книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

Определялась влагостойкость корпусов из алюминиевых капсул для подложек 11x11 и 10X16 мм и пластмассовых корпусов со сво­ бодным внутренним объемом для подложек 16X20 мм. Увлажнение корпусов производилось при относительной влажности 98±2% и температурах 20 и 40°С, проникновение влаги в Корпуса регистриро­ валось с помощью адсорбционного и электролитического ситалловых

датчиков.

Во всех случаях не было зарегистрировано проникновения влаги внутрь корпусов в пределах чувс! датчиков влажности

в течение 56 сут увлажнения. Эти данные согласуются с расчетным временем влагозащиты для металлополимерных корпусов. Для

пластмассовых же корпусов экспериментальное время влагозащиты оказалось больше расчетного по меньшей мере в 2 раза. Можно предположить, что это является результатом проявления всех тех процессов, которые, как указывалось, могут приводить к увеличению действительного времени влагозащиты по сравнению с расчетным по формуле (5-40).

Ситалловые датчики адсорбционного типа были использованы для определения влагозащитных свойств различных материалов, гер­ метизация которыми осуществляется путем нанесения непосредствен­ но на поверхность изделия. Испытуемым материалом покрывалась рабочая поверхность датчика влажности, затем после отверждения покрытия производилось увлажнение локальным способом защищен­ ной поверхности. Толщина покрытий из лакокрасочных материалов

190

составляла 40—60 мкм, из компаунда 0,5—0,6 мм. В процессе увлажнения периодически производились замеры сопротивления датчиков.

Па рис. 5-44 приведены результаты некоторых таких испытаний. Как показывают результаты испытаний, сопротивление защищенных датчиков влажности никогда не снижается ниже сопротивления не­ защищенных датчиков, хотя влага через покрытие толщиной в не­ сколько десятков микрон диффундирует за несколько часов. Как уже отмечалось, из этого следует предположение, что нанесение по­ лимерных покрытий на поверхность датчика меняет ее адсорбцион­ ные свойства.

Как известно, полярные группы на поверхности стекла (гидро­ ксилы и др.), по которым происходит адсорбция молекул воды, уча­

связей. Поэтому величи­ на электрического сопротивления защищенных полимерными пленка­

ми датчиков влажности должна изменяться в зависимости от вели­ чины адгезии полимера к поверхности датчика.

Влагозащитные свойства испытанных материалов изменяются в той же последовательности, что и адгезионные; так, наибольшей адгезией к поверхности датчика обладают янтарная и эпоксидная эмали, наименьшей — поливинилхлоридный лак ХВЛ-21 и фторсодер­ жащая эмаль ФП-545. Различием диффузионных констант этих ма­ териалов нельзя объяснить существующую разницу во влагозащит­ ных свойствах, так как время влагозащиты покрытий толщиной 40—60 мкм при практически наблюдаемых коэффициентах диффузии обычно составляет несколько часов.

Полученные результаты были подтверждены при испытании тонкопленочных микросхем, содержащих в своем составе конденса­ торы и резисторы. Полимерные пленки в этих случаях контактирова­ ли не непосредственно с элементами микросхемы, а со слоем предва­ рительно нанесенных па них халькогенидного стекла ИКС-24 или моноокиси кремния толщиной 1—2 мкм. Однако слой неорганической

191

защиты из этих материалов пе обеспечивает влагозащиту микросхем вследствие наличия в этом слое микротрсщин.

Как видно из рис. 5-45, параметры элементов микросхем, защи­ щенных фторсодержащей эмалью ФП-545, при воздействии влаги очень резко ухудшаются (влага проникает в объем элементов схе­ мы). При защите эмалью ЭВ-1-20, имеющей высокую адгезию к слою неорганической защиты микросхем, в тех же условиях параметры элементов остаются практически без изменений (влага па элементы схемы не попадает).

В рассмотренных защитных конструкциях с контактированием герметизирующего материала с поверхностью изделий могут быть использованы для исследований и датчики влажности с пленкой поливинилового спирта или электролитические датчики. Однако с по­ мощью этих датчиков влажности можно определить лишь время влагозащиты, определяемое только диффузионными константами по­ лимерных материалов без учета влияния их адгезии к поверхности датчиков [формула (5-28)].

Г л а в а ш е с т а я

ЗАЩИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТЫ

6-1. Методы защиты

Существуют два принципиально различных спосо­ ба защиты от действия влаги: поверхностный и объем­ ный. Первый метод связан с созданием гидрофобного защитного слоя на поверхности защищаемого объекта. Такой слой может быть создан путем гидрофобизации гидрофильных поверхностей кремнийорганическими жидкостями, созданием защитных слоев полимеров с помощью тлеющего разряда, электронно-лучевой об­ работкой, фотохимическим процессом, конденсацией газовой фазы, пассивацией поверхности полупроводни­ ков комплексообразующими материалами, нанесением гидрофобных лаковых или эмалевых покрытий.

Как правило, этот способ использует свойство сверх­ тонких и тонких пленок полимеров, не имеющих в своем составе гидрофильных, главным образом гидроксильных групп, создавать плохо смачиваемую поверхность и не

и достаточной механической прочностью позволяет со­ здавать хорошо защищенные конструкции. Методы

192

создания тонких защитных покрытий используются для защиты полупроводниковых приборов, интегральных по­ лупроводниковых и гибридных микросхем, резисторов, конденсаторов, печатного монтажа и других плоскопле­ ночных элементов и устройств.

Иногда этот способ применяется в сочетании с объем­ ной защитой, когда требуется создать механически прочную конструкцию, так как тонкие пленки, выполняя защитную функцию, не упрочняют контактных и других малонадежных узлов. Упрочнение достигается заливкой, опрессовкой, напылением, обволакиванием толстыми слоями полимерных покрытий.

При соответствующем подборе материалов механи­ чески укрепляющие материалы могут выступать и в ро­ ли защитных. Однако последнее сочетание благодаря очень сложному комплексу предъявляемых требований пока применяется для очень малого количества простей­ ших устройств.

Второй метод — метод объемной защиты — преду­ сматривает создание на деталях и устройствах сложной конфигурации или с повышенными требованиями к на­ дежности достаточно толстых слоев защитных полимер­ ных покрытий. В ряде случаев (моточные изделия) он применяется в сочетании с объемным заполнением внутренних пористых структур пропиточными материа­ лами.

Правильный выбор метода и материала, гаранти­ рующих надежность работы конструкции, зависит от типа и требований к ней. Следует оговориться, что если методы защиты можно свести к сравнительно неболь­ шому количеству, то возможности сегодняшней химии, дающей нам в руки огромное количество синтетических полимерных материалов с различными свойствами, за­ ставляют очень внимательно относиться к выбору по­ следних, исходя из очень многих факторов.

Действительно, кроме физико-механических и элек­ трических свойств, нужно учитывать возможность по­ лучения материалов в чистом виде, доступность сырья, технологичность получения и переработки материала, возможности механизации и автоматизации процесса получения изделий, обеспечение надежности их работы в самых тяжелых условиях, длительность эксплуатации, т. е. длительное сохранение защитных свойств в этих тяжелых условиях.

Поэтому, если выбор метода защиты з настоящее время не представляет особых затруднений, хотя здесь также необходим учет ряда факторов, главным образом технологичности переработки, то выбор материала для защиты представляет значительные трудности.

Пока нет четкого подхода к обоснованному вы­ бору материалов, не всегда он осуществляется на основе всех необходимых экспериментальных данных, зачастую этот вопрос решается сугубо эмпирически и даже субъ­ ективно исходя из опыта, привычки, привязанности к определенной группе материалов, возможностей дан­ ного производства и других факторов.

Накопленный различными отраслями промышленно­ сти опыт по защите РЭА полимерами, к сожалению, не обобщен, и применение великого множества различных материалов, на наш взгляд, совершенно не оправдано. Различные нюансы в составах сплошь и рядом не объективно оправданы, а вызваны либо необходимостью компенсировать какими-либо добавками нестабильность свойств основного вещества — полимера, либо попыткой создать «оригинальный» состав, который по свойствам практически ничем не отличается от уже существую­ щего.

К сожалению, авторы лишены возможности дать подробные рекомендации по выбору защитных составов, но они приводят свойства материалов и дают области их применения, исходя из наиболее проверенных про­ мышленностью данных.

В настоящее время для целей защиты получили при­ менение представители всех классов полимерных мате­ риалов.

Природные материалы — воскп, битумы, шеллак и др. — в виде заливочных и лаковых композиций явля­ ются наиболее «древними» представителями защитных полимеров. Применение их сейчас сокращено в связи с появлением синтетических, более высококачественных материалов. На смену им пришли термопластичные и термореактивные материалы из различных классов по­ лимеров в виде лаков, эмалей, суспензий, компаундов, премиксов, эластомеров и тому подобных композиций.

Условно методы защиты можно разделить на про­ питку, заливку, помещение в защитный корпус, покры­ тия и комбинированные способы с использованием пере­ численных приемов герметизации.

194

Выбор способа определяется эксплуатационными требованиями к герметпзуемьш изделиям, технологич­ ностью выбранного процесса защиты, оборудованием, производительностью, экономической эффективностью.

В каждом конкретном случае выбирается оптималь­ ный вариант материала, способа его применения и использования оборудования.

Пропитка. С помощью этого метода производят за­ полнение изоляционным защитным материалом пор в пористых изделиях и малых воздушных зазоров в де­ талях п узлах РЭА с целью увеличения их влагостойко­ сти и электрической прочности.

Применяется для защиты моточных изделий (транс­ форматоры, дроссели, катушки индуктивности, бумаж­ ные конденсаторы и т. д.). Иногда к нему прибегают для увеличения влагостойкости покрытий, имеющих но­ ры. Этот метод заключается в предварительном удале­ нии из деталей и узлов РЭА влаги путем сушки различными способами, а затем погружении их в за­ щитный материал. Сушка и пропитка могут выполняться как при атмосферном давлении, так и под вакуумом и давлением. Наилучшие результаты дает сочетание ва­ куума и давления.

Сейчас известны и другие методы пропитки, особен­ но составами без растворителей: струйный полив, капельный метод.

Для пропитки применяются лаки на различной осно­ ве (масляно-битумные, глифталевые и др.). Однако высокое содержание растворителей в лаках не дает возможности получить хорошее заполнение внутренних пустот, вызывает трудности в процессе сушки, услож­ няет процесс пропитки и т. д. Кроме того, многие рас­ творители пожаро- и взрывоопасны и вредно действуют на организм человека.

В связи с этим последние годы характеризуются тенденцией замены их на лаки без растворителей или маловязкие компаунды.

Разработка и внедрение полиэфирных, эпоксидных, метакриловых и других составов без растворителей по­ зволили резко улучшить качество изделий и условия их производства. Часто пропитку используют в сочетании с заливкой.

Заливка. Этот процесс может выполняться путем по­ мещения изделия и защитного заливочного материала

в кожух или несъемную форму либо в съемную форму, снимаемую с изделия после отверждения защитного материала. Это наиболее распространенный тип защи­ ты, который применялся еще до появления синтетиче­ ских материалов. Ранее для этого использовались битум с наполнителями, парафин, церезин, воск и их смеси, заливаемые в различного рода кожухи. Эти материалы благодаря их низкой нагревостойкости в настоящее вре­ мя почти полностью вытеснены термореактивными ком­ паундами на основе различных синтетических смол (эпоксидных, кремнийорганических, полиэфирных и др.). Высокие механические качества новых компаундов по­ зволили отказаться в ряде случаев от кожухов и тем самым снизить массу и габариты аппаратуры.

Заливка может производиться под вакуумом и без вакуума или под давлением. Выбор метода заливки зависит от конструкции изделия.

Очень часто заливке предшествует пропитка изделия. Это сочетание присуще практически всем моточным из­ делиям.

Сложность процессов заливки, связанная с приме­ нением композиций, имеющих сложный состав, которые должны приготавливаться непосредственно перед упо­ треблением и изменяют свои технологические свойства в процессе переработки, хранения и т. д., вызвала в по­ следние годы поиски новых способов переработки за­ щитных компаундов.

Покрытие. Этот метод предусматривает создание на поверхности изделий тонких или сверхтонких защитных пленок путем нанесения на поверхность нескольких слоев влагостойкого герметика и широко применяется для защиты практически всех элементов и узлов РЭА вплоть до собранных монтажных плат и крупных блоков.

Условно этот способ можно разделить на три на­ правления.

Получение сверхтонких не более 1—2 мкм пленок,

которые выполняют главным образом защитно-пасси- вирующие функции, но не могут нести механические нагрузки. Это достигается путем полимеризации или поликонденсации мономеров из газовой фазы, действием тлеющего разряда, обработкой олигомеров электронным лучом, фотохимическим способом, гидрофобизацией кремнийорганическими соединениями и т. д.

196

Все эти методы новые, но перспективность их пока­ зана уже не только исследовательскими работами, но и реальным применением в промышленности.

Как правило, после таких покрытий наносится слой другого материала, выполняющего функции механиче­ ского крепления. Способ нанесения может быть любой (заливка, лакировка, эмалирование, опрессовка и т. д.).

как дополнительную изоляцию и влагозащиту, так и механическое крепление контактных узлов и улучшают внешний вид изделия. Лаки и эмали наносятся окуна­ нием, пульверизацией, кистью. Известен процесс на­ несения их в электростатическом поле. В последнее вре­ мя находит все большее распространение так называе­ мое твердое органическое эмалирование. Этот процесс связан с нанесением на предмет порошкообразной ком­ позиции (твердой органической эмали или сухой краски). Существующие разновидности процесса напыления су­ хих красок (вихревой, ионизированный кипящий слой, электрофоретический, диэлектрический, струйное напы­ ление, электростатическое напыление и т. д.) дают возможность получать высококачественные изделия практически любой конфигурации и из любого материа­ ла. В настоящее время процессы напыления и материа­ лы для них являются предметом усиленного изучения и внедрения в производство.

Создание сравнительно толстых (до 1—1,5 мм) по­ крытий методом обволакивания. Для этой цели исполь­ зуются главным образом тиксотропные, т. е. меняющие при механическом воздействии вязкость, составы. Для этой же цели могут быть использованы и способы на­ несения порошкообразных материалов. Использование многократных лаковых или эмалевых покрытий для тол­ стых защитных слоев широкого распространения не получило в связи со сложностью и громоздкостью про­ цесса.

Корпусная защита. Корпуса из различных материа­ лов (металл, стекло, керамика, пластмассы) в послед­ ние годы получили широкое распространение для защи­ ты особо чувствительных элементов РЭА, таких, как полупроводники, микросхемы, пьезоэлементы и др. Эти элементы, обладая высокой чувствительностью к влаге,

197

198

сов за рубежом, у нас последнее время к этому виду защиты проявляется определенный интерес как к пер­ спективному способу.

Комбинированные способы защиты. Наибольшее распространение получили комбинированные способы защиты деталей и изделий РЭА, в которых используют­ ся различные сочетания вышеописанных методов гер­ метизации: защитные корпуса, заливка, пропитка и т. д.

Общую схему защиты можно представить себе та­ ким образом, как это представлено на рис. 6-1.

6-2. Материалы для защиты

В данном параграфе рассмотрены свойства воско­ образных материалов, битумов, лаков, эмалей, в том числе «сухих красок», компаундов, в том числе опрессовочных и таблетирующих материалов, и др.

Воскообразные материалы и битумы. Здесь рассмат­ риваются свойства церезинов (природного и синтетиче­ ского) и нефтяных битумов БН-IV и БН-V как мате­ риалов, еще применяемых промышленностью.

Церезин — воскообразный материал белого или жел­ товатого цвета, получаемый переработкой и очисткой озокерита или парафиновой пробки. Он представляет собой смесь твердых алифатических углеводородов со­ става от СзвН8о до СбзНш; выпускается четырех марок, различающихся температурой каплепадения.

Ниже приводятся свойства природного церезина.

199