Надежность судовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭО) и систем автоматизации (СА) формируется под влиянием целого комплекса факторов. Ключевыми из них являются тепловые поля, влажность окружающей среды, механические нагрузки, солнечная радиация и специфические режимы эксплуатации. Все эти факторы можно систематизировать по происхождению и фазе воздействия на три основные группы: конструктивные, производственные и эксплуатационные.
Конструктивные и производственные факторы
Эти факторы закладываются на этапах проектирования и изготовления аппаратуры. Они включают в себя выбор принципиальных схемных и конструктивных решений, применяемые технологии производства, подбор элементной базы и рабочих режимов, а также строгость входного контроля комплектующих. От этих решений напрямую зависит исходный потенциал надежности оборудования.
Эксплуатационные факторы
Данная группа факторов проявляется уже в процессе использования аппаратуры вне сферы производства. Их можно разделить на две категории:
Объективные (деградационные) факторы: Обусловлены естественными процессами, такими как старение материалов, износ, коррозия и усталость. Они, в свою очередь, делятся на внешние (действующие из окружающей среды) и внутренние (связанные с работой самого оборудования).
Субъективные факторы: Связаны с человеческим фактором, а именно с несоблюдением или нарушением правил технической эксплуатации обслуживающим персоналом.
Внешние воздействия на полупроводниковые приборы и микросхемы
Рассмотрим подробнее основные внешние воздействия, критически важные для современной РЭО, построенной на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах.
1. Механические воздействия: вибрации и удары
В судовых условиях аппаратура постоянно подвергается динамическим нагрузкам — вибрациям и ударам. Эти воздействия передаются на внутренние элементы, вызывая нарушения в работе и механические повреждения. Под нагрузкой в конструкциях возникают деформации и сложные колебания.
Наиболее опасными являются вибрации в диапазонах 15–150 Гц (резонанс конструктивных элементов) и 175–500 Гц (резонанс электрических элементов). Ударно-вибрационные нагрузки передаются через точки крепления, которые одновременно могут служить демпферами.
Реакция элементов на вибрации разнообразна и может включать:
- Деградацию и усталостное разрушение внутренней арматуры.
- Деформацию и обрыв проводников на кристалле полупроводника.
- Отслаивание переходных слоев и отрыв кристалла от подложки.
- Растрескивание и разрушение самого полупроводникового кристалла.
Для защиты применяют размещение блоков в зонах с минимальными перегрузками и использование амортизационных устройств.
2. Климатические воздействия и агрессивные среды
Комплекс климатических факторов — влажность, экстремальные температуры, солнечная радиация — создает агрессивную среду для РЭО. Особенно опасна морская атмосфера с высоким содержанием солей, которая в сочетании с влажностью и температурой резко ускоряет коррозию.
Воздействие колебаний температуры
Сезонные и суточные перепады температур, характерные для разных районов плавания (например, для судов рыбопромыслового флота), воздействуют на аппаратуру как самостоятельно, так и в сочетании с ее собственным тепловыделением. Длительная работа при повышенных температурах приводит к старению материалов: изменяются проводимость сплавов, диэлектрические свойства, увеличивается хрупкость металлов и пластиков, снижая устойчивость к вибрациям.
Воздействие влажности
Влажность, особенно в морских условиях, приводит к адсорбции влаги на поверхностях приборов. Образующаяся пленка электролита (часто содержащая соли и кислоты) инициирует электрохимическую коррозию, снижает механическую прочность и нарушает герметичность корпусов. Морская вода действует как активный катализатор и растворитель, а с повышением температуры ее проникающая способность и агрессивность возрастают.
3. Биологическая среда и пыль
В условиях высокой влажности и температуры активно развиваются плесневые грибки. Они выделяют органические кислоты, которые повреждают даже стекло и пластмассы, повышая хрупкость и влагопроницаемость материалов, а также ускоряя коррозию.
Соляной туман и атмосферная пыль, содержащая химически активные соединения, также представляют серьезную угрозу. Оседая на поверхностях, они поглощают влагу, вызывая коррозию, токи утечки и даже пробои. Пыль может химически взаимодействовать с лакокрасочными покрытиями, лишая их изоляционных свойств.
4. Прочие внешние воздействия
Солнечная радиация: Длинноволновое излучение вызывает перегрев, а коротковолновое — фотохимическое старение материалов (потерю упругости, цвета).
Электромагнитные излучения: Могут нарушать электромагнитную совместимость (ЭМС) и вызывать перегрузки входных каскадов аппаратуры. Проблема ЭМС особенно актуальна при плотном размещении множества радиотехнических средств на судне. Ее обеспечение регулируется международными (Регламент радиосвязи МСЭ) и национальными нормативами.
Радиационное излучение: Особенно опасно для полупроводниковых элементов, так как приводит к необратимым изменениям их электрических характеристик.
Заключение
Рассмотренные факторы редко действуют изолированно; чаще они воздействуют комплексно, взаимно усиливая друг друга и ускоряя деградационные процессы во всех элементах аппаратуры. Для обеспечения долговечной и безотказной работы судовой РЭО и СА необходимо на этапах проектирования и эксплуатации принимать специальные защитные меры, а также обязательно учитывать совокупное влияние этих факторов при расчетах надежности.