книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

4.Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Вкачестве материалов покрытий наибольшее распространение полу­ чили никель, медь, цинк, кадмий, олово и серебро. Толщина покрытия вы­ бирается в зависимости от материала и способа нанесения покрытия. Для улучшения механических и защитных свойств покрытий рекомендуются к применению многослойные покрытия из разнородных материалов.

Полученное химическим способом покрытие менее прочно, чем по­ крытие металлическое. Образующаяся при этом защитная пленка химически пассивна, устойчива, имеет хороший декоративный вид. Толщина покрытия обычно равна от 1... 15 мкм.

Оксидирование — получение окисной пленки на стали, алюминии и его сплавах. Такое покрытие имеет хороший внешний вид, антикоррозион­ ные свойства, но непрочно и микропористо. Последнее свойство покрытия позволяет его использовать как грунт под окраску.

Анодирование — декоративное покрытие алюминия и его сплавов электрохимическим способом. Защитная пленка химически устойчива, об­ ладает высокими электроизоляционными свойствами, надежно защищает от коррозии, может быть окрашена.

Фосфатирование — процесс образования на стали защитной пленки с

высокими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами, хоро­ шей адгезией. Получаемое покрытие пористо и недостаточно прочно. Фос­ фатные пленки используются как грунт под окраску.

Лакокрасочные покрытия защищают детали от коррозии. Как недоста­ ток следует отметить низкую механическую прочность и термостойкость. Этот вид покрытия применяется для окрашивания каркасов, кожухов, лице­ вых панелей приборов и т. п. Качественный внешний вид изделия обеспечи­ вается многослойным окрашиванием. Толщина лакокрасочного покрытия колеблется от 20 до 200 мкм. В табл. 4.6 приведены группы лакокрасочных покрытий и виды воздействий, которым они противостоят.

Таблица 4.6. Группы лакокрасочных покрытий

102

4.3. Защита от воздействия пыли

Лаковое покрытие толщиной 80... 130 мкм защищает плату с компо­ нентами от влажности. Недостатком лаковых покрытий является то, что они требуют высокой чистоты производственных процессов и усложняют заме­ ну неисправных компонентов. При эксплуатации покрытия скалываются, ломаются, шелушатся и загрязняют контакты электрических соединителей. Пары воды, попадая под покрытия, конденсируются и уменьшают электри­ ческое сопротивление между разобщенными цепями. При высыхании по­ крытия образующиеся мосты из лака между рядом расположенными выво­ дами компонентов передают механические напряжения на выводы и паяные соединения, вызывая короткие замыкания между рядом расположенными выводами, увеличивая вероятность отказа паяных контактов.

4.3. Защита от воздействия пыли

Пыль — смесь твердых частиц малой массы, находящаяся в воздухе во взвешенном состоянии или медленно оседающая на поверхность предметов. Различают пыль естественную, образованную на поверхно­ сти Земли под влиянием Солнца, вулканов и т. д., и техническую, кото­ рая является следствием износа оборудования, обработки материалов, сжигания топлива и пр.

При относительной влажности воздуха выше 75 % и нормальной тем­ пературе наблюдается рост числа частиц пыли, их коагуляция, увеличивает­ ся вероятность притяжения пыли к неподвижным поверхностям. При низкой влажности частицы пыли электрически заряжаются. Как правило, неметал­ лическая пыль заряжается положительно, металлическая — отрицательно. Заряд частиц чаще всего возникает из-за трения.

Загрязненность воздуха пылью значительно снижает бесперебойную и надежную работу ЭА. Пыль, попадая в смазочные материалы и прилипая к скользящим поверхностям деталей электромеханических узлов, приводит к ускоренному их износу. Максимальную опасность представляют частицы величиной 1.. .40 мкм.

Под воздействием пыли изменяются параметры и характеристики магнитных лент, дискет, магнитных головок, царапается и приходит в не­ годность магнитный слой. Пыль в зазорах контактов препятствует замыка­ нию контактов реле. Эти отказы контактов возникают из-за частиц пыли размером более 50 мкм. При частом переключении реле срабатывает эффект самоочистки контактов при их искрении.

Оседающая на поверхности некоторых металлов пыль опасна из-за своей гигроскопичности, поскольку уже при относительно небольшой влажности пыль существенно повышает скорость коррозии. Пыль, имеющая

103

4.Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

всвоем составе электролит, поглощает влагу из воздуха, многократно уси­ ливая коррозию. Пыль с поглощенными ею растворами кислот разрушает достаточно быстро даже очень хорошие краски. В тропических странах пыль часто является причиной роста плесени.

Слежавшаяся в процессе длительной эксплуатации на поверхности компонентов пыль снижает сопротивление изоляции, особенно в услови­ ях повышенной влажности, приводит к появлению токов утечек между выводами, что очень опасно для микросхем с малыми расстояниями ме­ жду выводами корпусов. Диэлектрическая проницаемость пыли выше диэлектрической проницаемости воздуха, что определяет завышение ем­ кости между выводами компонентов и, как следствие, увеличение емко­ стных помех.

Оседающая в изделии пыль препятствует естественному движению воздуха, снижает эффективность охлаждения изделия, образует на поверх­ ностях ПП, не защищенных лаковым покрытием, токопроводящие перемыч­ ки между проводниками.

Пыленепроницаемость ЭА или отдельных ее устройств может быть

достигнута установкой их в герметичные корпуса (см. ниже). Однако цри этом возрастает стоимость ЭА, ухудшается температурный режим рабо­ ты. Если корпус ЭА выполнен с перфорациями, пыль вместе с охлаж­ дающим воздухом проникнет внутрь ЭА естественным путем, либо при принудительном воздушном охлаждении — вместе с воздушными пото­ ками от вентиляторов. Таким образом, применение корпуса с вентиляци­ онными отверстиями для охлаждающего воздуха приводит к проникно­ вению внутрь изделия пыли. Уменьшить попадание пыли внутрь ЭА воз­ можно установкой на вентиляционные отверстия мелкоячеечных сеток, созданием внутри помещений, где эксплуатируется ЭА, соответствую­ щей чистоты воздуха.

Влажность воздуха играет большую роль в борьбе с негативным влия­ нием воздействия пыли. С повышением относительной влажности выше 70 % пыль коагулирует, не поднимается слабыми движениями потоков воз­ духа и не прилипает на элементы конструкции. Поэтому рекомендуется ре­ гулярное влажное протирание полов в залах вычислительных центров, при этом моющие средства не должны выделять паров, которые могут вызывать коррозию металлов.

Для устранения проникновения загрязненного воздуха из других по­ мещений в машинных залах вычислительных центров создается избыточное давление в 1...1,5 мм рт. ст. Используемые в помещениях строительные, отделочные, шумопоглощающие и изоляционные материалы не должны создавать пыль. Для предотвращения попадания в помещения запыленного воздуха с улицы оконные проемы должны быть герметичными.

104

4.4.Герметизация ЭА

4.4.Герметизация ЭА

Герметизация узлов, блоков и шкафов ЭА является надежным средст­ вом защиты от воздействия влажности и вредных веществ окружающей сре­ ды, пыли, изменения барометрического давления. Хотя МС и ЭРЭ постав­ ляются герметичными, но часто в процессе эксплуатации внутрь корпусов компонентов проникает влага, изменяя свойства материалов, вызывая ко­ роткие замыкания.

Модули первого уровня защищают покрытием лаком, заливкой эпок­ сидной смолой, пропиткой, особенно моточных изделий, опрессовкой гер­ метизирующими компаундами. Компаундом называется композиция на основе органических (смол, битумов, масел) или неорганических (алюмофосфатов, метаплометафосфатов) веществ. Герметизация компаундами улучшает элек­ троизоляционные и механические характеристики модуля. Однако низкая теплопроводность большинства компаундов ухудшает отвод теплоты, огра­ ничивает или делает невозможным ремонт, внутренние напряжения могут нарушить целостность деталей и электрических соединений.

Полная герметизация блоков и шкафов путем помещения в герметич­ ный кожух является самым эффективным способом защиты, но и самым до­ рогим. При этом возникает необходимость в разработке специальных кор­ пусов, прокладок, способов герметизации внешних электрических соедини­ телей, выходов жгутов, элементов управления и индикации. В условиях вакуума стенки герметизируемых изделий должны противостоять значи­ тельным усилиям из-за разницы давлений внутри и снаружи изделия. В ре­ зультате увеличения жесткости конструкции возрастает ее масса и размеры. Применение полной герметизации может потребовать введения в конструк­ цию клапана-регулятора для снижения давления внутри корпуса.

Существует большое разнообразие способов герметизации. Широко применяются упругие уплотнительные прокладки, устанавливаемые между крышкой и корпусом (рис. 4.13). При поджатии они уплотняют стык корпу­ са с крышкой. Утечка газа через уплотнение при сжатии прокладки на 25...30 % от ее первоначальной высоты происходит только за счет диффу­ зии. Большие усилия при сжатии не рекомендуются, поскольку из-за интен­ сивного старения прокладка быстро выходит из строя. Форма поперечного сечения прокладки может быть различной. Прямоугольные прокладки про­ сты в изготовлении, легки в использовании, способны обеспечить воздуш­ ную герметизацию габаритных изделий, но не защищают их от воздействий водяных паров. Давление между крышкой и корпусом получается низким, по­ скольку прокладка легко деформируется под воздействием стяжных винтов 3.

В качестве материала прокладок используют резину, обладающую вы­ сокой эластичностью, податливостью и способностью проникать в мель-

105

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Рис. 4.13. Герметизация упругой (резиновой) прокладкой:

/ — корпус; 2 — крышка;3 — винт; 4 — прокладка

чайшие углубления и неровности. Большие крышки требуют высокой жест­ кости и большого числа стяжных винтов с мелкой резьбой и для надежной герметизации изготавливаются на токарных станках.

Влага со временем проникает через все органические материалы, по­ этому изделия с прокладками из органических материалов обеспечивают защиту от водяных паров лишь на протяжении нескольких недель.

При эксплуатации аппаратуры в условиях сверхнизкого вакуума, больших давлений, высоких температур органические материалы применять запрещается, рекомендуется использовать металлы, керамику, стекло. Необ­ ходимо помнить, что источниками влаги могут оказаться литые конструк­ ции и конструкции, полученные экструзией, из-за пористости их поверхно­ сти. В порах скапливается влага, грязь, жиры и проникают в герметизируе­ мые объемы. Чтобы этого не происходило, подобные конструкции в вакууме пропитывают эпоксидной смолой.

Если температура внутри герметизируемых изделий ниже темпера­ туры окружающей среды, то при высокой влажности внутри изделия вла­ га будет конденсироваться, вызывая отказы. Вертикальной ориентацией плат и электрических соединителей обеспечиваются естественные пути отвода влаги в поддон изделия. Чтобы с конструкции легко скатывалась влага, поверхность ее должна быть гладкой. Избежать ловушек влаги, например, в углах несущих конструкций, где горизонтально ориентиро­ ванные элементы конструкции сочленяются с вертикальными, можно выполнением отверстий диаметром 5...7 мм. Влага из поддона сливается, либо испаряется.

Постоянства относительной влажности в определенных пределах внутри герметичного аппарата можно добиться введением внутрь изделия веществ, активно поглощающих влагу. Подобными веществами являются силикагель, хлористый кальций, фосфорный ангидрид. Однако они впиты­ вают влагу до определенного предела. Например, силикагель поглощает

106

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Рис. 4.15. Трубки-клапаны откачки воздуха:

1— трубка-клапан; 2 — корпус; 3 — сварной шов; 4 — компаунд; 5 — винт

Входные и выходные клапаны-трубки следует размещать на противо­ положных сторонах корпуса. Продувка азотом обеспечивает очистку полос­ ти корпуса от водяных паров. Клапаны-трубки привариваются к корпусу* или заливаются компаундом (рис. 4.15, а, б), затем защемляются. Защем­ ленная часть трубки при разгерметизации изделия срезается и при необхо­ димости повторно защемляется. Более удобна герметизация винтом 5 с ост­ рой кромкой, врезающейся при заворачивании в мягкий материал трубкиклапана (рис. 4.15, в).

Элементы управления и индикации герметизируются резиновыми чехлами, мембранами, электрические соединители — установкой на про­ кладки (рис. 4.16, а), заливкой компаундами (рис. 4.16,6), выходы жгутов — резиновыми зажимными шайбами (рис. 4.16, в).

Выбор способа герметизации определяется условиями эксплуатации, применяемыми материалами и покрытиями, требованиями к электрическо­ му монтажу. Окончательное решение о выборе способа герметизации при­ нимается после проведения натурных испытаний ЭА в камерах влажности.

Рис. 4.16. Герметизация соединителя (а, б) и выхода жгута (в):

1 — соединитель; 2 — корпус; 3 — прокладка; 4 — компаунд; 5 — зажимная шайба; 6 — жгут; 7— втулка

108

4.4. Герметизация ЗА

Рис. 4.14. Герметизация паяным швом и проволокой:

1 — корпус; 2 — прокладка; 3 — проволока; 4 — припой; 5 — крышка

около 10 % влаги от своей сухой массы. При этом относительная влажность внутри аппаратуры не превышает 80 %.

В особых случаях в качестве материалов прокладок применяют медь и нержавеющую сталь с алюминиевым или индиевым покрытием. Такие про­ кладки чаще всего выполняются трубчатыми с внешним диаметром 2— 3 мм при толщине стенок 0,1...0,15 мм. Усилие поджатая при герметизации ме­ таллическими прокладками составляет 20...30 кг на 1см длины прокладки. Желобок в крышке и корпусе изделия в поперечном сечении должен быть в форме эллипса. При расчете герметизации определяется усилие поджатая прокладки, затем вычисляются усилия затягивания и количество стяжных винтов.

При жестких требованиях к герметичности герметизацию выполняют сваркой или пайкой (рис. 4.14) по всему периметру корпуса. Конструкция корпуса изделия должна допускать неоднократное выполнение операций разгерметизации/герметизации. В углубление корпуса 1 устанавливается прокладка 2 из жаростойкой резины, на которую укладывается стальная лу­ женая проволока 3. Проволока по контуру изделия припаивается к корпусу, образуя шов. Свободный конец проволоки в виде отвода фиксируется в пазу на крышке 5. При разгерметизации изделия шов нагревают и припой вместе с проволокой легко удаляется. Повторную герметизацию можно осуществ­ лять многократно. Резиновая прокладка предохраняет изделие от перегрева при пайке шва. Ш ирина прокладки на 0,2...0,3 мм больше ширины зазора между крышкой и корпусом. Диаметр проволоки должен быть меньше ши­ рины зазора между крышкой и корпусом на 0,1 ...0,2 мм.

При герметизации внутренний объем герметизируемой аппаратуры заполняется инертным газом (аргоном или азотом) с небольшим избыточ­ ным давлением. Поскольку атмосфера земли в большинстве своем содержит азот, то при заполнении герметизируемого изделия сухим азотом свойства газа внутри изделия будут практически подобны свойствам воздуха. Закачка газа внутрь корпуса осуществляется через клапаны-трубки.

107

4.5.Защита от температурных воздействий

4.5.Защита от температурных воздействий

Микросхемы и ЭРЭ функционируют в строго ограниченных темпера­ турных диапазонах. Отклонение температуры от указанных диапазонов мо­ жет привести к необратимым структурным изменениям компонентов. По­ вышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ус­ коряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре затвердевают и растрескиваются резиновые дета­ ли, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейно­ го расширения материалов могут привести к разрушению залитых компаун­ дами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений и т. п.

Нормальным температурным режимом называется режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздейст­ вий обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гаран­ тированы, если температура среды внутри ЭА является нормальной и рав­ ной 20.. .25 °С. При этом следует помнить, что изменение температуры от­ носительно нормальной внутри ЭА на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, уве­ личению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, за­ тратам электрической энергии.

Задача обеспечения работоспособности при низких температурах решается нагревом в продолжении некоторого времени помещения с од­ новременным включением аппаратуры для подогрева. При достижении внутри изделия нормальной температуры приступают к его эксплуата­ ции. Далее из-за саморазогрева температура внутри изделия будет повы­ шаться и может возникнуть необходимость в его охлаждении. Нагрев удобнее проводить электрическими нагревательными элементами, уста­ навливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении, а для транс­ портируемой — встраиваемой в конструкцию. Температура контролиру­ ется либо при помощи термометров, размещаемых в ЭА в удобных для наблюдения местах, либо автоматически с выключением нагревателей после прогрева аппаратуры. При интенсивном нагреве холодного воздуха внутри прибора пары воды конденсируются на еще холодных поверхно­ стях конструкции до тех пор, пока не осядет вся избыточная влага возду­ ха. Дальнейший нагрев приведет к нагреванию конструкции и испарению влаги. Конденсация оказывается невозможной, если нагрев происходит медленно.

109

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Чаще всего конструктор решает задачу удаления избытка теплоты в результате саморазогрева аппаратуры. Как известно, передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

Теплоотвод кондукцией

С увеличением плотности компоновки ЭА большая доля теплоты уда­ ляется кондукцией. Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыде­ ляющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоот­ водящие шины, печатные платы на металлической основе и т. д. Количество теплоты QK(кал/с), передаваемое в статическом режиме кондукцией, опре­ деляется по выражению

где а т — коэффициент теплопроводности, кал/(с • см • °С); S — площадь, через которую проходит тепловой поток, см2; / — длина пути передачи теп­ лоты, см; At — разность температур между охлаждаемой конструкцией и окружающей средой, °С.

Выражение (4.5) можно представить как Q, - GAt, где G = a m —

тепловая проводимость. Величина, обратная тепловой проводимости, назы вается тепловым сопротивлением

I

(4.6)

OL-S

Коэффициенты теплопроводности некоторых конструкционных мате­ риалов приведены в табл. 4.7.

Для несложных по форме конструкций деталей, например, в виде ци­ линдра с подводом и отводом теплоты от торцевых поверхностей, найти те­ пловые сопротивления просто. Однако реальные конструкции деталей име­ ют достаточно сложную форму и это затрудняет определение их тепловых сопротивлений. Можно рекомендовать следующий способ получения теп­ ловых моделей:

•на поверхности детали условно наносится ортогональная коорди­ натная сетка;

•на пересечении линий координатной сетки выделяются узлы (если на поверхность детали осуществляется подвод или съем теплоты, то узлы обязательно должны находиться в этих точках);

ПО