Условия работы электронной техники

Факторы, влияющие на условия работы электронных устройств можно разделить на три группы

Характеристика условий влияющих на работу электронных схем

Управляемыми факторами называются такие, на которые можно воздействовать в процессе разработки, например:

  • напряжения питания, которое можно стабилизировать путем соответствующих схемных решений;
  • колебания температуры уменьшаемые применением специальной теплозащиты и термостатов;
  • колебания давления, которые можно уменьшить, используя герметизацию.

К слабоуправляемым факторам относятся удары, вибрация, постоянные ускорения, износ. Их действие можно уменьшать с помощью специальной защиты или других мер.

К неуправляемым факторам относятся физические и химические процессы, происходящие в материалах конструкции:

  • перекристаллизация;
  • поляризация диэлектрика;
  • изменение физических свойств полупроводниковых материалов;
  • большинство процессов старения.

Различают две среды, окружающие элементы конструкции:

  • внутренняя среда;
  • внешняя среда.

Внутренняя среда находится в небольшом объеме, окружающем ограниченное количество конструктивных элементов. Число таких локальных сред в одном устройстве может быть несколько. Они могут обладать существенно различными физико-химическими свойствами.

Внешняя среда находится в рабочем пространстве, окружающем устройство.

Окружающие объекты могут также оказывать заметное влияние на функции, выполняемые электронным устройством. Так, например, объекты, создающие сильные электрические, магнитные или электромагнитные поля, могут в большей или меньшей степени влиять на параметры элементов конструкции и, следовательно, на качество функционирования устройства.

Факторы, влияющие на состояние внутренней и внешней среды:

  • климатические условия.;
  • состав воздушной среды;
  • атмосферное давление;
  • солнечная радиация;
  • биологическая среда.

Климатические условия разделяют на четыре вида:

1)  Умеренный климат, где температура в основном от -300С до +350С, а относительная влажность воздуха до 80% при 200С.

2)  Холодный климат, где температура понижается на длительное время ниже -400С (Арктика, Антарктика, Сибирь, Аляска).

3)  Жаркий влажный (тропический) климат охватывает области, в которых в течение от 2 до 12 месяцев в году ежедневно и длительно температура воздуха превышает 200С, причем его относительная влажность выше 80% наблюдается не менее 12 часов в сутки. Для этого климата характерны сильные ливни с выпадением осадков до 100 за 10 минут (Восточная Индия, Бирма, Центральная и Западная Африка).

4)  Жаркий сухой климат охватывает области, где наблюдается высокая температура при снижении относительной влажности воздуха до очень низких величин. Ежедневно наблюдаются большие колебания температуры воздуха (пустыни Северной и Центральной Африки, Аравии, Ирана и Центральной Австралии).

В земной атмосфере наблюдались предельные значения температуры и влажности: -870С (Антарктида), +550С (Ливия), 98% влажности при температуре +400С (Восточная Индия, Бирма).

Одним из важных факторов, определяющих характер климатических воздействий, является содержание влаги. Различают увлажнение фазовой и адсорбционной пленкой влаги.

Фазовой называют пленку, которая образуется под действием осадков (дождь, морось, дождь со снегом) и росы.

За температуру начала выпадения росы (росообразования) принимают в зависимости от климатического района Земли одно из трех значений: +80С холодный район; +40С умеренный район; 00С тропический район.

Адсорбционной называют пленку, возникающую при отсутствии осадков и росы и при значительной относительной влажности воздуха (70% и более).

Продолжительность увлажнения поверхности адсорбционной и фазовой пленками влаги зависит от географического расположения пункта эксплуатации устройства, например, от 70 ч/год адсорбционной пленкой и 600 ч/год фазовой в Самарканде до 1870 ч/год адсорбционной пленкой и 2190 ч/год фазовой в Риге.

Состав воздушной среды.

Чистая воздушная среда встречается в местах, удаленных от промышленных районов, морей и океанов, влажных с большой растительностью и т. д. (сельские районы с умеренным климатом, горные районы).

Воздушная среда в промышленных районах в значительной мере загрязнена посторонними примесями: сернистыми и углекислыми газами, аммиаком, дымом, парами нефти, бензина, а также взвешенными частицами угля, сажи, пыли и т.п.

Дисперсность пыли является наиболее существенным свойством. Определяющим ее физико-химическую активность. Пыль способна легко распространяться в пространстве, проникать через неплотные соединения и равномерно, медленно оседать под действием силы тяжести. Количество пылинок размером до 5 мкм составляет 95% от всего количества пылинок, а их вес 7%.

В зависимости от состава пыль можно разделить на минеральную пыль (кварц и полевой шпат), органическая пыль (споры растений, плесневые грибки, бактерии, вирусы, мельчайшие остатки насекомых и растений, частицы волокон и хлопка) и городская пыль (содержит около 50% органических веществ, состоящих из сажи и смол).

Воздушная среда вблизи морей содержит примеси солей, входящих в морскую воду. В ней могут находиться и взвешенные частицы морской воды.

Атмосферное давление вблизи поверхности Земли непрерывно меняется. При тропических циклонах это изменение достигает 25-30 мм рт. ст. за сутки. На уровне моря отмечены минимальное давление 684 мм рт. ст. и максимальное 808 мм рт. ст. с увеличением высоты над уровнем моря давление падает, например, на высоте 5 км давление падает вдвое.

Солнечная радиация оказывает непосредственное воздействие на поверхность элементов конструкции, находящихся на открытом воздухе. Энергия солнечных лучей сосредоточена в основном в области длин волн 0,2-0,5 мкм. На ультрафиолетовую область приходится 9% энергии, на видимую и инфракрасную область - 50%. Энергия солнца, достигающая земной поверхности, колеблется в пределах от 1,3 до 2 кал/см2 в мин в зависимости от поглощающей способности атмосферы.

Биологическая среда оказывает большое влияние на элементы конструкции электронного устройства.

Грибковые образования (или плесень) относятся к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. Вегетативное тело грибков представляет собой войлокообразное сплетение тонких ветвистых нитей диаметром в тысячные доли миллиметра.

Размножение и распространение плесени осуществляется посредством спор с размерами до 10 мкм и легко переносятся в пространстве ветром.

Грибковые образования в процессе жизнедеятельности выделяют продукт обмена вещества метаболиты. Некоторые из них состоят из различного вида кислот, вызывающих коррозию металлов или разложение изоляционных материалов.

В вегетационный период плесень состоит на 90% из воды и, тем не менее, она обладает сильной гигроскопичностью. Во влажной атмосфере плесень поглощает такое количество воды, что полностью утопает в ней.

Наиболее благоприятными условиями для развития плесени является тропический климат. Считают, что оптимальными условиями для развития всех видов плесени является высокая влажность воздуха (более 85%), температура от 20 до 300С и неподвижность воздуха. Плесень не растет при влажности ниже 75% и отсутствии в питательной субстанции гигроскопических веществ.

Складское помещение с малоподвижным воздухом, сырое и теплое способствует росту плесени.

Характеристика условий влияющих на работу электронных схем

Механическая деформация деталей.

Очевидно, что изменение температуры дает тем большее приращение размеров тела, чем больше его линейные размеры и коэффициент линейного расширения . Стрела прогиба стержня, закрепленного  с двух концов, равна примерно величине его удлинения с двух сторон и может составлять относительно большую величину.

Разность в линейных расширениях материалов часто является причиной нарушения герметичности конструкций. Деформации, вызываемые большими перепадами температур, нередко приводят к разрушению паяных швов и, как следствие, к нарушению герметизации (например, при соединении керамических изоляторов с корпусом герметичных конструкций).

Тонкие монтажные провода с большим предварительным натягом при понижении температуры обрываются в большинстве случаев в местах соединения провода обмотки (толщиной меньше 0,15 мм) с жесткими (неподвижными) выводами.

Высыхание и пересыхание защитных покрытий с деформацией и растрескиванием происходит за счет медленно протекающих химических процессов, называемых тепловым старением. Тепловое старение ускоряется при освещении материала ультрафиолетовыми лучами, при воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Влияние влажности на элементы электронных устройств.

Вода в виде дождя или конденсата на поверхности элементов конструкции образует водяные пленки, а при ударе ее капель производит механические действия.

Кроме того, вода, находящаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными веществами, вследствие чего она легко вступает в химическую реакцию с различными веществами. В состав воды входят углекислые и сернистые соли кальция, магния, железа, хлористый натрий, органические и неорганические частицы, а также растворенные газы воздуха: азот, кислород и углекислый газ.

В промышленных районах в дождевой воде имеются примеси серной и сернистой кислот. В странах с тропическим климатом содержание азотной кислоты в дождевой воде значительно больше, чем в средних широтах.

Электролиз совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока. При высокой влажности на элементах конструкции ЭУ, находящихся под электрическим потенциалом, возможно взаимодействие раствора (анионов и катионов) с электродами, т.е. элементами конструкции. При этом происходит выделение на электродах вещества или пузырьков газа из раствора.  В результате повышается способность к коррозии, резко увеличивается переходное сопротивление в местах электрического контакта, возможно разрушение или значительное ухудшение свойств деталей, выполняющих функцию изоляции.

Коррозия самопроизвольное разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела, при его взаимодействии с внешней средой. Различают атмосферную и контактную коррозию.

Скорость атмосферной коррозии зависит:

  • от величины относительной влажности;
  • от наличия активных газов и частиц в атмосфере и на поверхности металла;
  • от температуры;

Контактная коррозия металлов при некоторых условиях может оказывать значительно больший отрицательный эффект, чем атмосферная. Особенно сильной контактной коррозии подвержены соединения металлов с существенно различными контактными потенциалам

Климатические исполнения и категории размещения электронных устройств

Для защиты изделий от климатических воздействий предусмотрено девять основных исполнений:

  1. Исполнение У для районов с умеренным климатом со среднегодовыми экстремумами температуры от -450С до +400С.
  2. Исполнение УХЛ для районов с умеренным и холодным климатом со среднегодовом минимуме температуры ниже -450С.
  3. Исполнение ТВ для районов с влажным тропическим климатом, при котором сочетание температуры, равной или выше +200С, и влажности равной или выше 80%, наблюдается не менее 12 часов в сутки в течение двух и более месяцев в году.
  4. Исполнение ТС для районов с сухим тропическим климатом со среднегодовой температурой, равной или выше +400С, которые не отнесены к районам с влажным тропическим климатом.
  5. Исполнение М для районов с умеренно холодным морским климатом, включающим моря, океаны и прибрежные территории, расположенные севернее 300 северной широты или южнее 300 южной широты.
  6. Исполнение ТМ для районов с тропическим морским климатом, включающих моря, океаны и прибрежные территории, расположенные между 300 северной широты и 300 южной широты.
  7. Исполнение О общеклиматическое исполнение для суши (кроме Антарктиды).
  8. Исполнение ОМ общеклиматическое морское для судов и кораблей с неограниченным районом плавания.
  9. Исполнение В всеклиматическое исполнение для суши и моря (кроме Антарктиды, на которую классификация климатических исполнений не распространяется; аппаратура для атлантического климата разрабатывается и изготавливается по специальным заказам).

Кроме климатических исполнений различают категории размещения электронной аппаратуры на объекте эксплуатации, например:

  • эксплуатация на открытом воздухе;
  • эксплуатация под навесом и на объектах, где колебания температуры или влажности несущественно отличаются от условий открытого воздуха;
  • эксплуатация в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без кондиционирования;
  • эксплуатация в помещениях с искусственным климатом;
  • эксплуатация в помещениях с повышенной влажностью ( подвалах, шахтах и трюмах с наличием воды).

В ГОСТ 15150-69 приведены данные по воздействию температур (рабочих и предельных) и влажности в зависимости от климатических воздействий и категории размещения.