Факторы воздействующие на электронные средства

Факторы воздействующие на электронные средства

Факторы, воздействующие на электронные средства.

 Климатические воздействия

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

Формирование естественных климатических воздействий. При составлении технических условий на ЭС, а также программы и методики испытаний естественные климатические воздействия, обычно называемые климатом, учитывают в виде усредненных климатических факторов в тех или иных частях земной поверхности за продолжительный период времени. Формирование климата на определенной территории происходит под влия­нием радиационного процесса, циркуляции атмосферы, влагооборота, определяющих тепловой и водный баланс поверхности Земли в природной географической среде.

Радиационный процесс характеризуется распределением радиа­ционного баланса R, учитывающего приход/расход энергии солнеч­ной радиации.

 Составными частями радиационного баланса являют­ся прямая (Q) и рассеянная (q) солнечная радиация, а также эф­фективное излучение (Е) Земли, под которым понимают разность противоположно направленных потоков излучения земной поверх­ности и атмосферы. Отношение отраженной энергии солнечной ра­диации к падающей характеризуется числом б, называемым <<аль­бедо>> и выражаемым обычно в процентах.

Очевидно, что альбедо зависит от местных физико-географических условий земной поверх­ности, т.е. от близости моря, направлений морских течений, горных хребтов, высоты местности и др.

Уравнение радиационного баланса

R =(Q + q) (a - 1) E

На основании многочисленных исследований радиационных про­цессов в отдельных районах Земли разработаны мировые карты со­ставляющих радиационного баланса. Установлено также, что солнечная суммарная радиация при безоблачном небе имеет сравни­тельно устойчивые среднемесячные суточные значения, которые определяются в основном широтой местности и временем года (рис. 1).

90    70   50   30   10 О W   30   50   70  90 град

Рис. 1. Среднемесячные суточные значения солнечной суммарной радиации при безоблачном небе в зависимости от широты местности и времени года(I—XII—месяцы года).

Суточный ход и часовые суммы солнечной радиации зависят от места расположения климатической области и характерных для неё погодных условий. Изменение солнечной радиации оценивается отношением её максимального значения к минимальному и выражается в процентах. Наименьшее изменение суточных сумм радиации наблюдается в пустынных районах земли, что объясняется малой облачностью и преобладанием облаков верхнего яруса, незначительно ослабляющих солнечную радиацию. Наибольшее различие между макси­мальным и минимальным значениями солнечной радиации имеет место в прибрежных районах умеренных ши­рот в связи с частой переменой погодных условий. Наличие паров воды  и пыли в воздухе существенно уменьшает интенсивность солнечной радиации.

Циркуляция атмосфер — это перемещение воздушных масс (течений с  различным  содержанием  теплоты и влаги), а   также   изменение   их свойств, сопровождающееся  образованием поверхностей раздела между разными воздушными массами.   Основные  причины общей циркуляции атмосферы — неодинаковое   нагрева­ние Солнцем поверхности Земного шара и вращение Земли. Кроме того, на общую циркуляцию атмосферы влияет изменение ландшафта и поверхности Земли, вызывающее постоянно действующие турбулентные потоки отраженного тепла, которые приводят к изменению температуры и плотности воздуха в тропосфере.

Влагооборот — это ряд последовательных физических процессов, происходящих с водой (испарение, конденсация, образование облаков, выпадение осадков), а также перенос влаги. Влагооборот определяет континентальность климата и зависит от неравномерности нагревания суши и океана, наличия циркуляции воздуш­ных масс и изменения ландшафта. Влагооборот между сушей и океаном называют внешним, а в пределах ограниченной террито­рии - внутренним.

Внутренний Влагооборот (рис. 2)определяется количеством К внешней влаги, которая частично выпадает на территорию в виде осадка О, и частично выносится за ее пределы атмосферным стоком Са. Часть выпавших осадков Ои испаряется, часть образует поверхностный сток Сп. При гидрометеорологических наблюдениях измеряют количество выпавших осадков и испарившейся влаги.

рис.2.  Внутренний влагооборот на ограниченной территории.

Остальные составные части влагооборота не учитывают.

Одним из основных процессов влагооборота является испарение, которое зависит от радиационного   баланса (энергетических ресурсов) и увлажнения поверхности Земли.  С увеличением  широты местности  и снижением солнечной радиации  испарение уменьшается.

Вопросы классификации макроклиматических условий Земли с точки зрения их влияния на изделия являются  предметом изучения международной технической климатологии.

В основу классификации положены усредненные за много лет значения следующих 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 %. В табл. 1. приведены груп­пы климатов, определяющие категорию применения эле­ментов согласно данной классификации. Однако микро­климатические условия использования элементов в раз­личных электронных устройствах, в  комплексах и системах характеризуются более высокими значениями  максимальной  температуры, чем приведенные в табл. 1.1

Климатические факторы, существенно влияющие на ЭС.

На работу современных ЭС значительное  влияние оказывает температурный режим эксплуатации, важней­шие показатели которого - абсолютные годовые минимумы и максимумы температуры. Основными фактора­ми, определяющими изменение температуры,   являются широта местности, степень   континентальности, топо­графические условия. Влияние первых  двух   факторов обусловливает плавное и последовательное  изменение температуры. Топографические   условия   (высота   над уровнем моря и форма рельефа) нарушают этот   плавный ход.

Подводя итог рассмотрению естественных климатических условий, можно сделать вывод, что для различ­ных зон эксплуатации характерны различные сочетание и длительность воздействия климатических факторов.

Под влиянием этих факторов в элементах протекают сложные физико-химические процессы, изменяющие их свойства и вызывающие отказы ЭС. Поэтому при конструировании ЭС разработчику необходимо располагать не только допустимыми   значениями   воздействующих климатических факторов, при   которых   гарантируется надежная работа ЭС, но и наиболее полной информацией об изменении характеристик элементов при воздей­ствии этих факторов. В табл. 1.2 приведены допустимые значения факто­ров естественных климатических воздействий для кон­кретных способов монтажа элементов и размещения ЭС на объекте.

Таблица 1.1 Группы  климатов, значения факторов (усредненные за много лет) естественных климатических воздействий и категории применения элементов ЭС.

Допустимые значения этих факторов зависят от конструктивного исполнения ЭС, что  связано с тем, что климатические условия, в которых   функционирует ЭС, есть совокупность естественных и искусственных воздействий ЭС, есть совокупность естественных и искусственных воздействий. Последние  же, как правило, определяются именно конструктивным исполнением ЭС, а, следова­тельно, влиянием этих воздействий можно управлять.

 Из-за наличия в конструкции изделий сопряжений частей из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения определенную опасность для ЭС представляют резкие колебания тем­пературы окружающей среды.

При разности температур ∆T в сопряженных частях конструкции возникают ме­ханические напряжения y = E(б 1_- б2) ∆T, где Е — модуль упругости; б 1_и б2   —температурные коэффициенты ли­нейного расширения материалов сопряженных частей конструкции изделия.

Механические напряжения определяют устойчивость ЭС к температурным колебаниям. При   значениях  г, превышающих допустимые, возможно разрушение

конструкции ЭС. Опыт эксплуатации показывает, что для ЭС особенно опасна повышенная влажность окружающей  среды. Это объясняется исключительно агрессивным воздействием   паров воды на большинство  используемых в ЭС материалов, приводящим к изменению их электрофизических свойств и механических характеристик.            

Для за­щиты от воздействия повышенной влажности элементы, как правило, герметизируют, используя   органические полимерные материалы. Производят покрытие лакамиi, эмалями, обволакивание компаундами,   литьевое прессование в  пластмассу,   герметизацию  в  готовые пластмассовые корпуса и т.д. Однако 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.

2  Биологические воздействия.

Биологические воздействия, в которых находятся ЭС, определяются совокупностью воздействующих биологи­ческих факторов. Биологический фактор (био­фактор) — это организмы или их сообщества, вызыва­ющие нарушение работоспособного состояния объекта. Событие, состоящее в выходе какого-либо параметра ЭС под действием биофактора за границы, указанные в НТД, называют биологическим повреждени­ем (биоповреждением).

Виды биоповреждений. Анализ биоповреждений позволяет выделить 4 их вида (рис.3)

Рис.3

Механическое разрушение ЭС вызывается в основ­ном макроорганизмами, т.е. организмами, имеющими размеры, сравнимые с габаритами изделий. Макрораз­рушение при контакте может произойти в результате столкновения, прогрызания и уничтожения изделия, например  при столкновении птиц с самолетами и антенна­ми радиолокационных станций, прогрызании материалов  грызунами (крысами, зайцами, белками, слепышами и| др.), а также открыточелюстными насекомыми (глав­ным образом различными видами термитов и муравьев). Уничтожение материалов и изделий происходит в основ­ном в процессе питания организмов.

Ухудшение эксплуатационных параметров ЭС вызывается биозагрязнением, биозасорением и биообрастанием. Биозагрязнением называют выделения организмов и продукты их жизнедеятельности, воздействие которых в результате смачивания водой или впитывания влаги из воздуха приводит к изменению параметров изделий. Биозасорение ЭС связано с наличием спор грибов и бактерий, семян растений, частей мицелия грибов, помета птиц, выделений организмов, отмирающих организмов. Обрастание бактериями, грибами, водорослями, губками, моллюсками и другими организмами поверхностей ЭС усиливает коррозию металлов.

Биохимическое разрушение — наиболее широко рас­пространенный вид биоповреждений, но вместе с тем и наиболее трудно поддающийся изучению, так как вызывается в основном микроорганизмами — любыми | организмами, имеющими микроскопические размеры и не видимыми невооруженным глазом. Этот вид разруше­ния разделяют на два подвида: биологическое потребление материалов в процессе питания микроорганизмов и химическое воздействие выделяющихся при этом ве­ществ. Биологическое потребление связано с предварительным химическим разрушением ферментами исходного материала иногда только одного компонента (обычно низкомолекулярного соединения, например пластификатора, стабилизатора).  Такое разрушение открывает путь физико-химической коррозии, приводит к ухудшению термодинамических свойств материала и его механическому  разрушению под действием эксплуатационных нагрузок. Химическое действие продуктов обмена повышает агрессивность среды, стимулирует процессы коррозии.

Физико-химическая коррозия на границе материал - организм обусловлена воздействием амино- и органических  кислот, а также продуктов гидролиза. В основе этого вида биоповреждения, называемого биокоррозией, лежат электрохимические процессы коррозии металлов под действием микроорганизмов.

Характер процессов и механизмов биоповреждений и их влияние на материалы и изделия тесно связаны с ростом и размножением организмов, которым необходи­мо постоянно пополнять энергию от внешних источни­ков.

Биофактор как источник биоповреждения.

Подавля­ющее большинство (от 50 до 80 %) повреждений ЭС обусловлено воздействием на них микроорганизмов (бак­терий, плесневых грибов и др.), развитие и жизнедея­тельность которых определяются внешними воздейству­ющими факторами: физическими (влажность и темпера­тура среды, давление, радиация и т.д.), химическими (состав и реакция среды, ее окислительно-восстанови­тельные действия), биологическими. Наибольшее влия­ние на активность микроорганизмов оказывают темпе­ратура и влажность.

Бактерии — самая многочисленная и распространен­ная группа микроорганизмов, имеющих одноклеточное строение. Бактерии быстро размножаются и легко при­спосабливаются к изменяющимся физическим, химиче­ским и биологическим условиям среды благодаря тому, что они могут адаптивно образовывать ферменты, необ­ходимые для трансформации питательных сред. Одна из особенностей микроорганизмов— их способность к спорообразованию. Образование спор у бактерий не свя­зано с процессом размножения, а служит приспособле­нием к выживанию в неблагоприятных условиях внеш­ней среды (недостатке питательных веществ, высушива­нии, изменении рН среды и т. д.), причем из одной клетки формируется только одна спора. Размножение бактерий осуществляется путем деления клеток.

Плесневые грибы, играющие доминирующую роль среди микроорганизмов, отличаются от бактерий более сложным строением. Клетки грибов имеют сильно вытя­нутую форму и напоминают нити — гифы. Гифы ветвят­ся и переплетаются, образуя мицелий или грибницу. Осо­бенность грибов — разнообразие способов их размноже­ния: обрывками мицелия, спорами, оидиями, конидиями. Оптимальными условиями для развития большинства плесневых грибов являются высокая влажность (более 85%), температура +20...30°С и неподвижность возду­ха. Большую роль при заселении материалов бактерия­ми и грибами играет способность спор адсорбироваться на гладкой поверхности.

Действие микроорганизмов на  материалы и элементы ЭС объясняется тем, что благодаря микроскопическим размерам гифы и споры проникают в углубления и трещины материала, прорастают в них, образуя мицелий, который, быстро распространяясь по субстрату, вызывает изменение массы, водопоглощения и степени гидрофобности. Обрастание микроорганизмами зависит от химического состава и строения материала, микрофлоры окружающей среды, наличия загрязнений (органических и неорганических) в воздухе, климатических условий и избирательности действия сообществ организмов. В первую очередь грибы поражают материалы, содержа­щие питательные для них вещества. Это ткани из натуральных волокон, белковые клеи, углеводороды, пластмассы, краски, остатки флюсов, растворителей и др. Используя эти материалы в качестве источников углерода и энергии, грибы приводят их в негодность. Однако порче подвергаются и материалы, не содержащие никаких питательных веществ, например разрастание мицелия на поверхности оптического стекла. После удаления грибного налета на стекле остаются следы, напоминающие мицелий, — «рисунок травления». - это следствие разрушения стекла продуктами метаболизма, из которых наиболее агрессивными являются органические кислоты (ли­монная, уксусная, щавелевая, винная, яблочная и др.).

Органические кислоты и другие метаболиты, обладая высокой проводимостью, могут быть основной причиной снижения удельных поверхностного и объемного сопротивлений материалов, напряжения пробоя, увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, разру­шения лакокрасочных покрытий. Эти кислоты, как отмечалось, сти­мулируют коррозию металлов, которая наносит не меньший вред, чем бактерии.

Под влиянием плесени значительно возрастает интенсивность старения пластмасс, а прочность некоторых стеклопластиков снижа­ется на 20...30 %.

Развитие плесневых грибов на электроизоляцион­ных материалах ухудшает их диэлектрические свойства. Образование плесени на поверхностях печатных плат вследствие высокого со­держания влаги в клетках грибов (до 90%) приводит к коротким замыканиям между токоведущими частями. Исследования в электронной промышленности показали, что 45 % готовых ИС содержат споры плесневых грибов 19 видов. Источниками их являются руки рабочих, технологические среды и воз­дух в помещениях. Зарастание ИС колониями «черной плесени» дает 40,7% брака. Применение горячих операций на начальных ста­диях технологического процесса значительно уменьшает число колоний. Благоприятное действие оказывает и аэрация воздуха в производственных помещениях.

Среди насекомых наибольший вред причиняют терми­ны — «белые муравьи», которые повреждают материа­лы и изделия, расположенные на пути к пище, месту окукливания и строительства гнезд. Наличие щелей, углублений и других укрытий может привлекать насе­комых. Шероховатая поверхность удобна для их пере­движения. На холодные предметы насекомые не садятся, а теплые их привлекают. Термиты сначала выгрызают в материале небольшие полости, затем их обживают, вызывая биозасорение и биозагрязнение изделий.

Разрушениям подвергаются, прежде всего, целлюлозосодержащие (дерево, картон, бумага) и мягкие син­тетические материалы и изделия из пенополиуретана, губчатого полиэтилена, пенополистирола, фенопластов с целлюлозными наполнителями, поливинилхлоридных трубок, резины на основе натурального каучука, стекло­пластика на основе ЭДМ-2-2, стеклоткани, пропитанной клеем БФ-2, и т.д. Большие скопления насекомых часто служат причиной коротких замыканий и прочих нару­шений работы ЭС.

Среди других видов насекомых наиболее опасны моль (повреждает натуральные и искусственные ткани), жуки-кожееды (разрушают кабели и покрытия),муравьи (за­соряют и загрязняют изделия).

Грызуны наносят в основном механические повреж­дения, вызывающие обрывы, замыкания и нарушения герметизации. В СССР известно около 140 видов грызу­нов, из которых наибольший вред причиняют серая, черная, пластинчатозубая и туркестанская крысы, до­мовая, полевая, лесная и азиатская мыши, белки, боб­ры, ондатры, кроты, слепыши, зайцы. Грызуны повреж­дают различные приборы, тару и упаковку, теплоизоля­ционные материалы, резинотехнические изделия, плен­ки, кабель и т. д. Помимо прямого уничтожения сырья, материалов, изделий грызуны загрязняют их экскремен­тами, шерстью.