Причини відмови радіоелементів
На радіоелементи (РЕ) постійну діють зовнішні й внутрішні експлуатаційні фактори. До перших відносять температуру, вологу, тиск і хімічний склад навколишнього середовища, радіацію, електромагнітні поля, механічні навантаження, що виникають при експлуатації (вібрації, удари) та інші фактори, які впливають на елементи незалежно від того, працюють вони чи ні. До других факторів відносять напругу й струми вже встановлених чи перехідних режимів працюючих під навантаженням елементів, виділене в елементі тепло, електричні й магнітні поля, механічні навантаження.
Унаслідок дії експлуатаційних факторів у матеріалах елементів протікають різні фізико-хімічні процеси, що змінюють їхні властивості: дифузійні процеси в об’ємі й на поверхні; переміщення й скупчення точкових дефектів, переміщення у твердих тілах; флуктуаційні розриви міжатомних зв’язків у металах і сплавах; розрив хімічних зв’язків ланцюгів макромолекул полімерних матеріалів; електролітичні процеси; сублімація матеріалів; дія поверхнево-активних речовин; структурні перетворення в сплавах металів та ін. Швидкість і характер протікання цих процесів визначаються концентрацією основних речовин і домішок у матеріалах, рівнями енергетичних впливів на елемент експлуатаційними чинниками.
Концентрація проникаючих у матеріали речовин і рівень енергетичних впливів залежать від якості захисту елемента від впливу зовнішніх і внутрішніх експлуатаційних чинників. Зростання інтенсивності їхнього впливу на елемент збільшує швидкість протікання фізико-хімічних процесів, у результаті чого виникають зворотні і незворотні зміни в матеріалах.
Зворотні зміни зумовлені обміном матеріалу елементів із зовнішнім середовищем за рахунок сорбції і десорбції, температурними змінами властивостей матеріалу й інших явищ.
Незворотні ж зміни викликаються протіканням у матеріалах хімічних реакцій; проникненням у них із зовнішнього середовища різних речовин і зміною їхніх концентрацій в обсязі і на поверхні за рахунок процесів дифузії, а також дифузійним перерозподілом залишкових домішок у матеріалах; віддачею речовини матеріалу в зовнішнє середовище внаслідок сублімації, ерозії і зносу; розвитком мікротріщин у структурі матеріалу, локальними руйнуваннями й іншими процесами.
Нагромадження змін у матеріалах приводить до зміни їхніх властивостей, параметрів елементів і в кінцевому рахунку – до появи поступових і раптових відмов. Тому розподіл відмов на поступові і раптові, з якими пов’язано створення різних ймовірних моделей відмов, умовний. Розходження полягає у швидкості нагромадження змін. При раптових відмовах цей процес розвивається швидко через різке збільшення швидкості фізико-хімічних процесів. Це відбувається за рахунок прогресуючого зменшення міцності ланок структури елемента, спричиненого руйнуванням найбільш слабких ланок, у результаті чого нормальний рівень навантаження починає перевищувати критичний рівень. При повільному нагромадженні змін може мати місце поступова відмова, коли значення параметра виходить за поле допуску, а прогресуюче руйнування структури ще не почалося.
Отже, існує принциповий причинно-наслідковий зв’язок послідовності або ланцюга подій, які приводять до відмов елементів так, що на елемент впливають експлуатаційні чинники, породжуючи фізико-хімічні процеси в матеріалах, які приводять до зміни властивостей цих матеріалів. У результаті цього змінюються параметри елемента і, коли хоча б один із них виходить за поле допуску, настає відмова. Усереднені значення інтенсивності відмов радіоелектронних елементів наведені в табл. 1.1.
Резистори.Резистори є найбільш масовими елементами і складають 40–45% всіх елементів радіоелектронної апаратури, тому що їх надійність значною мірою визначає надійність апаратури в цілому. Більше 55% відмов резисторів зумовлені обривами в струмопровідному колі і порушенням контактів; 35–40% – перегоранням провідного матеріалу і 5–10% – дрейфом опору резистора. При цьому до 25% всіх відмов резисторів залежні, тобто називаються короткими замиканнями в лампах, пробоєм конденсаторів. Відмови резисторів через неправильне використання складають 30–40% від загальної кількості відмов.
Конденсатори. Конденсатори складають значну частину елементів схеми. Тому до їх надійності ставляться високі вимоги. Приблизно 80% відмов конденсаторів відбувається за рахунок пробою або перекриття, 7% – через механічні пошкодження й обриви, 8% – унаслідок збільшення ємності і 5% – за рахунок зменшення опору ізоляції.
Напівпровідникові прилади та ІС. У напівпровідникових пристроях раптові відмови складають до 20% від кількості відмов. Вони зумовлені: пробоєм p-n-переходів, обривами і перегріванням виводів, зовнішнім пробоєм між виводами, короткими замиканнями в структурі, розтріскуванням кристала та іншими причинами.
З’єднання. Під час роботи з’єднання можуть втратити цілісність в основному через перенавантаження (перегрівання). В залежності від умов експлуатації (потужність струму), а також від температури t зовнішнього середовища інтенсивність відмови з’єднання буде різна. В лабораторних умовах враховуємо температуру t – 20 °С.
Таблиця 1.1
Узагальнені значення інтенсивностей відмов РЕ
| Типи радіоелементів | Інтенсивність відмов l, 10–7×год–1 |
| Резистори | 0,05 |
| Конденсатори | 0,01 |
| З’єднання прямокутні | 0,014 |
| З’єднання циліндричні | 0,016 |
| Котушки індуктивності | 0,2 |
| Інтегральні схеми | 0,0001 |
| Транзистори, діоди | 0,6 |
| Інші | 0,55 |