книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры
..pdf4.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
Группа покрытий
Водостойкие
Специальные
Маслобензостойкие Химически стойкие
Термостойкие
Электроизоляцион
ные
Виды внешних воздействий
Морская, пресная вода и ее пары Облучение, глубокий холод, открытое пламя, биологи ческое воздействие и пр.
Минеральные масла и смазки, бензин, керосин Различные химические реагенты; агрессивные газы, па ры и жидкости; растворы кислот и солей Температура выше +60 °С
Электрический ток, коронные и поверхностные разряды
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.
а |
б |
а |
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
а = а . у ^ . |
(4-5) |
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
4.5.Защита от температурных воздействий
•между узлами в вертикальном и горизонтальном направлениях опреде ляются тепловые сопротивления фрагментов детали по выражению (4.6);
•составляются уравнения теплового баланса;
•для каждого узла детали определяется температура перегрева.
Таблица 4.7. Коэффициенты теплопроводности материалов
Неметаллы |
От, кал/с-см °С |
Металлы |
а т, кал/ссм*°С |
Воздух |
0,000063 |
Титан |
0,037 |
Гетинакс |
0,00045 |
Сталь |
0,10...0,14 |
Резина |
0,0003.-0,0006 |
Цинк |
0,24 |
Слюда |
0,0017 |
Алюминий |
0,29...0,37 |
Стекло |
0,0021 |
и его сплавы |
|
Магний |
0,17...0,38 |
||
Стеклотекстолит |
|
и его сплавы |
|
0,043 |
Бронза |
0,54 |
|
фольгированный |
|
Медь |
0,54 |
Пример. На пластину установлены тепловыделяющие элементы QX...Q4 (рис. 4.17). Отвод теплоты осуществляется внизу в месте закрепления пластины. Коэффициент теплопроводнсти пластины во всех направлениях одинаков. Расстоя ния между тепловыделяющими элементами, элементами и краями пластины одина ковы (в этом случае тепловые сопротивления между элементами и краями пластины будут одинаковы). Для перехода к тепловой модели условно наложим на пластину сетку так, чтобы все тепловыделяющие элементы оказались в узлах этой сетки.
От тепловой модели перейдем к электрической (рис. 4.18), заменив показате ли температуры в узлах сетки электрическими потенциалами, тепловые сопротив ления — омическими сопротивлениями, а тепловые потоки — токами. При этом
Рис. 4.17. Пластина с тепловыделяющими |
Рис. 4.18. Тепловая (электрическая) |
элементами |
модель |
|
III |