Климатические воздействия

Климатические воздействия при эксплуатации ЭУ подразделяют на естественные и искусственные. Естественные климатические воздействия определяются погодными условиями, включающими температуру, влажность, ветер, атмосферное давление и др. Искусственные климатические воздействия создаются при функционировании ЭУ и расположенных рядом объектов.

Формирование естественных климатических воздействий. При составлении технических условий на ЭУ и программы испытаний, естественные климатические воздействия учитывают в виде усреднённых факторов в определённых частях земной поверхности за продолжительный период времени. Совокупность усреднённых климатических воздействий называют климатом. В основе классификации климатов лежат усреднённые за много лет значения основных климатических факторов:

- экстремальной (максимальной и минимальной) температуры за год;

- максимальной абсолютной влажности воздуха;

- максимальной температуры в сочетании с относительной влажностью воздуха, равной или превышающей 95 %.

Микроклиматические условия в электронных устройствах из-за саморазогрева характеризуются более высокими значениями максимальной температуры.

Климатические факторы, влияющие на ЭУ. На работу ЭУ значительное влияние оказывает температурный режим эксплуатации; важнейшие показатели – абсолютные годовые минимумы и максимумы температуры. Основными факторами, определяющими изменение температуры, являются широта местности, степень континентальности и топографические условия. Влияние первых двух факторов обусловливает плавное изменение температуры. Топографические условия (высота над уровнем моря и форма рельефа) нарушают этот плавный ход. Под влиянием климатических факторов в ЭУ протекают сложные физико-химические процессы, изменяющие их свойства. Поэтому при конструировании необходимо располагать не только допустимыми значениями воздействующих климатических факторов, но и информацией об изменении свойств элементов при воздействии этих факторов. Из-за наличия в конструкции ЭУ частей из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения опасность представляют не сами экстремальные значения температуры, а её резкие колебания. При разности температур DТ в сопряжённых частях конструкции возникают механические напряжения g =E(a₁-a₂)DТ, где Е – модуль упругости; a₁ и a₂ – температурные коэффициенты линейного расширения материалов сопряжённых частей конструкции. При значениях g, превышающих допустимые, возможно разрушение конструкции ЭУ.

При воздействии низких температур ухудшаются механические свойства изоляционных материалов (повышается хрупкость, уменьшается эластичность, увеличивается вязкость смазочных материалов), что может вызвать снижение механической прочности и износоустойчивости. Циклические воздействия температур приводят к появлению трещин, пор и зазоров в деталях и узлах ЭУ и способствуют их росту при замерзании конденсированной влаги.

Изменение упругих свойств контактных элементов и рост пленокплёнок на их рабочих частях может привести к увеличению переходного сопротивления, возрастанию его динамической нестабильности и т.д. Изменение размеров отдельных элементов конструкции из-за теплового расширения материалов может привести к деформации, заклиниванию и даже механическим поломкам. Таким образом, для уменьшения вероятности появления отказов необходимо ограничивать длительность работы при предельных рабочих температурах.

Особенно опасна повышенная влажность окружающей среды. Это объясняется агрессивным воздействием паров воды на большинство используемых материалов, приводящим к изменению их электрофизических свойств. При влажной атмосфере на поверхности материалов образуется очень тонкая плёнка воды, причём её толщина резко возрастает с приближением относительной влажности к 90%. Адсорбция паров воды значительно больше у материалов с ионным строением. Силы притяжения полярных молекул воды к ионам значительно больше, чем к нейтральным молекулам. В зависимости от величины этих сил на поверхности материалов могут образовываться или отдельные шарообразные скопления воды, или сплошная тонкая плёнка влаги. Воздействие самой влаги вызывает незначительное ухудшение коррозионной стойкости большинства металлов. Но процесс коррозии ускоряется при загрязнениях в атмосфере, концентрация которых увеличивается при приближении к промышленным центрам и морю[1]. Образование плёнок влаги на диэлектрических материалах даже при незначительном загрязнении поверхностей приводит к быстрой ионизации плёнок (e >1) и увеличению их проводимости. Скорость уменьшения сопротивления изоляции непостоянна. В начальный период воздействия влаги сопротивление изоляции уменьшается быстро, затем снижение замедляется. Плёнка способствует возникновению ёмкостного эффекта, из-за высокого значения диэлектрической постоянной воды. Поглощение влаги изоляционными материалами приводит не только к изменению их электрических свойств, но и ухудшению ряда механических параметров.

*Для всех групп климатов максимальное изменение температуры воздуха за 8 часов – 40 ⁰С; максимальная плотность потока солнечной радиации 1125 Вт× м^-2.

В недостаточно герметизированных объёмах циклическое изменение температуры приводит к накоплению влаги внутри блоков, а при понижении температуры (например, в ночной период, при подъёме летательных аппаратов и т.п.) на элементах аппаратуры происходит конденсация влаги.

Для защиты от воздействия повышенной влажности элементы ЭУ герметизируют, используя органические полимерные материалы. Производят покрытие лаками, эмалями, обволакивание компаундами, литьевое прессование в пластмассу, герметизацию в готовые пластмассовые корпуса и т.д. Но ни один из способов герметизации не обеспечивает идеальной влагозащиты из-за микрополостей в сварных и паяных швах корпусов, а при герметизации полимерными материалами – из-за способности последних сорбировать и пропускать пары воды.

Одним из способов защиты от воздействия повышенной влажности является размещение внутри корпуса ЭУ патрона с силикагелем, соприкасающимся с наиболее тепловыделяющим элементом. При этом пористый силикагель с высокой сорбирующей способностью во время остывания и понижения температуры внутри корпуса поглощает влагу, а при разогреве тепловыделяющего элемента силикагель выделяет влагу, которая удаляется из корпуса через вентиляционные отверстия.

Пониженное атмосферное давление снижает электрическую прочность воздушного промежутка, создавая благоприятные условия для электрического пробоя воздуха или перекрытия по поверхности электронных элементов. Возникающая при этом ионизация воздуха способствует ускоренному старению изоляционных и проводниковых материалов.

Пыль и песок способствуют коррозии металлических деталей и развитию плесени, а попадая в зазоры между трущимися частями, ускоряют их износ.