МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Калугин В.В., Заводян А.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНИЙ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА ИХ ФОРМИРОВАНИЯ.

Лабораторная работа

Методические указания к лабораторному практикуму

по курсу: “Физико-химические основы технологии ЭС”

Зеленоград 2007 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНИЙ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА ИХ ФОРМИРОВАНИЯ.

Цель работы: 1) Практически освоить процесс формирования клеевых соединений; 2) исследовать зависимость адгезионной прочности клеевых соединений от содержания наполнителя в клеевой композиции и времени термообработки; 3) научиться проводить исследования и анализ полученных результатов для выработки рекомендаций по оптимизации исследуемого технологического процесса. Продолжительность работы – 4 ч.

Теоретические сведения.

В настоящее время клеи находят самое разнообразное примене­ние при изготовлений радиоэлектронных средств (РЭС). Так, креп­ление навесных компонентов на коммутационную плату - едва ли не самый распространенный технологический прием при выполнении сборочно-монтажных операций в производстве РЭС, благодаря цело­му ряду преимуществ клеевых соединений в сравнении с другими видами соединений. Основные из этих преимуществ следующие:

- формирование клеевых соединений не зависит от размеров и конфигурации изделий;

- исключается влияние клея на свойства склеиваемых материалов;

- обеспечивается возможность соединения самых различных по своей природе материалов;

- гораздо меньшее и более равномерное распределение напряжений в местах склеивания в сравнении с соединениями, полученными другими способами;

- коррозионная устойчивость;

- простота реализации и высокая производительность процесса склейки, а также несложность его механизации и автоматизации.

Склеивание является основным процессом в производстве слоистых пластиков, фолъгированных диэлектриков, многослойных комму­тационных плат, рельефных плат и т.д. Детали и узлы сложной гео­метрической формы на основе ферритов, ситаллов, керамики, ряда пластмасс и сплавов, отличающихся повышенной хрупкостью, целе­сообразнее всего получать склеиванием несложных по форме заго­товок. Использование клеевых соединений в условиях крупносерий­ного производства чаще всего связано с получением значительного экономического эффекта за счет сокращения расходов на материалы, а также за счет сокращения расхода энергии. Трудоемкость сбороч­ных работ может быть снижена на З0% и более, благодаря тому, что при склеивании нет необходимости выполнять такие трудоемкие. технологические операции, как сверление, сварка, нарезка резьбы и т.д., без которых нельзя обойтись при выполнении обычных меха­нических соединений. При склеивании допуск на геометрические размеры сопрягаемых деталей может быть расширен, требования к степени шероховатости контактируемых поверхностей существенно снижены. Нередко клеевые соединения в РЭС одновременно с использованием их в качестве механического соединения служат как уплотнители, либо в качестве диэлектрической изоляции для защиты конструкции от агрессивных сред как жаростойкие, износоустой­чивые, тепло- и коррозионностойкие прокладки и т.д.

Развитие техники поверхностного монтажа компонентов как нового конструктивно-технологического направления для создания РЭС следующего поколения во многом стимулировало в последние три-четыре года освоение новых полимерных материалов и на их основе разработки клеев со специфическими свойствами. В техноло­гии поверхностного монтажа компонентов на коммутационные платы клеи применяют в качестве адгезивов для фиксации компонентов при позиционировании и в ряде случаев для создания электрических межсоединений вместо пайки. Это не только исключает разрушение паяных контактов при поверхностном монтаже, но и существенно (примерно на 50 %) уменьшает количество технологических операций (облуживании, удаление растворителей из припойной пасты перед пайкой, удаление флюсов после пайки и др.) при выполнении сборки и монтажа РЭС.

В последние два-три года наблюдается развитие полимерной технологии в электронной промышленности как разновидности технологии поверхностного монтажа (в отличии от припойной или полимерно-припойной). Конструктивы РЭС, выполненные по полимерной технологии, не содержат паяных соединений. Многослойная коммутация, резисторы, механическое крепление компонентов, электрические межсоединения, диэлектрические покрытия и т.д. в таких изделиях выполнены только с применением клеевых материалов. Основным технологическим приемом формирования клеевых элементов в этом случае является трафаретная печать. В последнее время появляются сообщения о разработках гибких функциональных узлов и устройств, реализуемых с применением полимерной (либо полимерно-припойной) технологии, которые представляют собой гибкие монолитные конструкции, включающие не только навесные компоненты типа БИС, микросборки и т.д., но и встроенные средства отображения информации, органы управления, гибкие шлейфы и другие конструктивы.

Характеристики основных методов формирования клеевых точек приведены в табл.1.

Существует множество клеев и их можно классифицировать по различным признакам. В зависимости от химической природы и структуры клеевого слоя клеи различают как термореактивные, тер­мопластичные, каучуковые, металлические клеи и др. По химической природе полимерного связующего (основы) клеи подразделяют на эпоксидные, акриловые, уретановые и др. Иногда клеи классифицирует по их прямому назначению: герметизирующие, звукопоглощающие, демпфирующие, электроизолирующие и др. В зависимости от способ­ности выдерживать механические нагрузки различают конструкционные (силовые) и неконструкционные клеи. Нередко в основу классификации полагают доминирующие физические либо физико-химические свойства клеев, например, оптические, ферромагнитные, электропроводящие, теплопроводящие, высокотиксотропные, теплостойкие, с анизотропной электропроводностью и др. Кроме того, клеи подразделяют в зависимости от физического состояния их исходных компонентов: жидкие, пленочные, пастообразные, нитевидные и др.; в зависимости от температурных условий отверждения либо эксплуатации и т.д.

Таблица 1

Характеристики основных методов формирования клеевых точек

Одновременное нанесение многих клеевых точек (групповая технология). Возможность варьирования размеров клеевых точек. Простота метода при его реализации. Простая очистка трафарета. Метод пригоден только для плоской поверхности. Требуется ремонт (замена) трафарета. Система трафаретной печати вносит загрязнения в материал адгезива и коммутационной платы.

Высокая плотность нанесения клеевых точек. Простота реализации метода. Простота ухода за оснасткой (не нужен ремонт). Возможно одновременное нанесение нескольких клеевых точек, хотя и ограниченное. Легкая очистка оснастки. Возможен контроль качества нанесения адгезива в процессе выполнения операции. Лучшие результаты получены при использовании переноса капли на плоскую поверхность. Большой разброс размеров капли и его зависимость от свойств адгезива. Система вносит загрязнения в материал адгезива и коммутационной платы. Невысокая производительность

Пригодность использования для плоских и рельефных поверхностей. Обеспечивает контроль качества адгезива при его нанесении. Возможно нанесение клеевых капель различных (регулируемых) размеров. Метод позволяет производить достаточно просто смену адгезивов. Одновременная подача капель ограничена. Трудность очистки дозатора. При использовании пневмодозатора возможны включения воздуха в объеме клея. Для удаления пузырьков воздуха рекомендуется вакуумирование клея после его нанесения. Повышенные требования к уходу за оснасткой (требуется ремонт).

При выборе клеевого материала обычно учитывает следующие его характеристики: безвредность в работе, специфические свойства, связанные с функциональным назначением, стабильность свойств от партии к партии, технологичность в применении и длительность хранения, совместимость с другими материалами и процессами изготовления, стоимость.

Используются клеи как одно-, так а многокомпонентные. Однокомпонентные клеи проще в применении. Когда нет жестких ограни­чений температуры и времени отверждения или жестких требований к качеству соединения, применяют однокомпонентные клеи. Основным недостатком этих клеев является ограниченный срок хранения. Свойства однокомпонентного клея изменяются во время хранения.

Двух и более компонентные клеи имеет ряд преимуществ в сравнении с однокомпонентными: невысокую температуру отверждения, короткое время отверждения и достаточную жизнеспособность. Однако они требуют точной дозировки и тщательного перемешивания компонентов перед склеиванием, а также вакуумирования смеси с целью дегазации. Поэтому иногда трудно добиться стабильности некоторых характеристик клеевых соединений от партии к партии. Компоненты до смешивания хранятся в течение длительного времени. Срок хранения смеси зависит главным образом от природы сочетае­мых ингредиентов и может находиться в пределах от 40 с до 8 ч.

Для сборки и монтажа РЭС клеи чаще всего применяют в виде многокомпонентных клеящих композиций, которым придают требуемые свойства в зависимости от вводимых в них компонентов. В состав клеевых композиций входят:

связующее - обычно это термореактивная смола, обладающая клеящими свойствами и обеспечивающая монолитность клея, его адгезионную и когезионную прочность; нередко эту смолу модифи­цируют другими смолами или каучуками, чтобы повысить эластич­ность, термостойкость и другие характеристики;

отвердитель – химически активное вещество, способное взаимодействовать со связующим с образованием пространственной структуры полимера и вводимое строго по расчету, так как в противном случае характеристики клеевого соединения будут неудовлетворительные. Как правило, это различные кислоты, ангидриды кислот, основания и т.д.;

наполнитель - порошкообразное, пылевидное или волокнистое вещество, сохраняющее в клеевой композиции твердое состояние, уменьшает усадку композиции при отверждении, регулирует вязкость и снижает внутренние (усадочные, термические и др.) напряжения в клеевой системе, повышает твердость и теплостойкость клеевого соединения, иногда придает клеящей композиции специфические свой­ства (резистивные, ферромагнитные, светочувствительные и др.). Для каждой клеевой композиции существует оптимальное соотношение между наполнителем и связующим, при котором максимально проявля­ются те или иные свойства. В качестве наполнителей могут исполь­зоваться минеральные и органические вещества (кварц, асбест, стекловолокно и др.);

пластификатор - повышает эластичность отвержденного клея, а также сопротивляемость ударным нагрузкам и циклическим воздей­ствиям температур, снижает начальную вязкость клеевой композиции, что облегчает введение, наполнителя. Обычно пластификаторами яв­ляются высококипящие малолетучие жидкости (дибутилфталат и др.), - низкомолекулярные каучуки или полиэфирные смолы;

растворитель - регулирует вязкость исходного клея, улучшает его смачивающую способность. Выбор растворителя осуществляется из условия, чтобы его испарение проходило не очень быстро и образующаяся на поверхности клея пленка не препятствовала его дальнейшему испарению из объема. Если выделение летучих продук­тов из клеевой композиции недопустимо, то вместо растворителя используют активные разбавители, участвующие в реакции полимеризации без выделения летучих продуктов;

катализаторы - вещества, ускоряющие процесс отверждения;

ингибиторы - вещества, замедляющие химические реакции; их иногда вводят в клеевую композицию для продления срока ее хранения;

стабилизаторы - замедляют процесс старения полимеров под влиянием повышенной температуры, влаги, кислорода, озона и различных излучений.

Кроме того, клеевой состав может включать активаторы, раздражители и другие компоненты. Естественно, что в состав клеящей композиции могут входить не все перечисленные компоненты. В отдельных случаях клеящая композиция может состоять из связующего и отвердителя.

Важно рассмотреть некоторые клеи, используемые при сборке и монтаже РЭС, обладающие специфическими свойствами.

Электропроводящие клеи. Электропроводящие (контактолы) клеи широко используют при изготовлении гибридных ИС для монтажа навесных компонентов: конденсаторов, резисторов, ИС с целью замены паяных и сварных соединений, для приклейки гибридных ИС, полупроводниковых ИС и микросборок к корпусам и на коммутацион­ную плату для обеспечения теплоотвода в процессе их эксплуатации. Кроме того электропроводящий клей используют как вспомогатель­ное средство для экранирования изделий. В некоторых случаях этими клеями соединяют компоненты, которые нельзя паять и обжи­мать. Быстроотверждающиеся проводящие клеи используют при ремон­те печатных плат и особенно при ремонте схем с повышенной плотностью монтажа, в которых при пайке легко повредить термочувст­вительные компоненты.

В состав электропроводящих клеев входит связующее, наполнитель, отвердитель, пластификатор, растворитель и другие компо­ненты. В качестве связующего применяются полимеры и эластомеры, которые придают пленке клея, монолитность и обеспечивают адгези­онную и когезионную прочность. В электропроводные клеи входят различные металлические наполнители: серебро, золото, посере­бренный порошок никеля, а также чешуйки графита и сажи. Все попытки повысить электропроводность клеев путем повышения кон­центрации наполнителя приводят к ухудшению прочностных свойств клеевых соединений. При этом масса становится неоднородной и теряет эластичность. Из металлических наполнителей наиболее часто применяют серебро, реже - золото. Порошки алюминия или ме­ди окисляются и снижают тем самым электропроводность клея.

Свойства проводящих клеев зависят от типа проводящего напол­нителя и его концентрации. Удельное сопротивление зависит главным образом от температуры и времени отверждения. Более длитель­ное время отверждения соответствует более низким значениям удельного сопротивления при оптимальной концентрации наполните­ля. Предел прочности при сдвиге должен быть достаточно велик для обеспечения высокой надежности аппаратуры. Иногда более важ­ной характеристикой является предел прочности при сдвиге, измеренный при повышенных температурах. Диапазон технологических температур имеет особое значение при использовании клеев в тех­нологии сборки и монтажа БИС. Неспособность клея выдерживать высокие температуры приводят либо к нестабильности электричес­ких параметров схем, либо к полному отказу схем. Так как склеи­ваемые материалы зачастую подвергаются при отверждении клея и последующих термообработках тепловому воздействию в широком диа­пазоне температур, необходимо согласование температурного коэф­фициента линейного- расширения (ТКЛР) клея и, например, подложек. В противном случае циклические тепловые нагрузки могут привести к повреждениям схемы. Основные свойства электропроводящих клеев, используемых в РЭС, приведены в табл.2, поз, 1,2.

Тепло проводящие клеи. Дальнейшая микроминиатюризация аппаратуры требует решения вопросов, связанных с отводом тепла из рабочей зоны прибора. Одним из способов отвода тепла от активных элементов является использование клеев, обладающих повышенной теплопроводностью. Применение теплопроводящих клеевых композиций позволяет значительно уменьшить перегрев активных областей компонентов (примерно на 25 %), повысить надежность изделий и увеличить ресурс их работы при сохранении рабочего диапазона температур прибора. Известно, что теплопроводность клеев можно повысить введением в связующее металлических порошков, но при этом наблюдается значительное увеличение диэлектрической прони­цаемости и возникновение паразитных емкостных связей. Например, введение 30%-ного алюминиевого порошка увеличивает коэффициент теплопроводности в 2,5 раза, а диэлектрическую проницаемость в 65 раз. При изготовлении теплопроводящих клеевых композиций широкое применение находят неорганические наполнители с высокой теплопроводностью. Значения коэффициентов удельной теплопроводности (Вт/(м∙К)) для них следующие:

Al₂O₃ (сапфир) 30

Al₂O₃ (рубин) 45

BeO 230

MgO 36

Si 160

SiC 45

BN (α - модификация) 30

Cu 390

Ag 400

Окись бериллия как материал с высокой теплопроводностью в качестве наполнителя используется редко из-за высокой токсич­ности. Гораздо чаще применяют нитрид бора, например α - форму, имеющую гексагональную структуру. Однако порошкообразный нитрид бора имеет ряд недостатков. При введении его в клеевую компози­цию в количестве 35 % от ее основной массы, клей становится нетехнологичным и когезионно-непрочным. В качестве связующего ма­териала для теплопроводных клеев используют различные эпоксидные смолы, кремнийорганические каучуки и т.д., которые на теплопро­водность клея заметного влияния не оказывают. Свойства некоторых теплопроводящих клеев представлены в табл.2, поз. 3-8.

Оптические клеи. Для сборки и герметизации оптоэлектронных приборов и элементов волоконно-оптических линий связи применяются оптические клеи, обеспечивающие направленную передачу светового потока и целостность конструкции при эксплуатации изделий в различных климатических условиях. Оптические клеи долж­ны обладать хорошими электроизолирующими и влагозащитными свойствами, иметь высокий коэффициент светопропускания, а также удобную для применения консистенцию, быстро и без давления отверждаться. Показатель преломления оптических клеев должен со­гласовываться с показателем преломления склеиваемых материалов. Свойства некоторых оптических клеев приведены в табл.2, поз. 9,10.

Клеи ОПН-1 и ОПН-2 применяются для сборки индикаторов, фото­диодов, для приклеивания светодиодов к светоизлучателям и фотоприемникам. Клеи серии ОП-81 применяются для сборки элементов во­локонно-оптических линий.

Криогенные клеи. Создание устройств для работы при низких температурах предполагает разработку криогенных материалов, в том числе клеевых композиций. Применение клеев при низких температурах очень специфично, поскольку не существует полимеров, сохраняющих в криогенной области температур свои исходные свойства. Модуль упругости клея при низких температурах резко возрастает, компенсация деформации становится невозможной и легко возникает растрескивание клея. Поэтому материал клея в этом случае должен выбираться таким, чтобы его физико-механические характеристики позволяли выдерживать такие деформации. На практике применяют криогенные клеи на основе эпоксидных смол, которым присущи требуемые физико-механические свойства при криогенных температурах (минимальная усадка при отверждении, высокая адгезия к склеиваемым материалам, высокая когезионная прочность, возможность отверждаться при нормальной и повышенной температурах). Свойства некоторых криогенных клеев даны в табл. 2, поз. 11, 12.

Таблица 2

Сведения о клеях, используемых при изготовлении РЭС

Марка клея	Диапазон рабочих температур, 0С	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)	Удельное объемное сопротивление, Ом∙см	Режим отверждения, 0С/ч	Срок хранения, месяц	Дополнительные данные
1. ЭЧЭ-С	-60 ÷ +150	4 - 6	(3-4)х10-3	60/5 80/3 – 4 120/1,5	6	Наполнитель – серебро: состав двухкомпонентный; предел прочности на сдвиг 6 – 10 МПа; используется при сборке полупроводниковых приборов без воздействия высоких температур; жизнеспособность – 4 ч.
2. ЭВТ	-60 ÷ +200 (400/30мин* 450/15 мин)	4,0	(2-8)х10-4	230-250/3	3	Состав однокомпонентный; предел прочности на сдвиг 4-6,2 МПа; жизнеспособность 10-20 ч. Приклеивание дросселей и других ферромагнитных элементов; в изготовлении микрополосковых плат
3. ЭЧВТ	-60 ÷ +200 (400/30 мин 450/15 мин)	0,8 - 1,0	-	150 – 180/3 (с ускорит. 230 – 250/3)	3	Состав однокомпонентный, но может включать ускоритель, что снижает температуру отверждения; предел прочности на сдвиг 4 – 6 МПа; жизнеспособность 10 - 12 ч.

* В скобках приводятся нетипичные (кратковременные), однако используемые иногда режимы работы РЭС, включающие клеевые соединения (температура, ⁰С/время функционирования, мин) при такой температуре.

Продолжение

Марка клея	Диапазон рабочих температур, 0С	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)	Удельное объемное сопротивление, Ом∙см	Режим отверждения, 0С/ч	Срок хранения, месяц	Дополнительные данные
4. ВК-9	-60 ÷ +125	0,4 – 0,6	5,6х1013	30/24 60/до 3 80 - 100/1,5	12	Состав четырехкомпонентный. Наполнитель BN, SiO2 и др., диэлектрическая постоянная на частоте 106 Гц – 4,6; электрическая прочность 22 кВ/мм; приклеивание ферритовых, металлических и других деталей; крепление компонентов, ИС, микросборок, дискретных транзисторов бескорпусных и корпусированных и т.д., в том числе на платы, покрытые лаками; жизнеспособность 2 ч.
5.Эла-стосил 137-182	-60 ÷ +200	1,8 – 2,0	1х103	25/24 - 36	6	Состав однокомпонентный, используется для монтажа компонентов РЭС; жизнеспособность 3 ч.
6. ТКЛ-2	-60 ÷ +125	1,6	1х1012	80/6-7 60/20	12	Наполнитель: BN, Al, SiC, используется для монтажа теплонагруженных компонентов, например, приклеивание датчиков температуры в термостатах; жизнеспособность 4 ч.

Продолжение

Марка клея	Диапазон рабочих температур, 0С	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)	Удельное объемное сопротивление, Ом∙см	Режим отверждения, 0С/ч	Срок хранения, месяц	Дополнительные данные
7. КЖТ-8	-60 ÷ +125	0,7	1 х1014	80/20	12	Состав двухкомпонентный, используется для монтажа кристаллов; жизнеспособность 4 ч
8.ЭТА-4	-60 ÷ +150	1,43	4х1013	60/4-5 80/до 1	12	Используется для крепления компонентов, в том числе к поверхностям плат, покрытым влагозащитным лаком УР-231 и др.; жизнеспособность 6 ч.
9. ОПН-1	-60 ÷ +125	-	6х1014	80/20 20/48	4-6	Для склеивания оптических деталей. При длине волны света λ=0,4-0,8 мкм, пропускание света составляет 98%; показатель преломления 1,55-1,58; тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц составляет 2∙10-2, а диэлектрическая постоянная 3,8; жизнеспособность 4,5 ч

Продолжение

10. ОП-81-1	-60 ÷ +125	-	1 х1014	120/20	6	Для склеивания оптических деталей. При λ=0,5-10 мкм, пропускание света 95%, тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц составляет (1,3-2,0)∙10-2 , а диэлектрическая постоянная 3,5-4,0. Показатель преломления при λ=0,59 мкм составляет 1,58-1,6. Предел прочности при сдвиге 11 МПа. Жизнеспособность 15 ч.
11. К-8/8	-196 ÷ +150	0,8-1,5	-	20 и более	Примерно 6	Для монтажа приборов, работающих в условиях пониженных температуры. Предел прочности при сдвиге составляет 14,3-15,9 МПа.
12. К-1	-196 ÷ +150	0,5-2,0	-	20 и более	Примерно 6	Предел прочности при сдвиге составляет 5,7-6,7 МПа. Для монтажа приборов, работающих в условиях пониженных температур, но при меньших силовых нагрузках, чем №11.