книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

верхность ситалловой платы в пластмассовом корпусе.

влаги заметно увеличивает значения т, особенно при вы­ соких значениях рв.к (кривые Г, 2', 3').

Если рабочий элемент герметизируемого изделия сор­ бирует влагу, то за время влагозащиты следует считать такое время, которое необходимо для натекания внутрь корпуса общего количества влаги, достаточного для со­ здания критического давления в воздухе и критического влагосодержания в рабочем элементе изделия. Практи­ чески достаточная точность расчета получается при использовании коэффициента растворимости влаги и объема рабочего элемента, так как обычно оба эти по­ казателя значительно превышают такие же показатели для воздуха.

Как известно, состояние динамического равновесия характеризуется равенством парциальных давлений во­ дяных паров и газов внутри корпуса и в окружающей среде. Помещение корпусов в среду с более высокой влажностью по сравнению с первоначальными условия­ ми при сохранении общего давления и температуры сре­ ды постоянными приведет к нарушению первоначально­ го динамического равновесия вследствие изменения пар­ циальных давлений водяных паров и газов внешней среды (внутри корпуса парциальные давления составляю­ щих среды в первый момент остаются неизменными).

180

Таблица 5-7

Расчет времени влагозащиты корпусов с внутренним воздушным объемом

со * Суммарная толщина компаунда и подложки.

Если обозначить через рв.атм и рп.и парциальные дав­ ления водяных паров в окружающей среде и внутри корпуса, а через атм и pih парциальные давления со­ ставляющей среды вне и внутри корпуса, то в состоянии равновесия будут действительны соотношения:

среды 28%). Повышение влажности окружающей среды до 100%! приведет к увеличению рв.атм до 17,5 мм рт. ст. (2,34-103 Па) и снижению 2рг-атм до 755— (17,5—5) = = 742,5 мм рт. ст. (9,9- 104 Па). Поскольку парциальные давления водяных паров и газов внутри корпуса остают­ ся при этом неизменными, то будет иметь место диффу­ зия водяных паров и газов окружающей среды и среды корпуса в двух направлениях: водяных паров из внеш­ ней среды в корпус (Дрв = р'в.атм—рв.к=12,5 мм рт. ст. =

— 1,66-103 Па) и из внутреннего объема корпуса во внеш­ нюю среду тех составляющих среды, парциальные дав­ ления которых превышают давления тех же составляю­ щих во внешней среде (2ргъ — 2 р 'г-атм=12,5 мм рт. ст.= = 1,66103 Па).

182

Указанный эффект будет проявляться в большей степени при повышении не только влажности окружаю­ щей среды, а одновременно и температуры, также при условии сохранения постоянным общего давления окру­ жающей среды. Если предположить, что в приведенном выше примере новое состояние окружающей среды ха­ рактеризуется температурой 40°С и относительной влаж­ ностью 100% (Рв.атм равной 55,3 мм рт. ст. или 7,35* 103 Па), то разница в парциальных давлениях газов окру­ жающей среды и среды внутри корпуса увеличится и со­ ставит уже не 12,5 мм рт. ст. (1,66 - 103 Па), а 105 мм

рг. ст. (1,4 • 104 П а).

Втабл. 5-8 приведены данные по влиянию состояния внешней среды на разность парциальных давлений во­ дяных паров и газов внутри и вне корпуса. Как видно из данных таблицы, разница парциальных давлений га­ зов для обычных условий опыта достигает очень боль­ шой величины.

Таблица 5-8

Разность парциальных давлений водяных паров и газов внутри и вне корпуса при изменении состояния внешней среды (общее давление 760 мм рт. ст. или 1,03-106 Па)

В соответствии с изложенным можно записать со­ ставляющие общего времени влагозащиты корпусов со свободным внутренним объемом:

где тн, Та, тг представляют собой промежутки времени, обусловленные накоплением влаги внутри корпуса за счет растворения ее в воздухе (ть), адсорбции на внут­ ренних поверхностях корпуса (та) и возможной задерж­ кой натекания влаги вследствие разницы в парциальных давлениях газов во внешней среде и внутри корпуса.

183

Можно предположить, что, несмотря на различный механизм диффузии водяных паров и газов, явление диффузии газов, направленной навстречу диффузии па­ ров воды, может оказать влияние на действительное время влагозащиты рассмотренных защитных конструк­ ций. Исследованиями показано, что взаимное влияние на процесс оказывает одновременная диффузия в поли­ меры газов и водяных паров. В частности, при опреде­ лении газопроницаемости различных полимеров иссле­ дования рекомендуется проводить при низких влажно­ стях газов, так как молекулы воды могут явиться пере­ носчиками молекул газов, или облегчать диффузию мо­ лекул неполярных газов вследствие ослабления молеку­ лами воды межмолекулярных связей полимера.

К сожалению, произвести количественную оценку этих процессов в настоящее время не представляется возможным. Можно лишь высказывать предположение о том, что учет этих явлений в некоторых случаях может привести к увеличению действительного времени вла­ гозащиты конструкций, аналогичных рассмотренным по сравнению с расчетным временем, но без их учета (в за­ висимости от структуры полимера, механизма диффузии, характера взаимодействия молекул полимера, воды и газов и т. д.).

2) Выход из строя изделий в результате адсорбции на их поверхности влаги, проникшей через герметизи­ рующую оболочку.

По-иному определяется время влагозащиты конст­ рукций, герметизирующий материал которых непосред­ ственно контактирует с поверхностью несорбирующего влагу изделия. К таким конструкциям относятся корпу­ са, получаемые методом опрессовки или заливки изде­ лий (например, монолитные корпуса); по механизму влагозащиты к ним относится и защита изделий лако­ красочными материалами. Пример такой конструкции изображен на рис. 5-37,а с тем лишь огличием, что гер­ метизируемое изделие не сорбирует влагу (например, в случае герметизации пленочных схем, наносимых на подложки из ситалла, керамики и т. д.).

Расчет времени влагозащиты таких конструкций основывается на явлении сорбции герметизирующим ма­ териалом влаги и постепенного выравнивания ее кон­ центрации по толщине оболочки, т. е. постепенного по­ вышения концентрации влаги на поверхности герметизи-

184

сутки T ,v

. О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,0 1,8мм

Рис. 5-40. Зависимость времени влагозащиты Тзащ монолитных защитных конструкций от толщины оболочки и критической концентра­ ции влаги (D равно 6,38- Ю"13 м2/с, темпера­ тура 20 °С).

руемого изделия. Расчет обычно сводится к определе­ нию времени, в течение которого на внутренней стороне герметизирующей оболочки образуется критическая кон­ центрация влаги, соответствующая критическому дав­ лению паров воды ркр. Поэтому время наступления та­ кого состояния будет определяться толщиной оболочки I, а также скоростью процесса сорбции, т. е. величиной коэффициента диффузии влаги в полимер.

185

На рис. 6-40 приведены результаты расчета времени влагозащиты от толщины герметизирующей оболочки и значений ркр. Видно, например, что это время для ркр,

равного 0,95 р0, и D, равного 2,3 *10~5 см2/ч (6,4X

ХЮ43 м2/с), при толщине оболочки около 0,05—0,1 мм

При плохой адгезии защитного слоя полимера к по­ верхности изделия или в случае наличия адгезионных связей на границе поверхность — полимер с энергией ниже энергии адсорбции воды на поверхности изделия время влагозащиты можно определять по выражению (5-28). В этом случае на поверхности изделия будут иметь место адсорбция влаги, проникающей через гер­ метизирующую оболочку, и увеличение со временем ко­ личества адсорбированной влаги вплоть до некоторой величины, являющейся для данного изделия критиче­ ской.

Однако при образовании адгезионных связей за­ щитного материала с поверхностью изделия, энергия которых превышает энергию адсорбции влаги с этой поверхностью, адсорбции влаги происходить не будет и действительное время влагозащиты будет превышать

ностью изделия.

Следовательно, выражение (5-28) всегда позволяет определить повышение концентрации влаги на внутрен­ ней стороне герметизирующей оболочки и лишь в неко­ торых случаях отражает действительное время влагоза­

исключена адсорбция на поверхности изделия проника­ ющей через герметизирующий слой влаги, расчет по этой формуле приводит к заниженному значению време­ ни влагозащиты. По-видимому, дополнительное время влагозащиты тадг будет соответствовать тому времени,

186

Рис. 5-42. Зависимость сопротивле­ ния R датчиков влажности от отно­ сительной влажности воздуха при температуре 20 °С.

1, 2, 3 — соответственно ситалловый, ситалловый с пленкой поливинилового спир­ та и электролитический датчики влаж ­ ности.

дится датчик, изменяется его поверх­ ностное сопротивление, определяемое количеством адсорбированной енталлом влаги.

Такие датчики имеют высокую чувствительность. Они «срабатывают»

может быть различным и определяется размерами защитной кон­ струкции. Поскольку ситалловые подложки находят широкое приме­ нение в электронной промышленности, изготовление датчиков на та­ ких подложках позволяет во многих случаях оценивать влагозащит­ ные свойства различных покрытий, наносимых на поверхности ре­ альных изделий.

Большим преимуществом ситалловых датчиков влажности явля­ ется возможность их использования для определения влагозащитных свойств полимерных покрытий, имеющих различную адгезию к по­ верхности датчика, так как по показаниям датчика влажности можно судить о количестве адсорбированной поверхностью влаги.

При желании ситалловые датчики влажности можно превратить в пленочные датчики сорбционного типа или в электролитические.

Для получения ситалловых датчиков сорбционного типа между напыленными металлическими электродами наносится пленка сор­ бирующего влагу вещества, -изменяющего свои параметры по мере поглощения влаги. Требуемыми свойствами обладает, например, плен­ ка поливинилового спирта, получаемая путем двукратного нанесения кисточкой на площадку между напыленными электродами датчика 5%-ного водного раствора поливинилового спирта. Сушка первого слоя производится на воздухе в течение 30 мин, второго — при тем­ пературе 80 °С в течение 3 ч.

Электролитические ситалловые датчики влажности получают однократным нанесением на площадку между металлическими элек­ тродами 0,01%-ного водного раствора углекислого магния. После

сопротивление больше 1013 Ом. При воздействии же высокой влаж­ ности сопротивление датчика резко снижается в результате образо­ вания на его поверхности электролита.

Сравнительные свойства различных датчиков влажности приве­ дены в табл. 5-9, а зависимость сопротивления датчиков влажности от относительной влажности — на рис 5-42.

Как видно, более предпочтительными и универсальными являют­ ся ситалловые датчики адсорбционного типа.

Перед использованием датчиков влажности производится подго­ товка (очистка) их поверхности путем кипячения в ряде растворите-

188

Таблица 5-9

Параметры различных ситалловых датчиков влажности (ситалл СТ50-1)

Тип датчика

леи; хранение готовых к использованию датчиков влажности осуще­ ствляется в эксикаторах с обезвоженным хлористым кальцием.

Преимущества датчиков влажности с пленкой поливинилового спирта заключаются в их «срабатывания» даже в тех случаях, когда по каким-либо причинам поверхность ситалла окажется недостаточно чистой. Электролитические датчики оказываются предпочтительными тогда, когда основной целью в исследованиях является регистрация очень малых количеств влаги.

Для определения времени влагозащиты корпусов со свободным внутренним объемом к основанию корпуса приклеивается датчик влажности соответствующего размера. После контактирования ком­ мутирующих проводников датчика с выводами корпуса производится

ности и сопротивление между двумя свободными выводами основа­ ния корпуса (рис. 5-43). Испытания продолжаются до получения стабильных значений сопротивления. Определение сопротивления между двумя свободными выводами корпуса производится с целью контроля. Достоверными экспериментальные данные считаются в том случае, если сопротивление датчика влажности является более низ­ ким, чем сопротивление материала основания корпуса между сво­ бодными выводами.

189