Глава 10. Влагозащита и герметизация ЭС.

 

  В предлагаемой главе рассматриваются основные вопросы теории и практики обеспечения защищенности конструкций ЭС при воздействии влаги, которая является одним из наиболее агрессивных факторов окружающей среды. С этой целью в данном разделе кратко анализируются механизм и последствия влияния влаги на конструкции ЭС, разбираются методы защищенности и их конструктивная реализация, даются сравнительные характеристики различных способов защиты.

        

       10.1. Влияние влаги на конструкцию ЭС.

       

Общие сведения о воздействии влаги на конструкцию ЭС и последствиях этого воздействия уже были указаны в главе 4. Сейчас подробнее рассмотрим отличия указанного воздействия на различные материалы используемые в

Известно, что влияние влаги на ЭС выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потери механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности и т.п. у конструкционных материалов и материалов активных элементов. Изменение свойств материалов элементов Г конструкции S приводит к изменению свойств самих элементов Г, а затем – к изменению свойств системы S. В результате возникает ухудшение качества,

Коротко остановимся на механизме и последствиях воздействия влаги на различные материалы.

Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина во всех случаях одинакова: переход коррозирующего металла в более стабильное первоначальное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии. Процесс коррозии всегда связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, т.е. без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги, что практически не имеет места. Поэтому при эксплуатации ЭС наиболее часто происходит именно электрохимическое растворение металла с возникновением новых соединений с участием в качестве электролита воды.

Различают три вида коррозии:

равномерная - процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла;

неравномерная – процесс ограничивается отдельными локальными областями на поверхности металла, например, вследствие нарушения защитного покрытия;

межкристаллическая – характеризуется проникновением влаги в глубь металла за счет разрыва структуры и распространения вдоль границ кристаллов.

Способность металлов противостоять воздействию на них влаги называется коррозийной стойкостью.

Рассмотрим коррозийную стойкость некоторых основных металлов используемых в конструкциях ЭС.

Алюминий (Al) и его сплавы. Стойкий металл за счет образования на его поверхности защитной пассивирующей пленки толщиной 0,01-0,02 мкм. Сплавы Al с магнием и марганцем еще более устойчивы и применяются даже при воздействии на них морской воды.

Медь (Сu). Имеет тоже защитный слой, но значительно меньшей прочности. Сплавы Al с другими металлами более стойки, чем сплавы Сu. Пара металлов Al - Cu в конструкциях недопустима из-за возникающей коррозии Al.

Cталь. Свойства определяются химическим составом и другими факторами. Добавки меди и хрома улучшают антикоррозийные свойства стали. При хроме больше 12% в составе получают нержавеющую сталь.

Сплавы олова и свинца. Такого рода сплавы широко используются в конструкциях ЭС в качестве припоев. Эти сплавы обладают средней коррозийной стойкостью и со временем покрываются неэлектропроводным слоем.

Типовые результаты воздействия влаги на металлические конструкции ЭС проявляются в разрушении паяных и сварных швов, обрыве электрических связей, повышении сопротивлений контактных пар, уменьшении прочности элементов конструкций, затруднениях при разборке винтовых и других соединений и т.д.

Воздействие влаги на изоляционные материалы конструкций ЭС проявляется в поглощении влаги, приводящей к ухудшению диэлектрических свойств материалов и постепенному их разрушению.

Так как влага имеет высокую проникающую способность (размер молекулы воды 25 нм), высокую химическую активность и электропроводность, очевидна опасность этого явления для диэлектрических материалов.

Различают капиллярное и диффузионое проникновение влаги.

Капиллярное проникновение объясняется наличием грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов в материале. Устранение капиллярного проникновения происходит в конструкциях ЭС за счет соответствующих технологических мер.

Диффузное проникновение влаги заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. Именно диффузное проникновение важно для материалов ЭС, поскольку с ним труднее бороться.

В результате проникновения влаги в органические диэлектрические материалы возрастают диэлектрическая проницаемость() и потери (tg), уменьшаются объемное сопротивление, электрическая и механическая прочность, изменяются геометрические размеры вследствии набухания и т.д.

Наиболее чувствительны к воздействию влаги полупроводниковые материалы, в частности, элементы и структуры интегральных схем: Влага на поверхности тонкопленочных пассивных элементов может привести к образованию коррозии, закорачивающих перемычек, увеличению диэлектрической проницаемости, потерям и утечкам в диэлектриках. Влага на поверхностях полупроводниковых бескорпусных компонентов ИС может привести к сорбции влаги поверхностью, скоплению положительных зарядов Na+ на границе Si-SiO₂ , образованию слоя накопления зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов.

В результате воздействия влаги на материалы элементов конструкций ЭС происходят существенные изменения в свойствах самих элементов.

Резисторы: - постепенное изменение номинального значения величины сопротивления вплоть до обрыва или короткого замыкания;

 увеличение уровня шума.

Конденсаторы: - увеличение сопротивления в цепи обкладок или даже обрыв;

- увеличение емкости, потерь и утечек;

- появление коротких замыканий обкладок;

- уменьшение пробивного напряжения.

Полупроводниковые компоненты: - биполярные характеризуются дрейфом обратных токов, пробивных напряжений и коэффициентов усиления;

   - МДП-транзисторы приобретают дрейф порогового напряжения, тока стока и крутизны.

Другие элементы:

- катушки индуктивности характеризуются уменьшением добротности, увеличением собственной емкости и потерь;

- электромонтаж сопровождается уменьшением сопротивления изоляции, повышением уровня перекрестных помех, ростом переходных сопротивлений разъемов и т.д.