книги из ГПНТБ / Галушко, А. И. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры

Тем не менее при прочих равных условиях целесо­ образно применить более спокойный режим отвержде­ ния с плавным изменением температуры, так как при этом отжигаются «закалочные» напряжения, которые являются дополнительной причиной растрескивания компаундов.

3.6. Применение в компаундах низкомолекулярных полимеров для снижения внутренних напряжений

Известно, что температура стеклования полимеров понижается с понижением молекулярного веса исход­ ного продукта [24]. Этот эффект проявляется при малых значениях молекулярного веса. Тс перестает зависеть от молекулярного веса, как только начинает проявлять­ ся гибкость молекулы, т. е. подвижность цепной моле­ кулы перестает зависеть от ее длины, когда она стано­ вится значительно больше длины сегмента.

Для оценки влияния молекулярного веса исходного продукта на величину контактного давления исследова­ но контактное давление эластомеров на основе каучука

лярного веса каучука действительно приводит к сущест­ венному снижению величины контактного давления и уменьшению углового коэффициента зависимости кон­ тактного давления от температуры кц. Одновременно происходит понижение температуры стеклования (табл. 3.9). Характерно, что изменение Тс и контактно­ го давления в значительно большей степени проявляется при переходе от молекулярного веса 15 000 к 30 000, чем при переходе от 30 000 к 60 000. Дальнейшее увеличение

70

ретическими положениями [24].

Обращает на себя внимание тот факт,-что компаунд СК.ТН-1 при всех значениях молекулярного веса каучу­ ка имеет чрезвычайно большой по сравнению с други­ ми компаундами угловой коэффициент контактного

Рис. 3.20. Температурная зависимость контактного давления ком­ паунда СК.ТН-1 на основе каучука СКТН с молекулярным весом:

давления. Резкий рост контактного давления при пони­ жении температуры обусловлен большим ТКЛР компа­ унда СК.ТН-1 в стеклообразном состоянии. Он в три раза больше ТКЛР эпоксидных компаундов без напол"- нителя и в два с лишним раза больше ТКЛР компаун­ да КТ-102. В результате уже при температуре 173 К контактное давление компаундов СКТН-1 и КТ-102 ста­ новится одинаковым и при дальнейшем понижении тем­ пературы компаунд СКТН-1 теряет свое преимущество.

В ходе испытаний обнаружен аномальный ход кри­ вой температурной зависимости контактного давления в области температуры стеклования. Аномалия заклю­ чается в изменении знака деформации и контактного давления, которое особенно четко выражено у компа­ унда на основе каучука с молекулярным весом 15 000 (рис. 3.20). Возможно, это связано с процессами кри­ сталлизации компаунда.

71

Таким образом, применение низкомолекулярных про­ дуктов можно рассматривать как один из способов сни­ жения внутренних напряжений.

В конструкциях с литой полимерной изоляцией для снижения внутренних напряжений применяются жесткие и эластичные демпферы.

Жесткие упругие демпферы изготавливают из поли­ мерных пленок, гофрированной бумаги, металлической фольги и других материалов. В конструкции демпферы размещаются таким образом, чтобы они создавали вокруг герметизированных деталей небольшие пустоты и полости, не заполняемые компаундом при герметиза­ ции детали. Пустоты п полости принимают на себя усадочные деформации и таким образом в значительной ■степени разгружают деталь от контактного давления.

Способы применения и конструкции упругих жест­ ких демпферов весьма разнообразны и дать обобщен­ ную оценку их эффективности затруднительно.

Эластичные демпферы изготавливают из резины, эластичных компаундов или пенопластов. Обычно они плотно прилегают к герметизированной детали. Это достигается технологическими приемами — окунанием, обволакиванием, нанесением демпфирующего слоя ме­ тодом вихревого напыления и т. п. Эффект снижения контактного давления достигается за счет того, что эластичный слой легко деформируется и предохраняет таким образом от деформаций герметизированную де­ таль.

Об эффективности эластичных демпферов известно, например, что слой силиконовой смазки толщиной 0,025, 0,062 и 0,087 мм снижает контактное давление на деталь на 30, 70 и 85% соответственно {47]. По данным автора [31], демпфирующая оболочка из компаунда GKTH-1 толщиной 0,5 мм позволяетпонизить эксплуатационную температуру ферритового сердечника, герметизированно­ го жестким компаундом, приблизительно на 80 К (см.

рис. 1.11).

Для защиты пермаллоевых сердечников от воздей­ ствия внутренних напряжений и давления обмоточного провода применяется их герметизация в жестких немаг­

72

нитных контейнерах. Сердечник помещается в тонко­ стенный контейнер и зазор между ним и стенками кон­ тейнера заполняется демпфирующим составом—эла­ стичным компаундом или смазкой типа ЦИАТИМ-201 и т. п. При конструировании контейнеров величину зазора между сердечником и стенками контейнера стре­ мятся сделать минимальной. Для нормальной работы контейнера толщина его стенок должна быть достаточ­ ной, чтобы выдержать без заметной деформации нагруз­ ки от натяжения проводов и контактного давления пропиточного компаунда, т. е. деформация стенок долж­ на быть меньше величины зазора. В этом случае можно считать, что контейнер полностью воспринимает на себя внешние нагрузки.

При некоторых условиях контейнеры не дают ожи­ даемого эффекта, не обеспечивают стабильной работы сердечников. Причиной неудовлетворительной работы может быть гидростатическое давление демпфирующего заливочного состава при температурах выше темпера­ туры заливки. Дело в том, что, герметизирующие кремнийорганические материалы и вообще эластичные ком'-* паунды имеют довольно большой ТКЛР — до 200-10~61/К и выше. При нагревании они интенсивно расширяются, достигая первоначального объема при температуре за­ ливки.

При дальнейшем повышении температуры их объем становится больше первоначального, что приводит к по­ вышению давления в контейнере. Этого давления ока­ зывается достаточно для изменения параметров сердеч­ ников из магнитно-мягких материалов. При прочих равных условиях эффект изменения параметров сердеч­ ников вследствие гидростатического давления в большей степени проявляется в случае вакуумной заливки герме­ тизирующего состава с полным удалением пузырьков воздуха, играющих роль компенсаторов расширения. ■

В качестве меры борьбы с внутренними напряже­ ниями можно рассматривать и рациональный подход к выбору размеров узлов РЭА, подлежащих заливке компаундом в монолитный блок. Как отмечалось выше, внутренние напряжения и дополнительные деформации, обусловленные разностью ТКЛР материала монтажной платы и компаунда, увеличиваются с увеличением гео­

платы. Следовательно, для снижения внутренних на­ пряжений целесообразно выбирать для монтажных плат материал с ТКЛР, близким к ТКЛР компаунда. Раз­ меры отливки должны быть уменьшены в том случае, если другие методы борьбы с внутренними напряжения­ ми не эффективны либо неприменимы.

И, наконец, следует помнить, что дополнительные деформации и напряжения имеют минимальную величи­ ну в геометрическом центре отливки. Поэтому при раз­ работке монтажной схемы нужно располагать наиболее чувствительные к давлениям элементы ближе к центру отливки.

Влияние на величину внутренних напряжении кон­ структивных факторов, таких, как толщина отливки и геометрические размеры элементов РЭА, рассмотрено в гл. 1 и не требует дополнительных объяснений.

Контейнеры и демпферы любого типа усложняют конструкцию и технологию и в некоторых случаях ухудшают электроизоляционные характеристики, влаго­ стойкость II другие существенные показатели. Поэтому применение их оправдано лишь в тех случаях, когда установлено, что для данного изделия не существуют или неприменимы другие методы снижения внутренних напряжений.

3.8.Релаксация внутренних напряжении в увлажненных

компаундах

Исследования внутренних напряжений, выполненные в работах [48, 49], показали, что роль релаксационных

74

Однако под воздействием влаги окружающей среды внутренние напряжения релаксируют быстрее и устано­ вившееся значение напряжения составляет всего лишь 50% от исходного значения (рис. 3.21). Объясняется это тем, что влага играет роль полярного пластификатора. Эффект релаксации напряжения зависит от констант влагопроницаемости и проявляется тем сильнее, чем тоньше слой компаунда и длительнее увлажнение.

4.Растрескивание компаундов

4.1.Причины растрескивания компаундов

вконструкциях РЭА

Растрескивание компаундов в конструкциях РЭА можно объяснить следующими причинами: 1) воздейст­ вием внешних статических и динамических 'нагрузок на

3) воздействием температурных напряжений при тер­ моударах.

Первая из названных причин кажется очевидной. Поверочный расчет компаундов на воздействие внешних нагрузок может быть выполнен по известным соотноше­ ниям из теории сопротивления материалов и в данной книге не рассматривается.

Способность компаунда выдерживать внутренние напряжения и не растрескиваться в течение заданного срока службы и хранения назовем стойкостью компаун­ дов к растрескиванию. В настоящее время нет обще­ принятой методики оценки стойкости к растрескиванию, справочники не содержат сведений на этот счет. Ясно, что трещина в компаунде может появиться не раньше, чем внутренние напряжения превысят предел прочности компаунда (при условии, что другие причины растрески­ вания исключаются). Таким образом, одним из крите­ риев оценки стойкости компаундов к растрескиванию может быть отношение собственной прочности к вели­ чине внутренних напряжений. Подробнее этот критерий рассмотрен в гл. 5.

Третья из возможных причин растрескивания ком­ паундов связана с изменением свойств, происходящим

в компаунде, й возникновением темйературных напря­ жений при циклическом изменении температуры в про­ цессе испытаний или эксплуатации изделия. Свойство компаунда выдерживать воздействие резких смен тем­ пературы без растрескивания назовем стойкостью к тер­ моударам (СТУ). Следующий параграф посвящен рас­ смотрению методики определения СТУ и взаимосвязи СТУ с физико-механическими характеристиками ком­ паундов.

4.2.Стойкость компаундов к тепловым ударам

Температурные напряжения возникают при внезап­ ном охлаждении пли нагреве компаунда. Например, при охлаждении более теплые внутренние участки пре­ пятствуют свободному сокращению объема наружных слоев компаунда. В результате в поверхностном сло'е возникают напряжения растяжения.

При нагревании более холодные внутренние участки удерживают нагретые наружные слои, препятствуют их свободному расширению. В результате в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. Как правило, ком­ паунды- в стеклообразном состоянии лучше выдерживают нагрузки на сжатие и значительно хуже выдерживают растягивающие нагрузки. Не удивительно поэтому, что при прочих равных условиях резкое охлаждение явля­ ется более жестким испытанием по сравнению с резким нагревом компаунда.

Для оценки СТУ неорганических стекол предложен

где а — предел прочности на разрыв; а — температурный коэффициент линейного расширения; Е — модуль упру­

показывает, что для повышения СТУ целесообразно повышать механическую прочность и теплопроводность компаунда. Одновременно необходимо снижать ТКЛР, модуль упругости, удельную теплоемкость и плотность компаунда. Эти условия могут быть приняты за основу

,76

при разработке новых компаундов. Например, введе­ нием наполнителя можно достичь повышения а п Я и уменьшения а. Однако при этом возможны и нежела­ тельные изменения свойств: увеличение Е п р. Оконча­ тельный результат модификации предсказать заранее довольно трудно. Оценивая характер изменения свойств, входящих в критерий (4.1), в зависимости от содержа­ ния наполнителя, можно отметить, что при увеличении содержания наполнителя в компаунде его прочность изменяется по некоей колоколообразной кривой, т. е. однозначно не определяется. Температурный коэффи­ циент линейного расширения уменьшается, а модуль упругости и теплопроводность увеличиваются. Анализ свойств эпоксидных компаундов показывает, что некото­ рые компаунды с наполнителями имеют сходные по ве­ личине физико-механические и прочностные свойства. В таком случае критерием оценки компаунда для изде­ лия, подверженного термоударам, может быть величина теплопроводности. При прочих равных условиях ком­ паунды с более высокой теплопроводностью лучше про­ тивостоят тепловым ударам.

Компаунды с повышенной теплопроводностью пред­ почтительны также с точки зрения улучшения теплоот­ вода. В некоторых изделиях эта проблема стоит более остро, чем проблема растрескивания. Целесообразно подробнее остановиться на вопросах, связанных с опре­ делением теплопроводности компаундов и способами повышения их теплопроводности.

4.2.1. Способы повышения теплопроводности компаундов

Наиболее распространенным и технически доступным способом повышения теплопроводности компаундов является введение тепло­ проводных наполнителей неорганического происхождения. К их чис­ лу относятся минеральные наполнители, порошки металлов и окислов металлов. Для расчета теплопроводности компаундов с наполнителем Як предложена эмпирическая формула [37]:

Як—Яс ехр а-ѵ,

где Яс — теплопроводность компаунда без наполнителя; а — коэффи­ циент, зависящий от свойства наполнителя; ѵ — объемная доля на­ полнителя в компаунде.

Ясно, что теплопроводность компаунда не может быть больше теплопроводности наполнителя. Оценивая достоинства различных на­ полнителей, можно отметить, что о точки зрения повышения тепло­ проводности наиболее эффективны порошки металлов. Однако они значительно ухудшают электроизоляционные свойства компаундов и могут применяться в ограниченных количествах.

77

Компаунды с порошкам« окйслов металлов, в частности редко­ земельных, имеют более высокие элекроизоляционные свойства, чем компаунды с порошками металлов. Предельно допустимое количе­ ство окисного наполнителя ограничивается увеличением вязкости ком­ паунда и практически составляет не более 30% от веса смолы. На­ пример, введение 30% окиси гадолиния в эпоксидный компаунд по­ вышает его теплопроводность на 80%, в то время как его диэлектри­ ческая проницаемость увеличивается на 40% [38].

Из числа минеральных наполнителей чаще всего используется

проводность эпоксидных компаундов без наполнителя составляет 0,18—Ъ,25 Вт/м • К. Кварц может быть введен в компаунд в количе­ ствах до 200 в. ч. на 100 в. ч. Теплопроводность такого компаунда составляет до 0,5—0,6 Вт/м • К, т. е. увеличивается приблизительно в два раза. Фактически с любыми видами наполнителей теплопро­

ских свойств на приемлемом уровне. Зная теплопроводность ком­ паунда, можно сделать предположительные выводы о его стойкости к термоударам, однако формул для инженерного расчета пока не су­ ществует.

Поэтому на сегодняшний день практически единственным спосо­ бом определения этой важной эксплуатационной характеристики ком­ паундов является эксперимент. Для определения теплопроводности можно воспользоваться прибором типа А-26.

4.2.2. Методы определения стойкости компаундов к тепловым ударам

Разработчики и потребители компаундов не имеют четких кри­ териев оценки свойств компаундов, способных удовлетворять требо­ ваниям высокой стойкости к термоударам, и поэтому вынуждены под­ бирать нужные компаунды экспериментальным путем, зачастую на готовых изделиях.

При разработке и применении компаундов наиболее часто встают следующие задачи: 1) выбрать методику сравнительной оценки СТУ ряда компаундов; 2) экспериментально оценить СТУ компаундов; 3) оценить влияние отдельных компонентов компаундов и некоторых технологических факторов на величину СТУ. Ход решения этих задач можно рассмотреть на примере задачи о выборе рецептуры эпоксид­ ного компаунда с аминным отвердителем, пригодного для герметиза­ ции магнитопроводов магнитных усилителей и обладающего наивыс­ шей СТУ.

Анализ справочных данных показывает, что компаунды этого ти­ па, как правило, состоят из эпоксидной смолы пластификатора и отвердителя. Кроме того, в компаунд может быть добавлен напол­ нитель. Чаще всего употребляются такие компоненты: а) эпоксидные смолы марок ЭД-5 и ЭД-6; б) пластификаторы марок трикрезилфосфат (ТК.Ф), низкомолекулярная алифатическая смола ДЭГ-1, поли­

78

как определился перечень компонентов, которые могут быть примене­ ны для составления нужного компаунда, необходимо спланировать эксперимент, экономичный по количеству последовательных компаун­ дов. Сложность экспериментальной части заключается в том, что при традиционной методике эксперимента для нахождения наиболее стой­ кой к термоударам композиции пришлось бы сравнить 2Х4Х4Х2 = = 64 рецептуры. Очевидно, такая работа была бы слишком длитель­ ной и трудоемкой.

Решение задачи можно значительно облегчить, если применить современные методы планирования эксперимента. Процесс поиска лучшей композиции оптимизирован с применением комбинаторных идей планирования эксперимента [39]. План эксперимента получен путем совмещения греко-латинского квадрата 4X4 с четырьмя орто­

экспериментальные точки в области изучаемых рецептур распределе­ ны равномерно, т. е. все компоненты компаундов встречаются оди­ наково часто. Такое планирование можно считать оптимальным, по­ скольку априори не ясно, каким рецептурам отдать предпочтение. Кроме того, план дает возможность оценить, как в среднем влияет на СТУ каждый из компонентов компаунда. В каждый компаулд вводилось расчетное количество отвердителя. Пластификаторы вво­ дились из расчета 20 в. ч. на 100 в. ч. смолы. В компаунды с напол­ нителем вводился пылевидный кварцевый песок в количестве 100 в. ч. на 100 в. ч. смолы.

Для определения СТУ приняты два вида моделей: с шестигран­ ником (рис. 4.1) и со стержнями (рис. 4.2) По три модели каждого вида подвергались циклическому воздействию температур по про­ грамме: 223—338 К с выдержкой 3,6 J 103 с при каждой температуре. Визуальный контроль наличия повреждений производился после 1,

79