Spis treści:
- 1 Uszkodzona stacja pogodowa, czyli woda i wilgoć
- 2 Temperatura, nie tylko zbyt wysoka
- 3 Coś strzeliło, czyli wyładowania elektrostatyczne
- 4 Problem niespotykany na cleanroomie – pył i kurz
- 5 Niewidzialne zniszczenia, czyli wstrząsy i wibracje
- 6 Tajemniczy wróg – zakłócenia elektromagnetyczne
- 7 Elektronika w OP1, czyli zagrożenia chemiczne
- 8 Jak umierają satelity – promieniowanie kosmiczne
- 9 Pamiętaj – Elektronika nie jest nieśmiertelna
Współczesna elektronika jest integralną częścią naszego życia, obecna niemalże w każdym aspekcie codziennej aktywności. Od urządzeń smart home po zaawansowane systemy medyczne, elektroniczne komponenty ukryte zazwyczaj wewnątrz obudowy są nieodłącznymi towarzyszami naszego dnia. Jednakże, aby utrzymać wydajność i niezawodność urządzeń, konieczne jest zrozumienie i skuteczna ochrona elektronicznych elementów przez wpływem czynników zewnętrznych, takich jak wilgoć, pył, drgania czy też zakłócenia elektromagnetyczne.
Niemalże każdy sprzęt narażony jest na specyficzne uszkodzenia od telefonów komórkowych, które towarzyszą nam w deszczowe wieczory, po systemy kontroli lotu w samolotach, które muszą działać w skrajnych warunkach atmosferycznych. Destruktywnych dla elektroniki czynników jest całkiem sporo, a każdy z nich jest osobnym wyzwaniem, z którym mierzą się projektanci towarzyszących nam na co dzień urządzeń i maszyn.
W tym artykule zanurzymy się w świat zabezpieczeń elektroniki. Odkryjemy, jak inżynierowie i projektanci tworzą rozwiązania, które pozwalają urządzeniom działać niezawodnie, niezależnie od warunków atmosferycznych, otoczenia czy rygorów zastosowania. Poznamy nowoczesne technologie i praktyki, które pozwalają na osiągnięcie tego celu, a także dowiemy się, dlaczego zabezpieczanie elektroniki jest tak ważne w dzisiejszym cyfrowym świecie.
Uszkodzona stacja pogodowa, czyli woda i wilgoć
Woda i tym samym wilgoć to jedne z najbardziej destrukcyjnych czynników zewnętrznych, które mogą znacząco zaszkodzić elektronice. Ich wpływ na urządzenia elektroniczne jest niezwykle niebezpieczny, ponieważ prowadzi do poważnych problemów, takich jak zwarcia i korozja.
Woda jest szczególnie destrukcyjna ze względu na swoje właściwości przewodnictwa. Jeśli dostanie się ona do wnętrza urządzenia, może spowodować zwarcia między elementami, ścieżkami lub przewodami, co z kolei prowadzi do większych awarii lub całkowitego uśmiercenia urządzenia. Co więcej, wilgoć może również spowodować korozję metalowych elementów na płytach drukowanych oraz połączeń, co długofalowo prowadzi do degradacji i utraty połączeń między nimi. Jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń stosowanych w warunkach morskich lub przemysłowych, gdzie obecność wilgoci jest stała. Poza tym wilgoć bywa destruktywna dla urządzeń takich jak przydomowe stacje pogodowe lub lampki solarne oświetlające ogród.
Ochrona elektroniki przed wpływem wody i wilgoci wymaga zastosowania zaawansowanych technologii, takich jak uszczelnienia, powłoki hydrofobowe i hermetyczne obudowy. Oprócz tego, zapewnienie odpowiedniego wentylowania i kontroli temperatury może również pomóc w zmniejszeniu ryzyka uszkodzeń spowodowanych wilgocią. Warto zaznaczyć, że w dzisiejszym świecie, gdzie elektronika jest coraz bardziej obecna w naszym otoczeniu, skuteczne zabezpieczenie przed wpływem wody i wilgoci staje się kluczowym elementem zapewnienia niezawodności elektronicznych urządzeń.
Temperatura, nie tylko zbyt wysoka
Temperatura to kolejny istotny czynnik zewnętrzny, który może znacząco wpłynąć na niezawodność i działanie elektroniki. Elektroniczne komponenty są często bardzo wrażliwe na ekstremalne temperatury, zarówno na skrajne chłodzenie, jak i na intensywne ciepło. Jej destrukcyjny wpływ na widoczny jest zarówno w skokach napięcia, jak i zmianach oporności materiałów.
Ekstremalnie niskie temperatury spotykane są w branży kosmicznej. Elementy, połączenia i w konsekwencji całe urządzenia narażone są na jej destrukcyjny charakter, a ich efektem może być przykładowo kruchość materiałów, z których wykonano komponenty. Z drugiej strony, wysokie temperatury, jakie mogą występować w systemach komputerowych lub urządzeniach przemysłowych, wpływają na przyspieszenie degradacji elementów półprzewodnikowych, co skraca ich żywotność i obniża wydajność. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o wpływie wysokiej temperatury na półprzewodniki polecam zajrzeć do jednego z moich materiałów o palącym się tranzystorze.
Aby zabezpieczyć elektronikę przed wpływem temperatury, stosuje się różne techniki, które określić możemy terminem zarządzania termicznego, których typowymi przykładami są: aktywne i pasywne chłodzenie oraz materiały termoizolacyjne. Kluczowe jest również stosowanie konkretnych elementów elektronicznych o podwyższonej odporności na temperatury. Zrozumienie wpływu temperatury na konkretne zastosowanie jest fundamentalne dla projektowania niezawodnych układów elektronicznych, zwłaszcza w dziedzinach, gdzie występują znaczne wahania temperatury.
Coś strzeliło, czyli wyładowania elektrostatyczne
Wyładowania elektrostatyczne, znane również jako po prostu ESD (ElectroStatic Discharge), stanowią istotne zagrożenie dla niezawodności i trwałości elektroniki. Te nagłe przepływy ładunku elektrycznego mogą wystąpić w wyniku nierówności potencjału między dwoma punktami, co często ma miejsce podczas procesu montażu, przechowywania lub obsługi elektronicznych komponentów. Destruktywny wpływ ESD na elektronikę jest szczególnie widoczny w mikroskalach, gdzie nawet niewielkie wyładowania mogą powodować uszkodzenia układów scalonych, tranzystorów i innych podzespołów.
Wpływ ESD nie ogranicza się tylko do fizycznych, całościowych uszkodzeń komponentów, ale również może prowadzić do subtelnych awarii, które nie są widoczne od razu. Takie uszkodzenia mogą spowodować zakłócenia w działaniu urządzenia lub prowadzić do jego stopniowej degradacji. W rezultacie, ESD jest jednym z głównych źródeł awarii elektronicznych układów i może znacząco wpłynąć na koszty utrzymania i niezawodność urządzeń elektronicznych.
W celu zabezpieczenia elektroniki przed wpływem ESD, stosuje się różne środki ostrożności, takie jak odpowiednie uziemienie, zastosowanie specjalnych ochronników ESD, czy też przestrzeganie odpowiednich procedur podczas obsługi i montażu komponentów elektronicznych. Również projektowanie układów z uwzględnieniem ochrony przed ESD stanowi kluczowy aspekt tworzenia trwałych i niezawodnych systemów elektronicznych. Zrozumienie i świadomość wpływu ESD to podstawa, by chronić elektronikę przed tym destrukcyjnym czynnikiem.
Problem niespotykany na cleanroomie – pył i kurz
Pył i kurz to czynniki, przed którymi nie ma ucieczki i co najgorsze mogą one znacząco wpłynąć na niezawodność i żywotność elektroniki. Te mikroskopijne cząsteczki, które osadzają się na powierzchniach i w szczelinach urządzeń elektronicznych, prowadzą do różnorodnych problemów, począwszy od przegrzewania się komponentów po zakłócenia w działaniu sprzętów.
Warstwa kurzu na elektronicznych komponentach może działać jak izolator termiczny, co w konsekwencji prowadzi do przegrzewania się elementów, a jednocześnie ogranicza odpowiedni przepływ powietrza wewnątrz urządzenia. W rezultacie, urządzenia elektroniczne, które pracują w warunkach obfitujących w pył, jak na przykład magazyny czy przemysł papierniczy, mogą w prosty sposób ulec uszkodzeniu. Ponadto, osadzony kurz może powodować zakłócenia w działaniu wrażliwych elementów, takie jak przewody, styki.
Aby zabezpieczyć elektronikę przed wpływem pyłu i kurzu, stosuje się różne środki, takie jak specjalne obudowy, filtry powietrza, hermetyczne uszczelnienia, a także regularne konserwacje i czyszczenie urządzeń. Odpowiednia wentylacja oraz kontrola środowiska pracy również odgrywają kluczową rolę w minimalizowaniu wpływu tych niepożądanych czynników na elektronikę.
Niewidzialne zniszczenia, czyli wstrząsy i wibracje
Wstrząsy i wibracje stanowią poważne wyzwanie dla niezawodności i trwałości elektroniki, zwłaszcza w sytuacjach, gdzie urządzenia narażone są na regularne i intensywne drgania. Destruktywny wpływ tych czynników jest szczególnie widoczny w przypadku układów scalonych, dysków twardych, elementów mechanicznych i połączeń.
Wstrząsy i wibracje mogą powodować luźne lub pęknięte połączenia między elementami elektronicznymi, co w konsekwencji prowadzi do przerw w obwodach i większych awarii. Ponadto, elementy mechaniczne, takie jak dyski twarde, są szczególnie podatne na uszkodzenia spowodowane wibracjami, co może prowadzić do utraty danych i trwałych uszkodzeń urządzenia.
Aby wyeliminować lub przynajmniej ograniczyć wpływ wstrząsów i wibracji na elektronikę, stosuje się różne techniki, takie jak amortyzacja, montaż na sprężynach, a także specjalne obudowy i mocowania, które absorbują energię wibracji. Stosowaną praktyką jest też projektowanie sprzętów z myślą o wytrzymałości na wstrząsy, stosuje się wówczas wzmocnione połączenia i zabezpieczenia mechaniczne.
Tajemniczy wróg – zakłócenia elektromagnetyczne
Zakłócenia elektromagnetyczne, znane również pod terminem EMI (ElectroMagnetic Interference), stanowią znaczący czynnik ryzyka dla elektroniki. Zakłócenia te obejmują szeroki zakres sygnałów elektromagnetycznych, takich jak fale radiowe, zakłócenia radiowe, pole elektromagnetyczne, czy też tzw. szumy elektromagnetyczne. Ich wpływ na elektronikę może być destrukcyjny, prowadząc do niestabilności w działaniu, przekłamań w przesyłaniu sygnałów czy nawet w skrajnych przypadkach uszkodzeń komponentów.
W przypadku urządzeń, które pracują w bliskim sąsiedztwie źródeł EMI, takich jak silniki elektryczne czy urządzenia telekomunikacyjne, zakłócenia elektromagnetyczne mogą powodować błędy w przesyłaniu danych i obniżać wydajność elektroniki. W niektórych przypadkach, intensywne EMI może prowadzić do uszkodzenia elementów, takich jak tranzystory czy mikroprocesory, co z kolei może być kosztowne w naprawie i prowadzić do przestojów w pracy urządzeń.
W celu zabezpieczenia elektroniki przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, stosuje się różnorodne rozwiązania, takie jak ekranowanie, filtry EMI oraz odpowiednie rozmieszczenie elementów na płytkach PCB. Ochronę przed EMI uwzględniana jest często w fazie projektowania, poprzez zastosowanie metalowych ekranów elektromagnetycznych i odpowiednich obudów. Zrozumienie wpływu zakłóceń elektromagnetycznych oraz odpowiednie zabezpieczenia są kluczowe, aby zapewnić niezawodność i spójność działania elektroniki, zwłaszcza w dzisiejszym środowisku naszpikowanym różnego rodzaju urządzeniami i źródłami EMI.
Elektronika w OP1, czyli zagrożenia chemiczne
Środki chemiczne to dość ogólny termin, który również może być zagrożeniem dla niezawodności i żywotności elektroniki. Chemikalia mogą wpływać negatywnie na jej działanie oraz trwałość, szczególnie w przypadku urządzeń, które pracują w środowiskach i przestrzeniach, gdzie występują agresywne substancje chemiczne.
Kwasy, zasady i sole mogą prowadzić do korozji elementów metalowych na płytach drukowanych oraz innych części układów elektronicznych. Co może spowodować uszkodzenie połączeń, a w konsekwencji awarię całego urządzenia Niepożądanymi substancjami są też rozpuszczalniki organiczne, takie jak aceton czy toluen, które mogą rozpuszczać i uszkadzać plastikowe obudowy i izolatory w urządzeniach elektronicznych. Poza tym istnieje cała masa agresywnych specyfików zawierających silne substancje chemiczne, takie jak chlor, który może niszczyć komponenty oraz prowadzić do ich korozji.
Zabezpieczanie elektroniki przed wpływem środków chemicznych to niezwykle obszerny temat. Spotkać możemy różnorodne metody ochrony, takie jak hermetyczne obudowy, uszczelnienia i specjalne powłoki ochronne. Wybór odpowiednich materiałów, które są odporne na agresywne substancje chemiczne, jest również kluczowy dla projektowania niezawodnych urządzeń elektronicznych. W przypadku urządzeń pracujących w przemyśle chemicznym, laboratoryjnym lub medycznym, zabezpieczenie przed wpływem substancji chemicznych jest nieodzownym elementem zapewnienia niezawodności i trwałości.
Jak umierają satelity – promieniowanie kosmiczne
Promieniowanie kosmiczne to jedno z najbardziej wyjątkowych i potencjalnie destrukcyjnych zagrożeń dla elektroniki. Promieniowanie to składa się z różnych typów naładowanych cząstek, takich jak protony, elektrony i jądra atomowe, które poruszają się z dużą energią i przenikają przez przestrzeń kosmiczną. Wpływ promieniowania kosmicznego na elektronikę jest szczególnie widoczny w przypadku urządzeń pracujących na orbicie okołoziemskiej i poza nią, takich jak satelity czy sondy kosmiczne.
Promieniowanie kosmiczne potrafi niemal bezinwazyjnie uszkodzić krzemowy rdzeń układu scalonego powodując błędy w pamięci czy niestabilne działanie urządzenia. Cały proces polega na zjawisku jonizacji, która może zmieniać ładunek elektronów w chipie lub zaburzać przepływ prądu elektrycznego. W dłuższej perspektywie czasowej, promieniowanie kosmiczne może prowadzić do degradacji materiałów, zwłaszcza półprzewodników, co obniża niezawodność i żywotność urządzeń.
Projektanci sprzętów kosmicznych, stosuje różnego typu strategie i technologie, tak aby uchronić elektronikę przed kosmicznym promieniowaniem. Jednym z najważniejszych rozwiązań jest zastosowanie tzw. radiacyjnie odpornych układów scalonych (RRICs), które zostały specjalnie zaprojektowane, aby wytrzymać bombardowanie naładowanymi cząstkami energii. Oprócz tego, spotkać można również ołowiane tarcze lub inne materiały osłonowe, których celem jest maksymalnie zminimalizować wpływ promieniowania kosmicznego na elektronikę. Ciekawostką są też technologie do autonomicznego wykrywania i korygowania uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem w czasie rzeczywistym.
Pamiętaj – Elektronika nie jest nieśmiertelna
Zabezpieczanie elektroniki przed warunkami zewnętrznymi jest niezwykle ważnym aspektem procesu projektowania urządzeń. Niezależnie czy budujesz stację pogodową, która musi być odporna na wilgoć, pracujesz w fabryce, w której na liniach produkcyjnych występują drgania, czy też projektujesz odporną na promieniowanie kosmiczne elektronikę w SpaceX musisz pamiętać, że warunki w jakich pracuje sprzęt są niezwykle ważne.
Źródła:
https://resources.altium.com/pl/p/circuit-design-tips-pcb-moisture-protection-humid-environments
https://ep.com.pl/rynek/prezentacje/14337-jak-zabezpieczyc-moduly-elektroniczne-aby-dzialaly-bezawaryjnie
www.rafalbartoszak.pl/jak-pali-sie-tranzystor-w-ukladzie-wspolnego-emitera/
https://www.analog.com/en/thought-leadership/challenges-for-electronic-circuits-in-space-applications.html
www.airinnovations.com/blog/semiconductor-clean-room-requirements/
www.agro-chemistry.com/news/chemical-industry-is-switching-to-renewable-carbon/
