализа.

Разработка элементов РЭА, отличающихся высокой долговечностью и сохраняемостью при эксплуатации, выдвигает задачу изыскания новых методов конструиро­ вания и изготовления электрических, электромеханиче­ ских и механических элементов аппаратуры с увеличен­ ной устойчивостью при воздействии повышенной влаж­ ности окружающей среды. Под окружающей средой обычно понимается совокупность всех природных усло­ вий, в которых протекает производство, эксплуатация, хранение и транспортировка изделий. Среда характери-

7

зуется физико-химическими свойствами, биологическими факторами и теми воздействиями, которые она оказы­ вает на элементы РЭА в реальных условиях эксплуата­ ции. Создание элементов РЭА с длительной сохраняе­ мостью и долговечностью оказалось возможным лишь на основе достижения радиоэлектроники и кибернетики. При этом сохранение электрических параметров и ра­ ботоспособности элементов в условиях повышенной влажности достигается путем герметизации элементов. Применяемые при герметизации неорганические ди­ электрики могли бы надежно защитить изделие в атмо­ сфере повышенной влажности, но вследствие ряда техно­ логических причин плотность прилегания герметизи­ рующей оболочки из неорганического диэлектрика к выводу не может быть идеальной, а через неплотное соединение проникают пары воды. По экономическим и конструктивным соображениям приходится в боль­ шинстве случаев для герметизации использовать орга­ нические диэлектрики, которые принципиально влаго­ проницаемы и ограничивают срок службы радиодеталей в зависимости от влажности окружающей среды, при­ роды герметизирующего материала и свойств защищае­ мого элемента.

Статистика отказов

Электроэлемент обычно не предназначается для са­ мостоятельного практического применения вне связи с другими элементами. В принципе сложную систему можно разбить на любое число элементов, необходимое для исследования долговечности, причем деление си­ стемы на элементы нельзя считать произвольным. Это объясняется тем, что каждый элемент должен обладать способностью выполнять определенные функции в си­ стеме.

Из результатов эксплуатации и специальных испы­ таний элементов разработчики аппаратуры получают сведения об изменении параметров элементов в процессе работы и хранения в реальных условиях, что помогает оценить сохраняемость и эксплуатационную надежность РЭА, в состав которой входят электроэлементы. Ре­ зультаты анализа работы радиоэлектронного комплекса (состоящего из 500 000 шт. электрических и электромеха­ нических элементов), проработавшего 35 000 ч в усло­

8

виях повышенной относительной влажности (о. в.), по­ казали, что надежность электроэлементов относительно невысока (табл. 1). Необходимо подчеркнуть, что не­ смотря на относительно близкие данные об относитель­ ном числе отказов отдельных элементов влияние этих

Таблица 1

Статистические данные об отказах элементов РЭА

отказов на работу РЭА различно, так как одни элементы можно ремонтировать во время эксплуатации, а другие элементы — только при проведении капитального ре­ монта, вследствие чего в промежутках времени между капитальными ремонтами происходит накопление отка­ зов. Кроме того, среднее время обнаружения отказав­ ших элементов для одних блоков аппаратной части со­ ставляет 45 мин, а среднее время их устранения — 3—5 ч, в то время как для других блоков, например за­ бортных устройств, аналогичное время соответственно составляет около 8 и 25 ч.

Для того чтобы выявить,«какие элементы чаще ис­ пользуются в аппаратуре, т. е. для каких из них нужно в первую очередь искать новые конструктивные и тех­ нологические решения влагозащиты, были изучены ста­ тистические данные приемно-передающей аппаратуры (табл. 1). Основное количество элементов, предусмотрен­ ных схемой (около 90%), относится к соединительным

9