海上电子设备的三防设计（052）

【摘要】本文从金属允许化偶设计，材料和工艺优选及天、伺、馈防护等方面简述海上电子设备三防设计的重要性。强调三防设计必须贯彻到产品设计之中而不能视三防为单纯的工艺措施，只有这样才能达到三防目的。

关键词：电子设备，三防技术，保护涂覆，新材料

一、前言

海上电子装备的三防性能是整机重要战术技术指标之一，有特定的技术内容和要求。尤其是航行在东南沿海海域的舰船上的电子装备所发生的故障有50%以上是由环境因素造成的,其中绝大多数是由于温度、湿度、盐雾、霉菌及冲击振动所引起。电子设备的可靠性与环境因素有着十分密切的关系。为提高海上电子装备的“三防”性能,必须在研制和生产过程中对所用的材料、工艺和器件进行专项试验,优选出经过试验或已在实际应用中被证实是可靠的工艺和材料应用于整机。使三防技术贯彻到产品设计之中,而不是在产品完成之后。现代三防技术的范畴,已不单纯是一项工艺技术的实施,而应当涉及到综合性的技术管理和三防设计。尤其是对军用电子装备的研制和生产,三防技术的要求已和其他战术指标一样,显得越来越重要。因为三防技术已成为提高整机可靠性,延长使用寿命,减少使用过程中故障率的关键技术。

海上电子装备三防设计的基本方法是:

(1)在产品研究和设计阶段,应当根据海上使用环境,提出“三防”要求和需解决的关键性课题,使三防技术贯彻到产品设计之中,而不是在产品完成之后。

(2)严格优选材料和工艺.采用不受潮湿、温度、盐雾、霉菌等侵蚀的材料;采用经试验证明是可靠的工艺方法。未经试验和认证的材料、工艺不能应用到正式产品上。

(3)通过组件密封,元件包封,零部件涂覆等方法,防止潮气或腐蚀介质接触到材料。

(4)通过排除湿气、冷却、灭菌等方法改善环境条件、或利用周期性检查和维修及时排除隐患。

(5)对已完成的产品进行跟踪,发现不完善的地方,组织人力进行分析,设法改进、提高。

二、三防设计

1.金属允许电化偶

电子设备中几乎采用了所有的金属材料。在海洋环境中,除少数惰性金属外,绝大多数金属都不耐腐蚀。潮湿和盐雾是引起金属腐蚀的主要因素,这种腐蚀是化学和电化学腐蚀同时作用的结果。金属腐蚀主要有8种类型(1)均匀腐蚀;(2)电偶腐蚀；(3)缝隙腐蚀;4孔蚀;5晶间腐蚀;(6)选择腐蚀;(7)磨损腐蚀;（8）应力腐蚀。对电子工业来说以电偶腐蚀尤为突出。因为,不同类金属的相互接触可以形成通过电偶反应加速金属腐蚀,尤其在海洋环境中。因此,合理的选择镀层及不同类金属的合理使用是极为重要的。

结构设计师必须了解和掌握“金属允许电化偶”这一金属腐蚀机理中最常用的基本理论,正确应用这一理论是对结构设计人员最基本的要求之一;也是在海洋环境中合理使用金属和镀层最有效的方法。表1列出的是常用金属和镀层允许电化偶表。

（1）金属允许电化偶表的几点说1明:

l)根据偶接金属在电偶序中的相对位置,表1可以用来确定将要偶接的金属是否需要保护和保护的程度。表中的金属和合金或镀层是分组列出的,每组中的成员都有共同的电动势(EMF)(与甘汞电极偶接在室温海水中测量时,它们的电动势差在0.05V以内)。每一组的所有金属,不管它们的金相组织是否相似.都看成是相容电化偶。

2)表1中不同组之间的相容电化偶是以电位差最大不超过0.25V规定的。表中允许电化偶序用右边的图线指示。用直线连接起来的各组金属(镀层),就构成允许电化偶。“○”指示每个系列中EMF最大的阴极金属,“·”指示阳极金属,箭头指示阳极方向,表中除给出了对甘汞电极的电动势(EMF)外,还给出一个推导出的“阳极指数”。第1组(金属)的阳极指数为0,第18组(镁等)为175。由一组的阳极指数减去另一组的阳极指数就得出电动势差(0.0lV为单位)。

3)为防止电子设备出现电偶腐蚀,在可能的情况下,金属电化偶应只限于表中允许的最小电化学反应趋势的电化偶选择。

4)相容电化偶的使用。在选择和应用相容电化偶时应注意以下问题:

①   钝化膜 在选择电化偶时,只考虑镀层或基体金属,钝化膜可不予考虑。例如,锌或镐的所有铬酸盐或磷化处理都不予考虑.只认为锌和锡在电化学腐蚀中起作用。

②   铝合金硬质阳极氧化膜  该氧化胶是不透水的非导电体,因此.可以和任何不同类金属接触。

③   金属接触面积  在金属电化偶中,阳极指数较高的金属对阳极指数较低的金属来说是阳极,当存在电介质时,阳极金属易于遭到腐蚀。例如,阴极零件的面积如果明显地大于阳极零件,那末阳极零件接触表面的腐蚀会加剧。因此,选择金属间接触零件材料(或镀层)时,应当把小零件确定为电化偶中的阴极零件。

④   镀层  选择电化偶时,只考虑接触金属(镀层)表面是否相容.而不是基体金属是否相容。

(2)表1中的例外

l)特殊工作条件   当零件的温度不同,镀层厚度不同,使用寿命不同时,电化偶的极性变换,多金属接触等情况,可能属于特殊情况。例如,在热的自来水中.锌对于铁、锌可以变成阴极;在平常的自来水中锡对铁,锡可以成为阳极。

2)密封元件   表1中规定不适于在清洁、干燥条件下被永久地密封在无腐蚀性的灌封或密封村料中的互相接触的金属零件;也不适用于密封在内部不受大气条件影响的容器内相接触的金属零件.

3)镁金属   表中不允许镁与任何其他金属相互接触,若必须接触时,两种金属必须用胶带隔开,胶带要伸出接头周边032cm,禁用布基带。

4)当表中不允许电化偶2种金属接触时,至少有一个接触面(最好是阴极或不活泼金属)涂覆底漆或有底漆的面漆,这些电化偶成为允许电化偶。

2.电镀零件的“氢脆”问题

镀件在阴极会有部分化学反应中的“氢”渗入镀层的晶格中,造成晶格歪扭、内应力增大。零件对氢脆敏感性与材料特性有关。抗拉强度越高,氢脆敏感性也越大。弹簧、弹簧片、高强度钢等重要结构件,经电镀后,必须进行除氢工序,设计图纸上应当注明。设计师应当注意,尽可能不用经淬火铁合金电镀,不得已时,所选用的钢材应是能够达到设计强度要求而含碳量最小,硬度最低的材料,这种钢的金相结构基本上是回火状态的马氏体。

零件应避免采用锐弯(急弯)结构,对于高强度钢,例如,δb＞1050MPa时.电镀前必须消除应力,同时镀后应除氢。对于大尺寸δb＞500Pa的承力结构件可采用热浸锌,喷M锌.喷铝而不用电镀锌,以减少产生氢脆的风险。

3.整机、单元的三防保护和材料

现代电子设备,由于采用了特种化学工艺,不但能减轻重量,缩小体积,而且由于采用保护涂覆;高压部件的固体封装;粘接工艺及绝缘处理等特种工艺技术,使电子设备的可靠性提高。能够更好地适应高冲击振动、湿热、盐雾、霉菌及高低温循环等恶劣环境,尤其是在海上服役的电子装备,其“三防”性能的优劣,会直接影响装备的可靠性和使用寿命.

(l)印制装配板的保护涂覆保护涂覆亦称敷形涂覆(conformalcoating),目的是使电路单元在贮存的工作期问能抵抗恶劣环境的影响,达到防潮、防霉、防盐雾腐蚀的目的。并且能够防止由于温度骤然变化,空气中产生“凝雾”而使电路漏导增加,短路甚至击穿。对于工作在高电压下的印制电路板,经涂覆后,可有效地防止导线之间电晕、爬电和击穿,提高产品的可靠性。

用于保护涂覆的材料很多,IPC规定了保护涂覆材料的分类,即:

AR-丙烯酸树脂

ER-环氧树指

FC-氟碳树脂

SC-在机硅

UR-聚胺脂

XY-聚对二甲苯

根据电子产品的应用及环境要求IPC将电子产品分成三大类:

classl:消费电子产品

class2:工业电子产品(计算机、通讯等)

class3:高可靠电子产品(包括军用产品及高密度组装产品)

在一般情况下,高可靠产品(属class3)应当进行保护涂覆。尤其是在海上应用的电子装备,必须认真选择涂覆材料和工艺,以确保产品的可靠性。表2是几种涂覆材料的性能。

(2)高压电源(器件)的固体封装能用于高压器件的灌封材料有很多,例如有机硅弹性体、醚型聚胺酷橡胶、环氧树脂等。这些材料各有特点。表3是几种典型封装材料的性能及应用特性比较。

从表3的性能比较可以看出,采用弹性材料比刚性材料(环氧)有更多的优点。对于电子设备中的关键部件一高压组件的封装则采用硅凝胶比聚胺脂材料更为合适。这是因为:

①  硅凝胶弹性体耐高低温性能好,可在-65～+180℃范围内长期使用,在承受-55℃～+150℃反复冲击情况下,对其性能无任何影响。

②  能在室温或60℃固化,不放热,固化后收缩率小,无内应力,不会使被封装器件损伤。

③  电性能好,且受温度和频率影响小,能在一个很宽的温度范围内保持一个稳定值(如图1、2所示)。

④  抗电晕性和耐电弧性能好,在高压下使用安全可靠。产生电弧后,燃烧产物是绝缘性能好的二氧化硅,对燃烧有一定的阻滞作用。

⑤  耐老化性优异,经长期臭氧和紫外线作用不会变硬和开裂。经150℃、l000h的热老化后性能基本不变。无返原性,即一旦固化后在任何情况下,不会降解、发粘。

⑥  硅凝胶具有很大弹性,能吸收震动和抗冲击。这种减震性能对被封装部件有良好的保护作用,能承受20～2000Hz扫频振动和在共振点上相当于160g加速度作用，而使元件不受损伤。

采用硅凝胶作高压器件固体封装材料的缺点是:

①  硅凝胶对被封装物的粘接力差,必须采用特殊方法处理或采用特殊的工艺才能应用,否则其界面将会引起爬电、击穿,而达不到抗高压的效能。

②  有机硅弹性体的热膨胀系数大(见表3).通常是金属的10倍左右,即2.8×10^-4数量级;体膨胀系数亦大,为7～8×10^-4数量级。因此,被封装部件最好有采用无壳结构,以免在升温后,硅弹性体膨胀时引起容器破裂或器件失效.如果必须采用容器封装时,则硅凝胶的固化温度,应当选在实际应用时的最高温度(即此高压器件应用时最高环境温度+器件温升)进行熟化,以免在应用时产生应力。

海上电子设备的高压部件应尽可能采用固体封装,这样可有效地避免在潮湿气候条件下高压打火、击穿等故障.灌封后的电路板可有效地防止盐雾腐蚀。经封装后的电路板在海南岛贮存试验20年后,被封装的元件、印制导线没有多少变化。因此,用于仓外的电路板(如高频箱、放大器等),如有可能应尽量采用固体封装.以提高设备的可靠性.

4 天、伺、馈系统的三防技术

为提高海上电子设备,尤其是舰载、海岸用雷达天线、馈线、伺服系统的可靠性能,对这部分在设计、选材和工艺上必须特别注意。需选用耐日辐射、盐雾、湿热的抗微生物浸蚀的长效特种涂料,特种密封剂,热缩管及新型耐腐蚀材料。

(l)天线、支架及基座的防护

除采用目前普遍采用的喷锌后多层涂料重防护措施外,重点是选择好底漆、面漆的配套工艺技术。应能达到在南海区域暴露实验3年不脱漆,不粉化的最低指标。对小型天线应采用高强度铝锉合金和钦合金以提高防腐蚀能力,尤其是选用钦合金可减轻重量并减少涂层的防护等级。

(2)天线罩及支撑件

除采用玻璃钢材料外可选用芳伦复合材料或碳纤维复合材料制造支撑件或箱体等异形构件.必须采用热压罐成型技术,选用树脂体系和表面涂层,必须考虑在南海区域承受暴晒、日辐射、紫外线、湿热、盐雾等因素.确保复合材料不分层、涂料不粉化等.天线罩和箱体不要采用气密结构,以防漏气后,潮气渗入而积水,实际上开放式结构更趋合理。

(3)仓外电路板,功分器的保护措施

仓外电路原则上必须进行保护涂覆后采用硅凝胶灌封以防盐雾的侵蚀。经多次试验证实户外腐蚀,主要是由于温差变化产生凝露,凝露中带有盐雾,周而复始,在电路板上会有盐积存而产生腐蚀。而采用硅凝胶封装可达到元件20年不被腐蚀的效果。对高频、微波器件,必需采用可靠的密封和防水措施,以免在盐雾中受潮后性能变化。

天、伺、馈系统的防护是电子装备中最敏感、最重要的部分,必须根据使用要求,在设计时考虑到各种“三防”措施。切不可在设计、研制成功之后再考虑三防问题,这样势必带来很多隐患,甚至会导致整个设计失败。

三、结束语

为提高海上电子装备,尤其是舰载,海岛上用雷达、通讯、导航、敌我识别系统的可靠性,必须重视设备的“三防”设计。“三防”是设计出来的,必须体现在设计师的图纸上.先进的设计思想,优选可靠的材料和工艺技术,结构设计和工艺密切合作才能把三防技术贯彻到产品设计之中,才能使“三防”立足于可靠的基础上,使研制、生产的海上电子设备达到“三防”要求。