книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

влаги Е во внутренних слоях образца сначала увеличи­ вается, а затем по -мере накопления влаги в этих слоях уменьшается, приближаясь к значению Еср; амплитуда

ЕСр, а затем при увлажнении слоя также резко умень­ шается, совпадая по величине с напряженностью поля во внешних слоях.

Начало участка 2 рис. 5-26 соответствует началу про­

го СКр, и выражение (5-30) выливается в (5-29).

Если -в качестве критерия проникновения влаги рас­ сматривать изменение р, то граница участков 1 а 2 бу­ дет соответствовать времени задержки проникновения влаги.

В пределах времени участка 2 происходят практиче­ ски полное увлажнение образца и выравнивание кон­ центрации влаги, электропроводности и напряженности поля по толщине образца.

Участок 3 соответствует равновесному влагопоглощению образца, когда Q равно Q<x>, сопротивление дости­ гает значения, характерного для полностью увлажнен­ ного образца. Напряженность поля по толщине образ­ ца становится постоянной и в соответствии с формулами

(5-33) и (5-34) равной Ecv.

Установление типовой зависимости свойств материа­ лов при увлажнении позволяет оценить и достоверность получаемых экспериментальных данных, поскольку от­ клонение от этой зависимости может свидетельствовать, например, о несовершенстве выбранной методики испы­ таний или грубых структурных несовершенствах об­ разца.

Метод локального увлажнения диэлектриков. Рассмотренные за­ висимости подтверждаются экспериментально при использовании ме­ тода локального увлажнения материалов. Как отмечалось, при испы­ тании по такому методу производится увлажнение не всей поверх­ ности образца, а лишь ее части, что позволяет исключить паразитные шунтирующие утечки по поверхности па весь период увлажнения.

170

Влагостойкость материалов определяется с помощью приспособле­ ния, схематически изображенного на рис. 5-33.

Испытуемый полимер наносится на латунную пластинку диаме­ тром 5- 10-2 м. К поверхности покрытия парафином или компаундом герметично крепится стеклянная или металлическая трубка диаме­ тром 2,5-10-2 м. Свободным концом трубка опускается в ванночку с водой и закрепленным в ней электродным приспособлением. Во внутреннем объеме трубочки создается влажная среда, действию которой подвергается часть поверхности образца, ограниченная раз­ мерами трубочки. При желании размер испытуемого образца и диа­ метр трубки могут быть изменены.

Увлажнение образца осуществляется в условиях отсутствия кон­ тактирования электрода с его поверхностью (рис. 5-33,а). Для про­ ведения замеров (рис. 5-33,6) стопорные винты освобождают трубку, образец опускается на поверхность электрода, причем улучшение

Рис. 5-33. Ячейка для определения изменения р ма­ териалов методом локального увлажнения.

контакта нижнего электрода е поверхностью покрытия осуществляет­ ся с помощью располагаемого на поверхности металлической пластины груза. Для этой же цели в испытаниях используются элек­ троды в резинофольговом исполнении. Замер электрических параме­ тров образцов производится без их выема из устройства, т. е. без нарушения режима увлажнения.

Для испытания свободных образцов материалов при двусторон­

а часть поверхности образцов, ограниченная контуром трубки соот­ ветственно диаметром 2,5- 10~2 и 5- 10-2 м.

Камера оборудована отверстиями для наполнения водой и ее слива, а также смотровым отверстием со стеклом для контроля уров­ ня воды; в рабочем режиме отверстие закрывается пробками.

171

Камера состоит из отдельных ячеек, образуемых перегородками (водяными замками). Наличие перегородок позволяет вынимать и ставить образцы на увлажнение в какую-либо из ячеек без наруше­ ния режима увлажнения в других ячейках.

При постановке образцов на увлажнение они плотно зажимают­ ся с помощью резиновых уплотнений и специального зажимного

Л

Рис. 5-34. Многоместная камера для определения измене­ ния р материалов методом двустороннего локального увлаж­ нения.

устройства. Измерение сопротивления производится сразу после вы­ емки образца из камеры.

Как видно, рассмотренные устройства позволяют реализовать одну общую методическую особенность, а именно осуществлять увлажнение вне термовлагокамеры, содержащей увлажняемые про­ ходные изоляторы, и не всей поверхности образцов, а части ее с исключением поверхностных утечек по образцу и измерительным проводам. Увлажнение при повышенных температурах можно осу­ ществить путем выдержки образцов в термостатах. Для поддержа­ ния заданных строгих условий увлажнения следует лишь соблюдать температурный режим в процессе испытаний.

На рис. 5-35 приведены результаты испытаний раз­ личных материалов, нанесенных на латунные подложки (при одностороннем увлажнении), и в виде свободных образцов (компаунд ЭК-16«Б», двустороннее увлажне­ ние). На приведенных зависимостях отчетливо видны три характерных участка, соответствующих разным пе­ риодам увлажнения. Начальной стадии соответствует наличие по толщине образцов увлажненных и неувлажненных слоев (участок /), затем концентрация влаги начинает увеличиваться в средней части образцов (уча-

172

сток 2) до установления равновесного влагопоглощения (участок 3).

Установление и объяснение характера изменения проводимости в процессе увлажнения позволяет анало­ гичным образом оценить изменение и других парамет­

оболочке с учетом всех стадий ее увлажнения, на­ чиная с адсорбции влаги на поверхности защиты. Такое предположение основано на ряде имеющихся экспери­ ментальных данных по влиянию влаги на параметры за­

173

с процессами диффузии вла­ ги в материале. Поэтому любое отклонение эксперимен­ тальной зависимости от типовой с описанными характер­ ными участками (например, часто встречающиеся зави­ симости, не содержащие участка 1) может свидетельст­ вовать о какой-либо методической ошибке или наличии грубых дефектов в образцах.

5-4. Определение времени эффективной влагозащиты герметизированных изделий

Необходимый уровень влагозащиты радиоэлек­ тронных изделий может быть достигнут в результате использования полимерных материалов, обладающих низкими коэффициентами влагопоглощаемости и диф­ фузии, оптимальных конструкций защиты (необходимой толщины герметизирующего слоя, использование в от­ дельных узлах конструкции влагонепроницаемых — ме­ таллических, керамических или стеклянных материа­ лов) и технологии их изготовления (степень отвержде­ ния материалов, адгезия к поверхности изделий и т. д.).

Время влагозащиты можно определять расчетным или экспериментальным путем, что обычно и делается на практике. Чаще всего с помощью расчетов на осно-

174

вашш требовании по влагозащите получают данные для выбора герметизирующих материалов и конструкции, а при последующей экспериментальной проверке, заклю­ чающейся в испытании герметизированных изделий во влажной среде, проверяется правильность расчетов.

Расчетное время влагозащиты. Для оценки времени эффективной влагозащиты какой-либо защитной конст­ рукции необходимо знать влажностные параметры использованных полимерных материалов, геометриче­ ские размеры конструкции п критическую влажность окружающей среды, действие которой приводит к отка­ зам герметизированных изделий. Расчет можно произво­ дить по одной из двух формул, каждая из которых от­ ражает свои специфические особенности действия на герметизированные изделия влаги, проникающей через защитную оболочку.

1) Выход из строя изделий в результате накопления влаги в объеме, ограниченном герметизирующей обо­ лочкой.

Такие конструкции отражают случаи, когда принцип защиты основан на мембранном разделении герметизи­ рующими материалами двух объемов с различными влажностями.

Влага из объема с высокой влажностью через мем­ брану проникает в объем с низкой влажностью и рас­ творяется в нем. Примеры таких конструкций приведены иа рис. 5-37.

В соответствии с рис. 5-37,а объемом с низкой отно­ сительной влажностью может быть герметизируемое изделие с сорбирующим влагу рабочим элементом изде­ лия.

В этом случае герметизирующая оболочка непо­ средственно контактирует с поверхностью изделия. Про­ никающая через герметизирующую оболочку влага адсорбируется на поверхности, а затем растворяется в рабочем элементе изделия и при достижении крити­

влага, проникающая внутрь корпуса, растворяется ввоздухе, а затем после адсорбции на поверхности не сор­ бирующего влагу изделия (рис. 5-37,6) или после адсор­ бции н последующей диффузии в рабочий элемент изде-

175

лмя, сорбирующего влагу (рис. 5-37,в), через некоторое время выводит изделия из строя.

Оценку эффективности влагозащиты подобных кон­ струкций можно произвести, рассматривая процесс про­ никновения влаги из среды с давлением паров воды р0, Па, через оболочку площадью S, м2, и постепенного ее накопления внутри оболочки до наступления критиче­ ской концентрации р„р, Па. Для расчета времени влаго­ защиты Т з а щ , помимо геометрических размеров корпуса, необходимо знать коэффициент влагопроницаемости оболочки Р, с, коэффициент растворимости влаги /г, с2/м2, и внутренний объем корпуса V, м3, а для материа­ ла с заметной сорбцией при толщине оболочки I, м, бо­ лее 0,001 и коэффициент диффузии D, м2/с:

(5-40)

Наиболее просто расчет по формуле (5-40) можно произвести для конструкций, в которых защитная обо­ лочка примыкает непосредственно к поверхности изде­ лия, т. е. аналогичных изображенным на рис. 5-37,а. Для расчета используются коэффициент растворимости влаги h рабочего элемента изделия, его объем V и кри­ тическое давление паров воды, действие которых приво­ дит к отказу.

В первом приближении аналогичным образом можно проводить расчеты для конструкций со свободным внут­ ренним объемом. При герметизации не сорбирующих влагу изделий следует определять время повышения давления паров воды внутри корпуса до критического значения, а для сорбирующих влагу изделий дополни­ тельно и время ее сорбции в рабочий элемент до крити­ ческого влагосодержания.

При заданных температуре и влажности воздух обладает определенным влагосодержанием и линейной зависимостью между количеством находящейся в воз­ духе влаги и еепарциальным давлением. Поэтому мож­ но ввести понятие о коэффициенте растворимости влаги в воздухе /гв, который является постоянным при различ­ ных значениях относительной влажности воздуха (слу­ чай сорбции, подчиняющейся закону Генри). Коэффи­ циент hB можно определить, используя закон Менделе­ ева — Клапейрона и зная молекулярную массу воды ц (около 18), газовую постоянную R и абсолютную тем-

176

пературу Т:

(5-41)

(5-42)

(5-43)

При температуре 20 °С коэффициент 1гв равен

с м 3-м м р т . ст .

Исходные данные для расчета т различных корпусов со свободным внутренним объемом и расчетные значе­ ния времени, в течение которого при температуре 20°С

Р и с . 5 -37 . С х е м а д и ф ф у з и и в л аги в р а зл и ч н ы е з а щ и т н ы е кон-

стр укц и и .

а— монолитная защ итная конструкция с герметизируемыми изделиями, сор­

тирующими влагу; 6, в — защитные конструкции со свободным воздушным

внутри корпусов давление паров воды повысится от Одо 0,95 ро, приведены в табл. 5-7. На рис. 5-38 приведены зависимости x = f(pvp) для этих же корпусов (кривые /, 2, 3).

В случае, если начальное состояние корпуса харак­ теризуется наличием в его внутреннем объеме влаги, создающей давление рп, время влагозащиты при неиз­ менной критической влажности уменьшается и опреде­ ляется из выражения

Расчет времени влагозащпты для случая увлажнения при других температурах производится аналогичным образом с использованием диффузионных констант, определенных экспериментально при соответствующих

сут ки ч г

Рис. 5-38. Зависимость расчетного времени влагозащиты от количества влаги внутри корпусов

(20 °С).

температурах. Коэффициент hB при этом изменяется не­ значительно. При температуре 40 °С, например, он равен 6,9-10~6 с2/м2, т. е. по сравнению с температурой 20°С изменяется всего на 7%-

178