2.Особенности использования полупроводниковых приборов в радиоэлектронной аппаратуре

Полупроводниковые приборы, сведения о которых приводятся в справочнике, являются приборами общего применения. Они могут работать в разнообразных условиях и режимах, характерных для различных классов радиоэлектронной аппаратуры широкого, промышленного и специального применения.

Общие технические требования к приборам, предназначенным для аппаратуры определенного класса, содержатся в общих технических условиях (ОТУ) на эти приборы. Конкретные нормы на значения электрических параметров и специфические требования к данному типу приборов излагаются в частных технических условиях (ЧТУ) и ГОСТ на приборы.

Высокая надежность радиоэлектронной аппаратуры на полупроводниковых приборах может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии ее проектирования, изготовления и эксплуатации следующих особенностей приборов:

• разброса значений параметров, их зависимости от режима и условий работы;
• изменения значений параметров в течение времени хранения или работы;
• необходимости хорошего отвода тепла or корпусов приборов;
• необходимости обеспечения запасов по электрическим, механическим и другим нагрузкам на приборы в радиоэлектронной аппаратуре;
• необходимости принятия мер, обеспечивающих отсутствие перегрузок приборов во время монтажа и сборки радиоэлектронной аппаратуры.

Значения параметров приборов одного типа не одинаковы, а лежат в некотором интервале. Этот интервал ограничивается минимальными или максимальными значениями, указанными в справочнике. Некоторые параметры имеют двухстороннее ограничение значений. Приведенные в справочнике вольтамперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры являются усредненными для большою количества экземпляров приборов данного типа. Эти зависимости могут использоваться при выборе типа прибора для данной схемы и ориентировочного ее расчета.

Большинство параметров полупроводниковых приборов значительно изменяется в зависимости от режима работы и температуры. Например, время восстановления обратного сопротивления импульсных диодов зависит от значения прямого тока, напряжения переключения и сопротивления нагрузки; потери преобразования и коэффициент шума СВЧ диодов зависят от уровня подводимой мощности. Значительно изменяется в диапазоне температуры, указанном в технических условиях, обратный ток диода. В справочнике приводятся значения параметров, гарантируемых ТУ для соответствующих оптимальных или предельных режимов использования.

Применение и эксплуатация приборов должны осуществляться в соответствии с требованиями ТУ и стандартами — руководствами по применению. При конструировании радиоэлектронной аппаратуры необходимо стремиться обеспечить ее работоспособность в возможно более широких интервалах изменений важнейших параметров приборов. Разброс параметров приборов и изменение их значений во времени при проектировании аппаратуры учитываются расчетными методами или экспериментально, например методом граничных испытаний.

Время, в течение которого полупроводниковые приборы могут работать в аппаратуре (их срок службы), практически неограниченно Нормативно-техническая документация на поставку приборов (ГОСТ. ТУ), как правило, гарантирует минимальную наработку не менее 15 000 ч. а в облегченных режимах и условиях эксплуатации — до 30 000 ч. Однако теория и эксперименты показывают, что через 50 — 70 тыс. ч работы возрастания интенсивности отказов не наблюдается. Тем не менее за время храпения и работы могут происходить изменения значений параметров приборов. У отдельных экземпляров эти изменения оказываются столь значительными, что происходит отказ аппаратуры. Для контроля уровня надежности изготовляемых приборов используются такие показатели, как гамма-процентный ресурс, гамма-процентная сохраняемость, минимальная наработка (гарантийная наработка), интенсивность отказов при специальных кратковременных испытаниях в форсированном режиме. Нормы на эти показатели устанавливаются в ТУ на приборы.

Для расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры следует использовать количественные показатели надежности, устанавливаемые путем проведения специальных испытаний, обработки большого объема статистических данных о различных испытаниях и 'эксплуатации приборов в разнообразной аппаратуре.

Экспериментально установлено, что интенсивность (вероятность) отказов приборов растет при увеличении рабочей температуры переходов, напряжения на электродах и тока. В связи с повышением температуры ускоряю(сч практически отказы всех видов: короткие замыкания, обрывы и значительные изменения параметров. Повышение напряжения значительно ускоряет отказы приборов с МДП структурами и с низковольтными переходами. Увеличение тока приводит, главным образом, к ускоренному разрушению контактных соединений и токоведуших дорожек металлизации на кристаллах.

Приближенная зависимость интенсивности отказов от нагрузки имеет вид:

где λ(T_п,макс, U_макс, I_макс) интенсивность отказов при максимальной нагрузке (может быть взята из результатов кратковременных испытаний в форсированном режиме). Значение В приблизительно равно 6000 К.

Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре необходимо снижать, главным образом, температуру переходов и кристаллов, а также рабочие напряжения и токи, которые должны быть существенно ниже предельно допустимых. Рекомендуется устанавливать напряжения и токи (мощность) на уровне 0.5—0.7 предельных (максимальных) значений. Эксплуатация полупроводниковых приборов при температуре, напряжении или токе, равных предельному значению, запрещается. Не допускается даже кратковременное (импульсное) превышение предельно допустимою режима при эксплуатации. Поэтому необходимо принимать меры по защите приборов от электрических перегрузок, возникающих при переходных процессах (при включении и выключении аппаратуры, при изменении режима ее работы, подключении нагрузок, случайных изменениях напряжения источников питания).

Режимы работы приборов должны контролироваться с учетом возможных неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации аппаратуры (повышенная окружающая температура, пониженное давление окружающей среды и др.).

Если необходимое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данною прибора значение, рекомендуется применение более мощною или высоковольтного прибора, а в случае диодов - их параллельное или последовательное соединение. При параллельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов с небольшим сопротивлением, включаемых последовательно с каждым диодом. При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые сопротивления и емкости шунтов обычно указываются в ТУ на диоды. Между последовательно или параллельно включенными приборами должна быть хорошая тепловая связь (например, все приборы устанавливаются на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между приборами будет неустойчивым.

При воздействии различных факторов (температуры, влаги, химических. механических и других воздействий) параметры, характеристики и некоторые свойства полупроводниковых приборов могут изменяться. Для защиты структур полупроводниковых приборов от внешних воздействий служат корпуса приборов. Корпуса мощных приборов одновременно обеспечивают необходимые условия отвода тепла, а корпуса СВЧ приборов — оптимальное соединение электродов приборов со схемой. Необходимо иметь в виду, что корпуса приборов имеют ограничения по герметичности и коррозионной устойчивости, поэтому при эксплуатации приборов в условиях повышенной влажности рекомендуется покрывать их специальными лаками (например, типа УР-231 или ЭП-730).

Обеспечение отвода тепла от полупроводниковых приборов является одной и; главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпусов приборов. Для охлаждения мощных диодов или тиристоров используются теплоотводящие радиаторы, работающие в условиях естественной конвекции или принудительного обдува, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры, имеющие достаточную поверхность или хороший теплоотвод. Крепление приборов к радиатору должно обеспечивать падежный тепловой контакт. Если корпус прибора должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса аппаратуры, чем диод или тиристор oт радиатора.

Отвод тепла улучшается при вертикальном расположении активных поверхностей радиатора, так как при этом лучше условия конвекции. Ориентировочные размеры теплоотводяших радиаторов в форме вертикально ориентированных пластин из алюминия (квадратных или прямоугольных) в зависимости от рассеиваемой ими мощности, можно определить но формуле

S = 40Р,

где S - площадь одной стороны пластины, см²; Р — рассеиваемая в приборе мощность, Вт. Пластины площадью до 25 см² могут иметь толщину 1-2 мм, площадью от 25 до 100 см² 2—3 мм. свыше 100 см² — 3 — 4 мм.

При заливке плат с полупроводниковыми приборами компаундами, пенопластами, пенорезиной необходимо учитывать изменение теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой, а также возможность увеличения дополнительного нагрева приборов от расположенных вблизи элементов схемы с большим тепловыделением. Температура при заливке не должна превышать максимальной температуры корпуса прибора, указанной в ТУ. При заливке не должны возникать механические нагрузки на выводы, нарушающие целостное 1Ь стеклянных изоляторов или корпусов приборов.

В процессе подготовки и проведения монтажа полупроводниковых приборов в аппаратуру механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ.

При рихтовке, формовке и обрезании выводов участок вывода около корпуса должен быть закреплен гак. чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены. Расстояние от корпуса прибора до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм. Радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм должен быть не менее 0.5 мм, при диаметре 0,6—1 мм — не менее 1 мм. при диаметре свыше 1 мм — не .менее 1,5 мм.

Паяльники, применяемые для пайки выводов приборов, должны быть низковольтными. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм. Для отвода тепла участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяльника должно быть надежно заземлено. Если температура припоя не превышает 533 + 5 К, а время пайки не более 3 с. то можно производить пайку без теплоотвода или групповым методом (волной, погружением в припой и др.).

Очистка печатных плат от флюса производится жидкостями. которые не влияют на покрытие, маркировку или материал корпуса (например, спирто-бензиновой смесью).

В процессе монтажа, транспортировки, хранения СВЧ приборов необходимо обеспечивать их защиту ог воздействия статического электричества. Для лого все измерительное, испытательное, монтажное оборудование и инструменты надежно за?емляю1ся: для снятия заряда с тела оператора применяются заземляющие браслеты или кольца. используются антистатическая одежда, обувь, покрытия столов рабочих мест.

Диоды СВЧ необходимо предохранять от воздействия внешних электрических наволок и электромагнитных полей. Не следует хранить или даже кратковременно оставлять СВЧ диоды без специальной экранирующей упаковки. Перед установкой СВЧ диодов в аппаратуру последняя должна быть заземлена. Входы и выходы СВЧ тракта в неработающем или хранящемся блоке аппаратуры с использованием СВЧ диодов должны выть перекрыты металлическими заглушками.

При эксплуатации аппаратуры должны быть приняты меры, предохраняющие СВЧ диоды от электрических СВЧ перегрузок, которые могут привести либо к необратимому ухудшению параметров. либо к полному отказу (выгоранию) диодов. Для защиты от СВЧ перегрузок в аппаратуре применяются резонансные разрядники, ферритовые oграничители, газоразрядные аттенюаторы.