電子設備環境防護

由於電子設備的大量使用,為使其正常運轉對電子設備的周邊環境情況要加以保護和監控,包括氣候環境的控制,抵制電磁干擾等內容。

正文,參考書目,

正文

電子設備或系統在工作、運輸和儲存過程中,受到各種環境因素的影響,可能導致性能降低、失效甚至損壞,必須採取防護措施。電子設備所處的環境,主要包括氣候環境、機械環境、電磁環境、生物化學環境和核輻射環境等。
氣候環境指溫度、濕度、氣壓、風力、砂塵、雨雪、日輻射等各種自然氣候因素。在氣候因素中,以溫度(高溫、低溫和循環變化)對電子設備的影響為最嚴重。許多實例表明,設備的故障率隨溫度的升高呈指數關係增加。因此,為了保證電子元件、器件或整機在允許的溫度範圍內工作,應採取各種有效的熱控制措施(見電子設備熱控制)。
機械環境指電子設備在工作或運輸過程中受到各種機械力(如振動、衝擊、離心力和運動機構的摩擦力等)的作用,其中危害較大的是振動和衝擊。當設備在某種激振頻率下發生共振時,若振動加速度值超過設備本身的極限時,就會遭到破壞;此外,設備長期受到振動或衝擊也可能產生疲勞損壞。因此,必須採取各種防振(隔振)或緩衝措施(見電子設備振動與衝擊防護)。
電磁環境指電子設備在工作過程中,所受到的電磁干擾。可分為外部干擾和內部干擾兩大類。當內部干擾和外部干擾的電平超過許用電平時,設備的性能會降低,甚至無法正常工作。為了防止或減弱這些干擾和提高設備的抗干擾能力(見電子設備禁止與接地),就應進行電磁兼容性結構設計。其內容通常包括:抑制干擾源、抑制干擾的耦合通道和增強敏感電路的抗干擾能力等。
核輻射環境指核爆炸或原子反應堆泄漏後,大氣中存在著高能射線或其他輻射污染物。在這種環境下工作的電子設備或元件、器件,將受中子、離子、軟 X射線、電磁脈衝、熱輻射、爆炸壓力等各種效應所造成的威脅。例如,半導體器件對快速的中子流十分敏感;離子輻射中的γ、X 射線所形成的光電流是損壞半導體器件PN結和MOS器件的主要因素;核爆炸造成的電磁脈衝和核輻射環境對電子設備均有嚴重的破壞作用。為此,對在上述環境下工作的電子設備,應採取防核輻射的措施。
生物、化學環境電子設備在高溫、高濕、鹽霧或大量工業氣體(如二氧化硫、氨、水蒸汽等)的環境中工作時,設備的金屬材料和非金屬材料會產生腐蝕、老化和霉爛現象,從而影響設備工作的可靠性。因此,應採取抵禦生物、化學環境影響的防護措施(其中主要是防腐蝕、防潮濕、防黴菌)。
防腐蝕電子設備中金屬材料的腐蝕,是金屬材料與腐蝕介質發生化學或電化學反應的結果。這種腐蝕包括大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、電介質溶液腐蝕、生物性腐蝕、應力腐蝕和接觸腐蝕等。其中以大氣腐蝕為主。金屬零件、部件在常溫下的氧化作用和金屬在有機溶劑中的腐蝕,稱為化學腐蝕。電子設備中的非金屬材料,在潮濕環境條件下受到黴菌的侵蝕,會使機械強度降低,並使其物理性能和電學性能改變,嚴重時使其霉爛脆裂。電子設備常見的腐蝕現象很多。例如,鍍銀導線和器件表面失去光澤、變黑;鍍銀層出現“白銹”;海用雷達天線的腐蝕;機殼表面油漆層的剝落、銹斑;各種接線柱之間或印製板線路之間發生的“銀遷移”等。腐蝕會導致一系列不良後果:金屬零件、部件的電氣性能和機械性能發生變化;開關、連線器的接觸不良;機械傳動系統的精度降低;緊固件的強度減弱;電磁元件的參數發生變化等。此外,腐蝕產物還將造成電氣短路、絕緣材料漏電等許多故障。
防腐蝕的內容主要包括以下幾個方面。①選擇耐蝕材料:按設備的工作環境要求,根據設備的接觸介質選取耐蝕材料,如在海洋鹽霧環境中工作的設備選用鈦合金、純銅或青銅;在大氣中二氧化硫含量較多的環境條件下工作的設備宜用不鏽鋼做構件;在大氣中含氨較濃的環境中工作的設備,則宜選用含鎳的材料。另外,在選用耐蝕材料時宜選用非金屬材料,尤其是工程塑膠。對於相互接觸的金屬構件,應注意它們之間的電位差(通常應低於0.5伏),按低於金屬材料在介質中的腐蝕電位進行設計。②採用耐蝕覆蓋層:常用的金屬表面覆蓋層分為金屬、非金屬和化學塗覆三種。金屬覆蓋層包括電鍍、熱噴鍍、滲鍍、熱滲鍍、包鍍、真空蒸發鍍、化學鍍等;非金屬覆蓋層包括油漆、塑膠等;化學處理層包括化學氧化、電化學氧化、磷化和鈍化。③設計合理的構件:在設計構件時應儘量避免存在機械應力、熱應力、滯留水或水汽的空間,以防造成金屬表面電化學的不均勻性,從而加快金屬的腐蝕。
防潮工作於潮濕地帶、坑道、海洋或其他惡劣氣候條件下的電子設備,受到潮濕空氣的侵蝕,會在元件或材料表面凝聚一層水膜或滲透到材料的內部,從而造成材料表面電導率增加、體積電阻率降低、介質損耗加大,從而產生電氣短路、漏電或擊穿等故障。同時,潮濕氣候引起覆蓋層起泡、脫落,使其失去保護作用。防潮的主要方法有兩種。①密封:將電子器件封閉,不與外界的空氣、水或其他腐蝕介質接觸。在密封時,應特別注意轉動件、接外掛程式、連線導線等處的密封設計。另外,還應消除設備內部可能引起腐蝕的其他因素,如將密封的元件、器件預先乾燥,或將設備內部抽成真空後充填惰性氣體(氮氣和氬氣),或採用化學乾燥劑排除設備中的濕空氣。對於空用電子設備,可用熱熔狀態的樹脂或橡膠進行灌封。經過處理後的組件,除可防潮、防腐之外,還可防振緩衝。②塗覆或浸漬防潮塗料:將電子設備的零件、部件(如線圈繞組、變壓器等)噴塗或浸漬環氧絕緣清漆、環氧聚醯胺絕緣清漆、有機矽改性聚氨酯絕緣漆等各種防潮絕緣漆。
防霉黴菌能在土壤中和在多種有機或無機材料的表面上滋生和繁殖。潮濕的氣候(相對濕度大於65%)和合適的溫度(20~30℃)是黴菌生長的有利條件。黴菌能靠自身分泌的酶從有機材料中攝取營養成分,從而使結構材料的物理性能和電性能遭到破壞。黴菌新陳代謝過程中分泌的二氧化碳及其他酸性物質,會引起金屬腐蝕並降低材料的絕緣性能。另外,電子設備的組件或結構件長霉,還有礙於設備的美觀及裝飾,對人體健康也有一定影響。
防霉的主要方法如下。①控制環境條件:生產或裝配元件、器件的車間、庫房採用空調,消除黴菌生長的條件;將設備密封,加入乾燥劑,以保持設備內部空氣的乾燥和清潔。②使用防霉材料:在設計設備構件時,根據工作環境的要求,選擇具有防霉特性的材料,如熱固性塑膠、熱塑性塑膠、氯丁橡膠、雲母製品等。③套用防霉劑:對需要防霉的電子元件、組件或整機噴塗或浸漬防霉劑,如供浸漬漆用的酸性硫柳汞(C9H10O2Hg),供塑膠和電纜灌膠用的可熔性8-羥基奎林酮,供電線、電纜保護層用的環烷酸酮等。

參考書目

南京工學院主編:《電子設備結構設計原理》,江蘇科學技術出版社,南京,1981。

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