книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Таблица 4.1. Параметры конструкционных материалов

Приклеивая компоненты к плате, в значительной степени улучшают надеж­ ность паяных соединений. Защитное лаковое покрытие толщиной 0,1...0,25 мм жестко фиксирует компоненты и увеличивает надежность ЭА.

Механические напряжения на паяные соединения от воздействия виб­ раций можно уменьшить:

• увеличением резонансных частот, что позволяет уменьшить прогиб платы (в выражении для расчета прогиба платы у0 = 254GQI / 02, мм собст­

венная частота^ находится в знаменателе; G — внешнее воздействие; Q — добротность платы);

•увеличением диаметра контактных площадок, что повышает проч­ ность сцепления контактной площадки с платой;

•подгибом и укладыванием выводов элементов на контактную площадку, что увеличивает длину и прочность сцепления паяного соединения (рис. 4.8);

•уменьшением добротности платы на резонансе ее демпфированием многослойным покрытием лака.

92

4.1. Защита конструкции от механических воздействий

Таблица 4.2. Характеристики конструкционных пластмасс

При расчетах на прочность электронные элементы приводятся к рас­ четным моделям рам, для которых задаются условия закрепления и опреде­ ляются усилия отрыва и изгибающие моменты. Добротность печатной пла­

При проектировании методом наихудшего случая, когда требуется опреде­ лить наибольшие нагрузки и прогиб, численный коэффициент следует взять максимальным.

При вибрациях ПП прогибаются и при малых зазорах между платами, например в блоке, возможно их соударение и, как следствие, короткие

1 2

3

Рис. 4.8. Ориентация выводов элемента на поверхности контактной площадки:

/ — печатная плата; 2 — элемент; 3 — контактная площадка

93

4.Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Та б л и ц а 4.3. Экспериментальные данные собственных частот ПП

замыкания между элементами, а затем их механическое разрушение. Мини­ мальный шаг установки плат должен выбираться с учетом прогиба плат и превышать его максимально возможную величину.

В табл. 4.3 приведены экспериментальные данные по собственным частотам ПП в зависимости от их линейных размеров. Материал плат — стеклотекстолит, монтаж элементов — двусторонний, фиксация платы — по всему периметру. Чтобы собственные частоты превысили границы верхнего диапазона частот внешних воздействий, необходимо увеличивать толщину или уменьшать ширину (длину) платы.

Таблица 4.4. Приведение реальной конструкции к расчетным моделям

94

4.1. Защита конструкции от механических воздействий

Рис. 4.9. Конструкция блока:

I — панель соединителей; 2,3 — стойки; 4 — задняя крышка; 5 — плата; 6 — верхняя крышка; 7— микросхема; 8 — боковая крышка; 9 — основание

На примере блока бортовой аппаратуры (рис. 4.9) показаны результаты преобразования деталей и узлов конструкции в расчетные модели (табл. 4.4).

Для проведения собственно расчетов необходимо знать диапазон час­ тот внешних воздействий, виброперегрузки, ориентированные в трех взаим­ но ортогональных направлениях, размеры и материалы деталей конструк­ ции. Для вибраций, перпендикулярных плоскости основания (вдоль оси Y), наименьшую жесткость имеют детали 5, б, 9; для вибраций, направленных вдоль осей соединителей (оси Z) — детали 1 ,4 и сборочный узел из двух печатных плат на стойках 2, 5; для вибраций вдоль оси X — деталь 8 и сбо­ рочный узел.

Ф иксация крепежных элементов

При воздействии вибраций возможно отвинчивание крепежных эле­ ментов, для предотвращения которого вводят фиксаторы, увеличивают силы трения, устанавливают крепеж на краску и пр. При выборе методов фикса­ ции крепежных элементов должны учитываться следующие соображения:

•обеспечение прочности соединения при заданных нагрузках и кли­ матических воздействий;

•быстрота выполнения соединения, его стоимость;

•последствия, к которым приведет отказ соединения;

•срок службы.

При выборе крепежных элементов следует принимать во внимание возможность замены износившихся или поврежденных деталей, использо­ вать вместо винтовых пар быстро сочленяемые элементы: петли, защелки, собачки и пр. Болты должны быть ориентированы головкой вверх, чтобы

95

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Рис. 4.10. Элементы фиксации и способы фиксации крепежных элементов

при отвинчивании гайки болты оказывались на установочном месте. Реко­ мендуется применять несколько больших крепежных деталей вместо боль­ шого числа маленьких. Число оборотов, необходимых для затягивания или отпускания винта, должно быть не менее 10.

На рис. 4.10 приведены различные способы фиксации крепежных эле­ ментов. Пружинная шайба (рис. 4.10, а) фиксирует гайку или головку винта и устанавливается между гайкой или головкой винта и поверхностью соединяе­ мой детали. Для предохранения от соскабливания покрытий соединяемых де­ талей острой режущей частью пружинной шайбы между ней и поверхностью детали устанавливается плоская шайба. На рис. 4.10, б показана разновидность пружинной шайбы — зубчатая пружинная шайба. Зубцы шайбы ориентируют­ ся по внешней или внутренней поверхности. В первом случае детали фиксиру­ ются надежно, не вызывая повреждение поверхности тела винта. После затяги­ вания гайки участок стопорной шайбы, противоположный стопору (см. рис. 4.10, в), отгибают, прижимая его к поверхности гайки. В отверстие, просвер­ ленное после затягивания гайки, устанавливают штифт (см. рис. 4.10, г). Ко­ рончатая (прорезная) гайка фиксируется шплинтом (см. рис. 4.10, д), проходя­ щим через отверстие в теле болта. В головках болтов просверливаются отвер­ стия, через которые протягивается и закручивается страховочная проволока (см. рис. 4.10, ё). Гайка с деформированной резьбой в верхней своей части при

96

4.1. Защита конструкции от механических воздействий

затягивании фиксируется трением на резьбе болта (нижняя часть гайки имеет цилиндрическое отверстие и нормальную резьбу — см. рис. 4.10, ж). На рис. 4.10, з показана фиксация болта двумя гайками. Условие надежной фикса­ ции: нижняя гайка должна плотно прилегать к контргайке. На рис. 4.10, и при­ веден перфорированный элемент, действующий как самоконтрящаяся гайка. На рис. 4.10, к и 4.10, л показаны примеры установки крепежных элементов на краску (головка винта и шайба, болт и гайка фиксируются краской).

Расчет срока службы конструкции

При колебаниях в конструкциях возникают переменные напряжения и конструкции могут разрушаться при нагрузках, значительно меньших пре­ дельной статической прочности материалов из-за появления микротрещин, на рост которых влияют особенности кристаллической структуры материа­ лов, концентрации напряжений в углах микротрещин, условий окружающей среды. По мере развития микротрещин поперечное сечение детали ослабля­ ется и в некоторый момент достигает критической величины — конструкция разрушается.

Если масса изделия не является критическим фактором, то конструкцию упрочняют, используя материалы с запасом, избегают введения отверстий, над­ сечек, сварных швов, ведут расчеты конструкций методом наихудшего случая.

Срок службы конструкции при вибровоздейсгвиях определяется чис­ лом циклов до разрушения, которое может выдержать конструкция при за­ данном уровне механической нагрузки и внешних условиях. Усталостные характеристики материалов выявляются на группе образцов при знакопере­ менной повторяющейся нагрузке ст как функции от числа циклов п (рис. 4.11).

При определении срока службы вычисляются собственные частоты и динамические напряжения в конструкции. Затем по усталостной характери­ стике материала для найденного значения динамического напряжения нахо­ дят число циклов до разрушения и срок службы.

Пример. Определить срок службы теплоотвода из алюминиевого сплава мас­ сой 30 г, на котором установлены 4 диода мостовой выпрямительной схемы вто­ ричного источника питания общей массой 60 г (рис. 4.12). Конструкция подвергает­ ся вибрационным нагрузкам ортогонально установочной плоскости диодов с пере­

грузкой Kg =10. Для алюминиевого сплава модуль упругости Е = 68,7 • Ю’Н/м.

Резонансную частоту теплоотвода для равномерно распределенной нагрузки можно определить по формуле

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

аЛО\ Нм2

Общая масса конструкции включает массу пластины и диодов и составляет 90 г. Нагрузка на теплоотвод

Р / = mKgll = 0,09 • 10 • 9,81/0,09 = 98,1 Н/м;

момент инерции сечения

j = 6А3/12 = 0,06(2 • 10'3)3/12 = 0,04 • Iff* м4;

собственная частота теплоотвода

/ о = 0,5^68,7 • 10’ • 0,04-10’’ • 9,81/98,1/0,09’ = 36,5 Гц.

Для определения динамической нагрузки на резонансе необходимо знать добротность системы, которую определим по приближенной формуле

б - 1.257Л =7,55.

Динамическая нагрузка на теплоотвод определяется из выражения

Р = (?Рр' =741 Н/м,

а изгибающее напряжение

а = Pf(h/2)/(2bh'/l2) = 3Pal2/(bh2) * 7 • 107 Н/м2.

Таким образом, конструкция выдержит до разрушения около 106 циклов, что

работы.

98

4.2. Защита ЭА от воздействия влажности

Конструкционные материалы

Конструкционный материал должен удовлетворять заданными меха­ ническими и физическими свойствами, обладать легкостью в обработке, коррозионной стойкостью, низкой стоимостью, иметь максимальное отно­ шение прочности к массе и пр.

Как говорилось выше, основой любой ЭА является несущая конструк­ ция (НК), обеспечивающая его конструктивную целостность и защиту от ме­ ханических воздействий. В зависимости от сложности НК выполняют в виде единой детали либо составной, включающей несколько деталей, объединен­ ных в единую конструкцию разъемными или неразъемными соединениями.

Основное назначение конструкционных материалов — нести нагруз­ ку, передавать усилия, скреплять, удерживать, предохранять от разрушений. Задача конструктора — выбрать из доступных материалов такие, которые в наилучшей степени удовлетворяют конструктивным требованиям.

Минимизация массы — важнейшее условие конструирования пере­ носной, передвижной и бортовой ЭА. Снижение массы аппаратуры позволя­ ет уменьшить габариты, расходы материалов, затраты на производство и эксплуатацию, себестоимость изделий.

В микроминиатюрной аппаратуре масса несущих конструкций дости­ гает 70 % от общей массы ЭА. Основной путь к снижению массы изделий — облегчение несущих конструкций при одновременном обеспечении ими требований Прочности и жесткости. Для этого необходимо:

•из нескольких возможных вариантов НК выделять решения, позво­ ляющие получить минимум массы конструкции;

•выбирать материалы деталей с учетом удельной прочности и жест­ кости, используя легкие сплавы и неметаллы;

•придавать деталям равную прочность в каждом сечении;

•вводить отверстия, выемки, проточки, удаляя из деталей материал, не несущий нагрузку;

•вводить ребра жесткости, отбортовки, выдавки.

4.2. Защита ЭА от воздействия влажности

От прямого воздействия влаги ЭА, как правило, не защищена и не должна эксплуатироваться в этих условиях. Однако на работающую аппара­ туру воздействуют пары влаги окружающего воздуха или какой-либо иной газовой среды, в которой эксплуатируется аппаратура. В техническом зада­ нии на разработку всегда указывается относительная влажность воздуха. Нормальной влажностью считается относительная влажность 60...75 % при температуре 20.. .25 °С.

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Возможна конденсация водяных паров на холодных поверхностях конструкции как внутри аппаратуры, так и снаружи. Выпадение росы (кон­ денсация) вызывается понижением температуры, которое практически все­ гда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры. На­ пример, если в течение дня влажность внутри ЭА составляла 70, 50 и 35 %, то точка росы оказывается соответственно на 5, 10 и 15 °С ниже температур, которые имели место днем внутри ЭА.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приве­ дением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на хо­ лодных элементах конструкции. В результате движения потоков воздуха влага будет осаждаться на одних и тех же местах. Капли конденсата будут стекаться в поддон конструкции и собираться в местах «ловушек влаги». В результате аппаратура будет находиться под постоянным воздействием влаги.

При длительном воздействии высокой влажности металлические кон­ струкции подвергаются коррозии, органические материалы — набуханию и гидролизу. Продуктом гидролиза являются органические кислоты, разру­ шающие органические материалы и вызывающие интенсивную коррозию металлических несущих конструкций. Наличие во влажной атмосфере про­ мышленных газов и пыли приводит к прогрессирующей коррозии. В резуль­ тате создания благоприятных условий для образования плесени воздействие влаги может многократно усилиться.

Хотя параметры аппаратуры при этом не изменяются, однако корро­ зия недопустима, поскольку ухудшает внешний вид изделия, а с течением времени рыхлая окисная пленка может оказаться в гнездовых контактах со­ единителей, что приводит к трудно устранимым отказам.

Существенно влияние влажности на электрические соединения. При повышенной влажности корродируют проводники, на разъемных контактах появляются налеты, ухудшающие их качество, отказывают паяные соедине­ ния, особенно если они загрязнены.

Слоистые диэлектрики, поглощая влагу, меняют параметры и харак­ теристики. Образование на печатных платах водяной пленки приводит к снижению сопротивления изоляции диэлектриков, появлению токов утечки, электрическим пробоям, механическим разрушениям (поломкам, разрывам, заклиниванию) вследствие набухания-высыхания материала. Из-за погло­ щения влаги значительно уменьшается электрическая прочность, что осо­ бенно сказывается на работоспособности высоковольтных узлов, вызывая их возгорание. Влажность ускоряет разрушение лакокрасочных покрытий, нарушает герметизацию и целостность заливки элементов влагозащитными материалами. За 3— 4 года эксплуатации при относительной влажности ни­ же 20 % и температуре +30 °С полностью высыхает изоляция проводов, в результате чего она становится ломкой, меняет свойства.

100

4.2. Защита ЭА от воздействия влажности

Защита аппаратуры от воздействия влажности осуществляется соот­ ветствующими материалами, покрытиями, применением усиленной венти­ ляции сухим воздухом, поддерживанием внутри изделий более высокой температуры, чем температура окружающей среды, использованием погло­ тителей влаги, разработкой герметичной аппаратуры.

Даже в относительно несложных конструкциях ЭА используются раз­ личные материалы. Коррозия протекает более интенсивно при контактиро­ вании материалов с существенно различными электрохимическими потен­ циалами. Металл с отрицательным потенциалом гальванической пары будет разрушаться и тем быстрее, чем больше разница их электрохимических по­ тенциалов. Электрохимические потенциалы металлов в пресной и морской воде представлены в табл. 4.5.

Таблица 4.5. Электрохимические потенциалы металлов

Если по тем или иным причинам невозможно заменить металлы с высокой разницей электрохимических потенциалов, то на них наносятся защитные по­ крытия. Применяются металлические, химические и лакокрасочные покрытия.

Металлические покрытия образуют с основным материалом детали контактную пару. В зависимости от полярности потенциала различают по­ крытия анодные (отрицательный потенциал покрытия по отношению к ос­ новному металлу) и катодные (положительный потенциал покрытия). При коррозии может разрушаться как основной металл детали, так и покрытие. Разрушение происходит из-за наличия пор в покрытиях, повреждений в ви­ де сколов, царапин, трещин, возникающих в процессе эксплуатации, и будут тем интенсивнее, чем больше разница электрохимических потенциалов ме­ жду основным металлом и покрытием. При анодном покрытии вследствие коррозии разрушается само покрытие, основной материал детали не подвер­ гается разрушению. При катодном покрытии все происходит наоборот.

101