Факторы внешних воздействий
На этапе эксплуатации ЭС проявляется комплекс факторов с обобщенным названием «внешние воздействия». Анализ всех видов внешних воздействий показывает, что все они по физике воздействия могут быть разделены на два основных класса:
- воздействия, вызывающие немедленную ответную реакцию изделия. К ним относятся механические воздействия, воздействия различных видов излучений, тепловые и электрические нагрузки и т.п.
- воздействия, вызывающие накапливающуюся реакцию изделия. К данному классу воздействий относятся различные климатические факторы, такие, как влажность, солянной туман, агрессивные среды, плесневые грибки и др. Этот класс воздействия не вызывает мгновенных изменений характеристик ЭС, не оказывает непосредственного влияния на их электрофизические параметры. Однако при длительном нахождении ЭС в условиях данного класса воздействий, постепенно ухудшаются прочностные характеристики конструкции, нарушается герметичность ЭС. Окружающая среда получает доступ к активным областям элементов, в результате чего постепенно изменяются их параметры и в дальнейшем происходит отказ ЭС.
Классификация видов воздействия приведена на рис. 1.1.
Исходя из требований и поведения изделий при воздействии внешних факторов, различают следующие их свойства:
- прочность, т.е. способность изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных в нормативно-технической документации (НТД) после воздействия того или иного внешнего фактора или комплекса факторов;
- устойчивость, т.е. способность изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры, установленные в НТД, во время воздействия того или иного внешнего фактора или комплекса факторов.
Таким образом, говоря о прочности изделия, мы предполагаем сохранение работоспособности изделия после воздействия этого фактора. При этом вполне возможно, что в процессе воздействия внешнего фактора происходила временная потеря работоспособности изделия.
Устойчивость же к воздействию внешних факторов более широкое понятие, оно предполагает сохранение работоспособности изделием как в процессе, так и после воздействия внешнего фактора.
Теперь более подробно рассмотрим основные виды внешних воздействий.
Механические воздействия
Современные ЭС различного назначения при эксплуатации и транспортировке обычно находятся в условиях динамических воздействий:
- вибрации;
- ударных и линейных перегрузок;
- акустических шумов,
Рисунок 1.1
частотный и амплитудный диапазоны которых весьма широки. Это сложное вибрационное и другие динамические воздействия передаются на элементы аппаратуры, вызывая нарушения нормального режима работы механических повреждений элементов. Опасность механических повреждений увеличивается из-за постоянного обогащения акустического спектра подвижных объектов высокочастотными составляющими.
Так, мощность акустических нагрузок, генерируемых двигателями современного реактивного самолета, доходит до сотен киловатт, а суммарные мощности акустических нагрузок при работе двигателей космических ракет достигают сотен мегаватт. Уровни переменного давления у поверхности летательного аппарата достигают 170…190 Дб. С расширением частотного диапазона до 5000 Гц.
При воздействии механических нагрузок на элементы конструкции ЭС в них возникают динамические и статические деформации, сопровождающиеся сложными колебательными процессами, так как корпусные элементы представляют собой своего рода колебательную систему, состоящую из балок, стержней, с различными видами закреплений концов и нагруженных сосредоточенной и распределенной массой.
Следует обратить внимание, что ЭРЭ, находящиеся в составе ЭС, также подвержены механическим воздействиям. Причем их реакция имеет более сложный характер, заключающийся в том, что под действием механических воздействий в них возникают не только локальные напряжения в конструкции, но и изменение электрических характеристик. В качестве примера проанализируем реакцию полупроводниковых приборов на механические воздействия. Для этого разделим полупроводниковый прибор на три элемента:
- корпус;
- внутренняя арматура;
- активный элемент.
Реакция корпуса полупроводникового прибора, обусловленная его деформацией за счет вибрации или акустических воздействий, проявляется в виде:
- знакопеременных механических напряжений в элементах корпуса;
- деформации сопряженных с корпусом элементов внутренней арматуры и полупроводникового кристалла;
- изменения диэлектрических свойств и удельного сопротивления материала, накопления статического заряда на изоляционных элементах корпуса;
- деградации конструкции корпуса (в результате усталостных явлений в материале).
Реакция внутренней аппаратуры, обусловленная деформацией корпуса прибора, проявляется в виде:
- знакопеременных механических напряжений в элементах;
- механических колебаний элементов;
- деформации полупроводникового кристалла в местах его соединения с элементами внутренней арматуры;
- деградации конструкции элементов внутренней арматуры (за счет усталости, разрушения, отслаивания).
Реакция активного элемента, обусловленная деформацией корпуса прибора и сопряженных с ним элементов внутренней арматуры, проявляется в виде:
- знакопеременных механических напряжений на элементах структуры p-n-перехода и полупроводникового кристалла;
- деформации проводящих элементов на поверхности полупроводникового кристалла, отслаивания и обрыва полупроводников;
- деформации переходного слоя межу активным элементом и основанием, отрыва кристалла от кристаллодержателя;
- деградации активного элемента прибора, растрескивания и разрушения кристалла.
Одновременно с реакцией механического характера возможно возрастание уровня электрических шумов за счет токов, наводимых на колеблющихся элементах, и «разрытие» ВАХ p-n-переходов из-за тензочувствительности полупроводникового кристалла (т.е. изменение сопротивления кристалла при его деформации).
Таким образом, в процессе эксплуатации ЭС подвержены различным механическим воздействиям, причем им подвергаются все составные их части, поэтому требуется проведение механических испытаний.
Климатические факторы
Под климатом понимается характерная для данной области (региона) совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обусловливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земной поверхности, вертикальным теплообменом и другими метеорологическими факторами за длительный (20…30 лет) период.
Основными климатическими факторами окружающей среды являются:
- солнечная радиация;
- температура и относительная влажность воздушной среды, ее плотность;
- движение и наличие в ней твердых и газообразных примесей: снег, иней, туман, роса, плесневые грибки и т.п.
Нормальными климатическими условиями являются:
- температура +25±10 0С,
- относительная влажность 45…80%,
- атмосферное давление (8.3…10.6) ·104 Па (630…800 мм рт. ст.).
Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатических факторов. Уровень солнечной радиации и свойства окружающей среды в данном конкретном месте земной поверхности определяют температуру окружающей среды. Для ЭС с естественным воздушным охлаждением за температуру окружающей среды принимается температура воздуха на уровне расположения ЭС и на расстоянии, на котором влиянием теплоты, выделяемой ЭС, можно пренебречь. Для ЭС с принудительным охлаждением за температуру внешней среды принимают температуру охлаждающего реагента на входе системы охлаждения.
В результате остывания атмосферного давления ниже точки росы, образуются жидкие (дождь, туман, роса) и твердые (снег, град, иней) осадки.
В результате горизонтального движения воздуха образуется ветер. Его характеризуют направлением, силой в баллах или скоростью м/с. Как правило, атмосферный воздух содержит различные примеси в виде газа и взвешенных частиц. Частицы диаметром до 75 мкм классифицируются как пыль. Для характеристики условий эксплуатации изделий определены три уровня концентрации пыли: 0.18; 1; 2 г/м3. Из газообразных примесей в воздухе наиболее опасными для ЭС сернистый газ и хлористые соли. По их содержанию в воздухе установлены три типа атмосферы:
- атмосфера сельской местности (содержание сернистого газа не более 0.02 мг/м3);
- атмосфера промышленного района (содержание сернистого газа 0.02…2 мг/м3, хлористые соли не более 0.3 мг/м2 в сутки);
- морская атмосфера (хлористые соли 2…2000 мг/м2 в сутки).
В воздухе содержатся различные бактерии, грибковые споры. Плесневелые грибки, попадая на ЭС, способны разлагать высокомолекулярные соединения как естественного, так и искусственного происхождения.
По установленному климатическому районированию весь земной шар делится на семь зон, климат которых определяется как:
- очень холодный;
- холодный;
- умеренный;
- тропический влажный;
- тропический сухой;
- умеренно холодный морской;
- тропический морской.
Очень холодный регион расположен в Антарктиде. Средняя минимальная температура – 60 0С. Характерная особенность зоны - сочетание низкой температуры и сильного ветра. Число дней в году со скоростью ветра более 25 м/с достигает 70.
Холодный регионвключает в себя большую часть России и Канады, Аляску и Гренландию. Средняя минимальная температура воздуха –45 0С, относительная влажность воздуха при температуре +20 °С и выше редко превышает 80%. Особенностью зоны является высокая прозрачность атмосферы, что способствует интенсивной ионизации воздуха под воздействием солнечной радиации и, как следствие, накоплению на поверхности ЭС высокого уровня статического электричества. Обычными явлениями для холодного региона являются:
- обледенение;
- иней;
- ветер с мелкой снежной пылью.
В умеренном регионерасположены часть территории России, большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Средняя максимальная температура в регионе +40°С, а средняя минимальная -45°С. Особенностью региона является наибольшее по сравнению с другими регионами число переходов температуры через точку замерзания воды, что способствует возникновению значительных напряжений в ограниченных объемных конструкциях, содержащих влагу, и может приводить к их разрушению.
Влажный тропический регионрасположен вблизи экватора. К нему относится большая часть Центральной и Южной Америки, средняя часть Африки, Юг Индии, часть Юго-восточной Азии, Индонезия. Средняя минимальная температура составляет +1°С, а максимальная +45°С. Особенностью региона является обилие ливневых дождей, высокая относительная влажность воздуха, значительная конденсация влаги в виде росы. Сочетание высоких температур и влажности делает климат данного региона очень коррозионно-агрессивным. Климатические условия региона весьма благоприятны для существования и интенсивного размножения плесневых грибов.
Регион с сухим тропическим климатомвключает в себя северную часть Африки, центральную Австралию, Аравийский полуостров, часть Северной Америки. Средняя максимальная температура +40°С при низкой относительной влажности воздуха. Особенность региона – интенсивное солнечное излучение. Воздушная среда характеризуется высоким содержанием пыли и песка, способных оказывать абразивное и химическое воздействие на ЭС вследствие наличия агрессивных примесей на поверхности песчинок.
Умеренно холодный морской регион включает моря, океаны и прибрежные районы, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты. Средняя минимальная температура –30 °С, а максимальная +40 °С. Особенность климата данной зоны – высокая коррозионная активность из-за постоянной высокой влажности (выше 80%) и значительной концентрации хлоридов в атмосфере.
Тропический морской регионвключает в себя все остальные моря, океаны и прибрежные районы, что не вошли в умеренный морской регион. Средняя минимальная температура –1 °С, а максимальная +45 °С. Особенность климата данной зоны – высокая коррозионная активность из-за постоянной высокой влажности (выше 80%) и значительной концентрации хлоридов в атмосфере.
Данное разнообразие климатов предполагает проведение испытаний с учетом места эксплуатации ЭС, т.е. планы проведения испытаний составляются с учетом региона использования данного ЭС.