привести к отказу полупроводниковых элементов ИС. Для крышек и выводов также используют такие дорогие и дефицитные материалы, как золото (покрытие), ковар. Метал-лостеклянными полыми оболочками можно герметизировать не только компоненты, но и блоки РЭС, например бортовое РЭС одноразового действия (рис. 4.18). Для улучшения теплоотвода от бескорпусных компонентов оболочка заполнена фторсодер-жащим веществом. Внешние выводы изолированы от металлического корпуса с помощью стеклянных изоляторов. Соединение крышки с основанием осуществлено неразъемным паяным или сварным швом.

Для изоляции от корпуса внешних выводов используют стекла и проводниковые материалы с близкими значениями ТКЛР, что позволяет получать герметичные металлостеклянные спаи, называемые согласованными, которые могут работать в широком диапазоне температур. Параметры некоторых материалов для металлостеклянных спаев приведены в табл. 4.7. Из табл. 4.7 следует, что для стекла С87-1 наиболее подходящим является платинит, а для стекол С48-1 и С49-2 — ковар (стоимость молибдена приближается к стоимости серебра). Платинит представляет собой двуслойный проволочный материал — на сердечник из ферроникеля (42% Fe, 59% Ni) нанесена оболочка из меди. Масса медной оболочки составляет 25...30% массы проводника. Стекла делятся на легкоплавкие (1100...1200 °С) и тугоплавкие (1200...1400 °С). ТКЛР легкоплавких стекол более 6∙10-6 оС-1, тугоплавких — менее 5,5∙10-6 °С-1. Стекло не спаивается ни с одним из металлов, так как чистая поверхность

Рис. 4.17. Металлостеклянный корпус типа 1210 (157.29-1)

Таблица 4.7

Параметры материалов для герметичных металлостеклянных спаев

Рис. 4.18. Конструкция герметичного бортового ЮС (США) (а) и его

внешний вид (б): 1—основание корпуса со стеклянными изоляторами и внешними выводами; 2— крышка корпуса; 3— керамическая соединительная плата; 4— стеклотекстолитовая соединительная плата; 5—подложка гибридной ИС; 6—стяжной болт; 7—эласто-мерный контакт для межплатной коммутации; 8—бутиловое покрытие крышки корпуса; 9— фторсодержащее жидкое вещество; 10— БИС; 11—гибкий печатный шлейф на полиимидной пленке

металлов не смачивается или плохо смачивается жидким стеклом. Металл, покрытый слоем оксида, смачивается при нагреве до температуры размягчения стекла (750...850 °С). Оксид частично растворяется в стекле и после охлаждения образуется герметичное соединение.

Ограниченно-разъемные полые оболочки. Для блоков объемом менее 3 дм3 при необходимости обеспечения небольшого (до 3...5 раз) числа разгерметизаций и повторных герметизаций (на этапе производства при настройке или на этапе эксплуатации при ремонте) используется регенерируемый паяный или сварной шов (рис. 4.19, 4.20).

Для вскрываемого паяного шва (рис. 4.19) размеры крышки блока должны быть меньше размеров корпуса. Для взаимной ориентации крышки и корпуса, а также для предотвращения попадания внутрь корпуса газов и флюса при пайке между крышкой и корпусом помещают резиновую прокладку, ширина которой на 0,2 мм больше ширины зазора между крышкой и корпусом. Выше прокладки располагают стальную луженую проволоку диаметром 0,8 мм. Для проникновения припоя зазоры между проволокой и стенками должны составлять 0,1...0,2 мм. Свободный конец проволоки выводится в паз, который расположен по всему периметру крышки. Назначение паза—создать условия для пропайки шва и разгрузить паяный шов от механических напряжений при изменении температуры внешней среды.

Рис. 4.19. «Книжная» конструкция блока РЭС четвертого поколения: а—общая компоновка: 1 — низкочастотный разъем; 2— крышка; 3—«ремень»; 4—сдвоенная ячейка; 5—стяжной болт; 6—кожух; 7—бобышка; 8— блок питания; б—конструкция паяного шва: 1— корпус; 2—резиновая прокладка; 3—стальная проволока; 4—паз по периметру

крышки; 5—крышка

Перед пайкой крышка и корпус из алюминиевого сплава покрываются многослойным покрытием, верхний слой которого представляет собой сплав олово — висмут. Покрытие облегчает также герметизацию гермовводов и опайку соединителей (например, высокочастотных). Чтобы не нарушалась герметичность шва, наружная поверхность паяного соединения не должна являться установочной и все элементы крепления блока должны располагаться на максимально возможном удалении от паяного шва. После запайки из блока откачивается воздух и он заполняется осушенным азотом (аргоном, гелием) под давлением 0,13 МПа, что в значительной степени уменьшает натекание окружающей среды в гермокорпус через микропоры. Данный вид герметизации обеспечивает работоспособность блоков в течение 8...12 лет. К недостаткам данного метода герметизации следует отнести: большую площадь,

увеличенный размер, а сварка осуществляется не по всей длине кромок, что позволяет удалять проваренный участок точением или фрезерованием с последующей повторной сваркой. Подвод теплоты при сварке может осуществляться лазером, электронным лучом, нагретой плазмой, электрическим током. Количество теплоты, которое необходимо

блоков компоненты, а также электрические связи и контакты. Для этого обычно используется технологический теплоотвод, основанный на поглощении выделяющейся теплоты за счет термоаккумуляции. Одна из конструкций подобных теплоотводов представлена на рис. 4.21. Его преимуществом является наличие резервуара с водой, теплоемкость которой на порядок выше теплоемкости меди. Это позволяет уменьшить габариты устройства. Повышение температуры те-плоотводящего элемента и связанного с ним корпуса блока может быть определено по формуле T=W/(mмсм + mвcв), где тм, тв—масса меди и воды соответственно, г; см, св— теплоемкость меди и воды соответственно [см= 0,39 Дж/(г∙К); св = 4,187 Дж/(г∙К)]; W—энергия, подведенная при сварке, Дж.

Герметизация соединителей. Особое внимание уделяется герметизации внешних электрических связей, осуществляемой с помощью металлостеклянных гермовводов (рис. 4.22), впаиваемых в стенку блока (рис. 4.23), опайкой соединителей (например, высокочастотных) по периметру, полимерной герметизацией низкочастотных соединителей (рис. 4.24). Гермовводы выполняются из ковара и согласованного с ним по ТКЛР стекла; наружная поверхность покрывается припоем. Для заливки разъемов в корпусе используются компаунд «Виксинт — Победа» или ПДИ-21. Корпус соединителя и печатная плата приклеиваются к корпусу гермоблока РЭС с помощью эпоксидного компаунда ЭЗК-6.

Использование полимерных материалов. В состав гермоблока может входить несколько десятков полимерных материалов: стеклотекстолит, содержащий полимерную связку; полиимидные, лавсановые и другие пленки; лакоткань; хлобчатобумажные и другие нитки; полимерная изоляция проводов; клеевые пленки; заливочные компаунды и т. д.

Рис. 4.22. Конструкция одного из типов металлостеклян-

ных гермовводов: 1— оболочка из ковара; 2—про- водник из ковара; 3—стеклян- ный изолятор

Рис. 4.23. Вариант установки гермопереходов в блоках питания: 1 — корпус; 2— проводник из ковара; 3— припой ПОС-61; 4— оболочка из ковара

Большая номенклатура полимерных материалов обусловлена разнообразием предъявленных к ним требований: сцепляемости с различными материалами (адгезия), теплопроводности, виброзащитных свойств, герметизирующих возможностей, электрической прочности и т. д. Так, в качестве виброизолирующего используется компаунд КТ-102, для заливки соединителей—ПДИ-21, для крепления навесных компонентов на коммутационные платы из полиимидной пленки—клей МК-400, на ситалловые подложки—клей ВК-9, а для компонентов площадью более 3 мм—клей КВК-68 и т. д.

Рис. 4.24. Варианты герметизации вилки соединителя типа РСГ с помощью уплотнительной прокладки (а), уплотнительной прокладки и компаунда (б), печатной платы и заливки компаундом (в): 1—вилка соединителя;

2—корпус блока; 3 — уплотнительная прокладка; 4— компаунд; 5—дистанционная прокладка; 6—печатная плата

Общая масса полимеров в составе конструкции гермоблока может достигать десятков-сотен граммов. Это обусловливает наличие в них значительного количества влаги (см. табл. 4.1). С течением времени, а также при повышении температуры влага может диффундировать во внутреннюю среду гермоблока, а при понижении температуры— конденсироваться на компонентах и стенках (в том числе прозрачных) гермоблока. Удалить влагу из полимеров путем нагрева или вакуумирования часто не удается ввиду длительности процесса и недопустимости нагрева некоторых материалов (например, припоя Sn

—Bi, служащего для покрытия корпусов из алюминиевого сплава).

Способы снижения содержания влаги в гермокорпусе РЭС. Суще-

ствует несколько способов, позволяющих снизить количество влаги в гермокорпусе или предотвратить ее конденсацию: предварительная осушка внутренней среды в процессе производства или осушка при эксплуатации с помощью влагопоглотителей; принудительная конденсация влаги с помощью термобатарей в местах, где компоненты отсутствуют; использование сильфонных устройств, изменяющих внутренний объем гермоблока (давление в нем) при изменении температуры; соединение внутренней области гермоблока с вакуумом (в космосе); использование в конструкции материалов с минимальным влагопоглощением. Наиболее эффективным способом осушки в период эксплуатации является использование влагопоглотителей, так как термобатареи имеют значительную массу и энергопотребление; сильфонное устройство имеет значительные габариты (изменение объема на 3,5% компенсирует изменение температуры на 10%); наличие даже 0,1 г лака при влагосодержании 1% создает концентрацию влаги, при объеме блока несколько кубических дециметров достаточную для ее конденсации при охлаждении до температуры—60 °С (см. § 4.1).

В аппаратуре первых поколений для поглощения влаги применялись патроны с силикагелем (рис. 4.25), представляющим собой высушенный гель ангидрида кремниевой кислоты. Для поглощения влаги могут применяться и другие вещества: фосфорный ангидрид, активированный оксид алюминия Аl2O3, активированные угли, цеолиты и т. д. Наиболее перспективными влагопоглотителями являются цеолиты (от греч. zeo—ки- петь, lithos—камень, «кипящий камень»), обладающие высокой скоростью поглощения

4—сетка

Рис. 4.29. Предельная чувствительность различных

методов контроля герметичности: а—радиоактивный метод; б—масс-спектрометрический метод; в — метод повышенного давления; г — погружение в жидкость; д — омыливание

могут сорбировать гелий, находящийся в атмосфере. Недостатком метода является низкая производительность, особенно в случае малых течей, что требует увеличения времени измерения. Радиационный метод (чувствительность 10-13 дм3∙Па/с) состоит в предварительной опрессовке гер-моблока в изотопе Kr85 и индикации степени истечения изотопа счетчиком Гейгера. Так как получить

абсолютно герметичный шов практически невозможно, то после герметизации блок заполняется каким-либо осушенным инертным газом (азотом, аргоном, гелием) под избыточным давлением (0,03...0,06 МПа). Выравнивание давления в гермокорпусе и наружной среде происходит в течение 8... 10 лет, что препятствует натеканию влаги из внешней среды внутрь гермокорпуса (при наличии снаружи парциального давления паров влаги, большего, чем внутри гермокорпуса, и при размере микропор, большем диаметра молекул влаги, влага может натекать из внешней среды внутрь гермокорпуса даже при наличии в нем избыточного давления осушенного инертного газа). Увеличение давления заполняющего гермокорпус газа способствует увеличению времени защиты от внешней среды, но оболочка корпуса должна быть более прочной и, следовательно, более массивной.

Допустимое истечение из гермокорпуса (дм3∙Па/с) может быть определено по формуле Q=V P/ t, где Р—начальное избыточное давление газа внутри гермоблока, Па; t—время хранения и работы блока, с; V—объем блока, дм3. Если, например, V = 0,5дм3, Р = 0,3∙105 Па, t = 2,5∙108 с (8 лет), то Q = 0,6∙10-4 дм3 Па/с. Если мал объем, заполненный газом, или велико истечение, то гермокорпус не обеспечит надежной работы в течение заданного времени. В этом случае надо либо отрабатывать технологический процесс герметизации с целью уменьшения течи, либо увеличивать объем оболочки, либо повышать начальное давление в ней. Второй и третий пути не являются эффективными, так как ведут к увеличению габаритов или массы гермоблока. Приемлемыми считаются следующие течи для блоков с различным свободным объемом: 10-7 дм3∙Па/с (объем 0,1 ...0,4 дм3), 10-4... 10-5 дм3∙Па/с (объем 0,5 ...5 дм3),

10-3... 10-4 дм3∙Па/с (объем более 5 дм3). Течь для разъема типа РПС-1 не должна превышать 10-10 дм3∙Па/с.

Внекоторых случаях уменьшить течь через микропоры в паяных

исварных швах можно с помощью анаэробных гермети-ков, обладающих уникальными свойствами: в течение нескольких лет они могут храниться в жидком состоянии в присутствии кислорода воздуха и быстро полимеризоваться при нарушении контакта с кислородом и наличии активатора; при этом образуется прочный полимерный слой. Ввиду малой вязкости (0,01 Па/с) анаэробные

герметики могут затекать в любые зазоры и неровности и не требуется значительных усилий при сборке соединений и их разборке после полимеризации.

Обеспечение электрической прочности РЭС. Влагозащита тесно связана с проблемой обеспечения электрической прочности РЭС, особенно актуальной для мощной передающей аппаратуры, в которой используются высокие питающие напряжения и широкий спектр частот сигналов (от нескольких мегагерц до нескольких гигагерц), а также для элементов в интегральном исполнении и печатных плат, где зазоры между токоведущими дорожками малы и напряженность электрического поля может достигать больших значений при небольших напряжениях. Кроме того, пробивное напряжение снижается при пониженном давлении газа, при повышении температуры диэлектрика, при сорбции влаги пылью и полимерными материалами.

Явление образования под действием электрического поля проводящего канала в диэлектрике называют электрическим пробоем. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности в окружающей среде (газе или жидкости). После пробоя газообразного или жидкого диэлектрика свойства нарушенного участка обычно восстанавливаются (если пробой не охватил весь объем), а в твердом диэлектрике остается след в виде пробитого, прожженого или проплавленного отверстия чаще всего неправильной формы.

Газ сам по себе—идеальная изоляция, сопоставимая по свойствам с вакуумом, пока в нем не появятся свободные заряды (электроны, ионы), создающие ток. Появление свободных зарядов является следствием ионизации: ударной (под действием электрического поля), термической, под воздействием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения).

Зависимость пробивного напряжения воздуха от произведения длины пробивного промежутка на давление в нем характеризуется кривой Пашена (рис. 4.30). Кривая имеет минимум при малых давлениях газов. Поэтому для обеспечения электрической прочности при пониженном давлении (например, для аппаратуры, работающей на больших высотах, и для компонентов внутри вакуумированного гермокорпуса) необходимо увеличивать расстояние между токоведущими элементами в Kувз раз (рис. 4.31) или заполнять гермоблоки инертным газом под избыточным давлением (например, азотом под давлением 0,13 МПа).