KTP3_ / GLAVA13

226

13. Материалы электрических и электронных узлов

13.1. Конструкционные материалы

Наиболее применяемым материалом в электрических и электронных узлах приборного оборудования является медь и ее сплавы - латуни, бронзы, медноникелевые , молибденомедные и др. Обладая высокими значениями электропроводности и теплопроводности, медь устойчива к воздействиям щелочей, имеет высокие пластические свойства. Удельное сопротивление меди при 20⁰С равно 1,7 ^. 10 ^-6 Ом^.см, коэффициент теплопроводности 380 - 390 Вт/м^.К. Медь и латуни обрабатываются всеми способами пластического деформирования, хорошо паяются мягкими и твердыми припоями.

По химическим свойствам медь - малоактивный материал. Окисляясь на воздухе, она покрывается пленкой оксида. Под воздействием углекислоты, кослорода и влаги, на деталях из меди и медных сплавов, образуется слой сульфата или хлорида меди. Медь корродирует под воздействием аммиака в условиях влажного теплого климата. Исключение составляет бронза. Бронза имеет высокую коррозионную стойкость в тяжелых климатических условиях и не требует защитного металлического покрытия. Кроме того, бронзы обладают высокой упругостью, тепло- и электропроводностью. Это особенно относится к бериллиевой бронзе, часто применяют для изготовления пружин и упругих контактодержателей.

Латунь в профессиональной аппаратуре применяется только с покрытием, так как корродирует при повышенной влажности вохдуха и температуре свыше 30⁰С. Вызывает коррозию латуни и контакт с термопластами.

Проводники, контактные элементы (лепестки, штыри, гнезда и т.п.) , теплопроводные элементы (радиаторы, шины, тепловые разъемы и т.п.), провода обмоток электрических изделий, элементы микроэлектронных узлов - вот далеко не полный перечень областей применения медных и латунных материалов.

Следующим материалом, входящим в перечень наиболее применяемых конструкторами электронной аппаратуры является никель. Никель и его сплавы применяются как материалы конструктивных элементов в основном на уровне микроэлектронных узлов. Этот факт объясняется тем, что никелевые сплавы характеризуются заданным ТКЛР , значения которого можно изменять в широких пределах, меняя содержание никеля.

Никелевые сплавы применяются при конструировании деталей корпусов микроэлектронной аппаратуры и в качестве подслоев подложек микросборок и монтажных оснований микроблоков и многоуровневых электронных структур. Наиболее широко используются сплавы 36Н (инвар), 29НК (ковар), 42Н, Kevlar и др.

Представляют интерес для конструкторов молибденомедные сплавы (например, МД15НП), которые имеют практически полное согласование по ТКЛР с алюмооксидной керамикой.

В качестве основных материалов конструкций рамок функциональных узлов, обеспечивающих вибропрочность и эффективный теплоотвод, используют алюминиевые сплавы Амг, Амц, В95 (значения коэффициентов теплопроводности 160 - 180 Вт/м ^. К, предела прочности при изгибе (520-560) ^. 10^-6 Па).

Для монтажных оснований электрических и электронных узлов приборного оборудования, в том числе для конструкций печатных плат, используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики: различные слоистые пластики, фенопласты, фторопласты, полиамиды, лавсан, полиимиды, керамика, композиции органических диэлектриков с неорганическими наполнителями и др.

Диэлектрики для печатных плат состоят из наполнителя ( бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань) и связующего вещества - синтетической смолы. Из фенопластов широко применяется пресс-материал АГ-4 (АГ-4С), обладающий высокой прочностью и широким диапазоном температуры эксплуатации (-60...+120⁰С). Основное применение пресс-материалов - различные конструкции соединителей (разъемов), монтажных колодок, рельефных плат.

У фторопласта-4 еще более широкий температурный диапазон эксплуатации (-100... +250 ⁰ С), он холодостоек ( сохраняет эластичность при -100 ⁰ С), тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,0008 при частоте 10⁶ Гц, диэлектрическая проницаемость не более 2,7. К недостаткам этого материала следует отнести его высокую стоимость, сложность изготовления конструкций монтажных оснований, низкую прочность сцепления фольги с основанием.

Современными материалами, применение для гибких печатных плат постоянно расширяется, являются полиимидные пленки марок ПМ и ПФ, а также материала Kapton. Полиимиды характеризуются высокой стойкостью к высоким и низким ( до -269 ⁰ С) температурам, стойкостью к агрессивным средам, безусадочностью, высокими механическими свойствами. Деструкция полиимида происходит при 400 ⁰ С.

Выбор материала монтажного основания с учетом конкретных требований к конструкции и ее особенностей рассмотрен в разд.4.7.

Керамические материалы служат для изготовления корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, вакуумплотных переходных изоляторов, подложек, микроплат и крупноформатных оснований слоев многоуровневых структур электронных узлов. Керамические материалы нагревостойки, влагостойки, обладают высокими диэлектрическими свойствами и стабильной механической прочностью в широком диапазоне температур. По своим характеристиками к керамическим материалам приближаются ситаллы, брокериты и поликоры. Ситалл - промежуточный продукт между стеклом и керамикой, хорошо обрабатывается и полируется.

Характеристики керамик, ситаллов и стекол даны в табл. П4 и П5 Приложения.

Для монтажа кристаллов микросхем в бескорпуснои исполнении, чувствительных элементов датчиков используют металлические тонкие проволоки диаметром 25 ...100 мкм и пленки толщиной 20 ... 40 мкм.

Внешние выводы микроэлектронных узлов, служащие для их электромонтажа на монтажную плату бывают толстопроволочными и ленточными. Толстопроволочные штыревые выводы чаще всего применяют с металлостеклянными или металлополимерными корпусами. Такие выводы изготавливаются из коваровой проволоки диаметром 0,4 ... 0,5 мм. Ленточные выводы находят применение в металлокерамических и пластмассовых корпусах микросборок и микроблоков. Ленточные выводы изготавливают из коваровой ленты толщиной 0,16 ... 0,3 мм методом химического фрезерования или механической вырубкой.

13.2. Материалы покрытий деталей и узлов приборов

В приборостроении освоены десятки видов различных покрытий, различающихся функциональным назначением, материалом, технологией нанесения и др. По функциональному назначению покрытия можно разделить на защитные, декоративные, специальные и комплексные (комбинированные по функциям). материалами покрытий могут быть металлы, сплавы, неметаллические материалы, композиционные составы. В качестве основных технологических методов нанесения покрытий используются гальванические, химические, горячие (металлические и неметаллические покрытия), распылением и методами тонкопленочной технологии.

Защитные покрытия предназначены для защиты элементов конструкций приборного оборудования и применяются тогда, когда такая защита не может быть обеспечена выбором материала конструкции, устойчивого к действию влаги, агрессивной газовой Среды, контактам с другими материалами и т.п. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев, защита несущих деталей конструкции может быть обеспечена только покрытием поверхности одним из видов: металлическим, полимерным, стклоэмалевым, оксидным или комплексным химическим соединением.

Декоративные покрытия придают поверхности детали красивый внешний вид и практически во всех случаях выполняют и защитные функции.

Специальные покрытия предназначены для предания поверхности деталей особых свойств или защищают их от влияния особых сред.

Выбор вида покрытия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального назначения и условий эксплуатации.

Основные виды металлических покрытий, их назначение и область применения приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1.

Виды металлических покрытий

Вид покрытия и технологи-ческий способ	Материал детали	Толщина покрытия , мкм	Параметр шероховатости до покрытия	Назначение	Область применения покрытия
Цинковое (гальв., горяч.	Сталь, медь, медные сплавы	6 - 30	Rz40	Защита от коррозии (кроме морских условий)	Корпуса приборов, крышки, кожухи, панели, шасси, каркасы, крепежные детали (резьбовые с шагом до 0,8 мм)
Кадмие-вые (гальв.)	Сталь, медь, медные сплавы	6 - 30	Rz40	Защита от коррозии	Кожухи, крышки, корпуса, основания , каркасы и др.; Пружины и пружинящие детали, в том числе контактирующих с деталями из алюминиевых и магнитных сплавов (в морских условиях)
Никеле-вое	Сталь	48 - 60	Rz5	Защитное	Экраны, корпуса и др.
(гальв.,		(медь 30, никель 18		Декоратив-ное и защитное	Корпуса, ручки, диски и др.
хим.)		9 - 12 (для пайки) 30 - 36 (никель 3, медь 3, никель 24	Rz5	Специ- альное	Различные детали, требующие пайки; для повышения отражательной способности
	Медь и медные	6 - 9 (по бронзе;	Rz10	Защита от коррозии	Для внутренних деталей и резьбовых крепежных деталей
	сплавы	медь 3, никель 21)		Специаль-ное	Детали, работающие на трение с незначительными нагрузками; контакты, сердечники и др.Использование как подслоя для покрытий золотом, родием, палладием
Никеле-вое (гальв., хим.)	Алюми-ний и его сплавы (Амц, Амг, В95	24 - 30	Rz20	Защита от коррозии и специаль-ное	Различные детали
Хромовое	Сталь	48 - 60	Rz5	Защита от коррозии и специаль-ное	Оси, втулки, стержни и др. Увеличение твердости деталей, работающих на трение качения и скольжения при небольших нагрузках, с одновременной защитой от коррозии
	Медь и медные	6 - 12 (никель 6-12, хром до 1	Rz10	Защита от коррозии и специаль-ное	Пластины, держатели, резьбовые крепежные детали
	сплавы	15 - 18 никель 15, хром до 1	Rz10	Декоратив-ное с одновременной защитой от коррозии	Корпуса, ручки, кольца, петли и др.
Оловяно-	Медь, медные сплавы	6 - 12		Специаль-	Для деталей типа контакты, лепестки, наконечники, перемычки и др., подвергающихся пайке
свинцо-	ковар, инвар	15 - 15	Rz40	ное	Для электроконтактных деталей, опрессованных в пластмассу
вое	Сталь	21 - 24			Для деталей, подлежащих пайке и герметизации, резьбовых токонесущих деталей и др.
	Сталь, ковар, инвар	36 - 51 (медь 14-24, серебро 21)	Rz10	Специаль-ное	Улучшение электропроводности токопроводящих деталей, улучшение паяемости и свариваемости
Серебря-ное	Медь, латуни, бронзы	9 - 18 для деталей из бронзы: медь 3, серебро 9-12	Rz10	Специаль-ное	Улучшение электропроводности контактных деталей, лепестков, пружинных контактов и др. Улучшение пайки. Использование как подслоя под покрытие родием
	Алюми-ний и его сплавы (Амц, Амг, Д16, В95)	48 - 60 (никель15, медь 18, серебро 15	Rz20	Специаль-ное и защитное	Создание контактных участков на наружных поверхностях деталей
Золотое	Медь и медные сплавы	9 - 12 (серебро 6, золото 3)	Rz10	Специаль-ное	Уменьшение переходных сопротивлений контактов, лепестков, пружин и др.
Палладиевое	Медь и медные сплавы	6 - 9 (серебро6, палладий 1)	Rz10	Специаль-ное	Улучшение электропроводности деталей точных приборов, требующих постоянства электрических параметров. Использование как подслоя под покрытие золотом
Родиевое	Медь и медные сплавы	6 - 9 (серебро9, родий до 1)	Rz5	Специаль-ное	Контакты, пружины, лепестки и др. Повышение твердости контактных деталей (трущихся и работающих на смятие), обеспечение постоянства переходного сопротивления

Из приведенных в табл. 13.1 металлических покрытий наибольшей температурной стабильностью обладает хромовое; золотое покрытие не взаимодействует с кислотными щелочными и сернистыми соединениями, но подвержено износу и истиранию. С целью обеспечения комплекса свойств выполняется многослойное покрытие, например: слой меди, толщиной 6 - 10 мкм (высокая адгезия к стали), слой никеля толщиной 3 - 6 мкм (высокая твердость), слой хрома толщиной 0,5 мкм (антифрикционность).

Помимо металлических, для выполнения функций защиты поверхности деталей применяются химические оксидные и окисные покрытия (см. табл. 13.2).

Таблица 13.2.

Металлические и неметаллические покрытия, наносимые химическим способом

Вид покрытия	Материал детали	Толщина покрытия, мкм	Параметр шерохова- тости	Назначение покрытия	Область применения
	Сталь, медь и медные сплавы	-	Rz40	Защита от коррозии и декоративное	Различные конструкционные детали
Оксидное	Алюми-ний и его сплавы	-	Rz20	Специальное с постоянством электропроводности	Детали, электропроводные по всей поверхности или только на отдельных участках
	Магний и его сплавы	-	Rz40	Защита от коррозии	Различные детали
Пассив-ное	Стали легированные типа Х18Н9Т	-	Rz5	Защита от коррозии	Хомутики, планки, прокладки, пластины, шайбы, ручки, пружины и др.
	Медь и медные сплавы	-	Rz20	То же и декоративное
	Алюми-ний и его сплавы	15 - 60	Rz20	Защита от коррозии, декоратив-ная отделка	Корпуса, рамы, кронштейны, оси, втулки, диски и др. При декоративной отделке добавление красителя
Окисное			Rz5	Специальные свойства	Оси, втулки, диски и др., требующие повышения механической прочности. Различные детали с электроизоляционными свойствами поверхности
	Титановые сплавы ВТ1-1, ВТ3-1	-	Rz10	Специальные	Различные детали, работающие на трение с электроизоляционными свойствами поверхности

К покрытиям, наносимым горячим способом относятся традиционные оловянно-свинцовые, цинковые, серебряные. Более широкому и качественно новому применению горячего метода нанесения покрытий способствовало развитие плазменной тохнологии и порошковых композиций. Использование технологии плазменного напыления разнообразных металлических и неметаллических компонентов композиций позволяет получать сверхтонкие покрытия с размером частиц до 40 мкм. Композиции различных материалов покрытий позволяют модифицировать свойства поверхности в широком диапазоне функционального назначения (см. табл. 13.3).

Таблица 13.3.

Покрытия, наносимые плазменным напылением

Материал покрытия	Функциональное назначение покрытия, образованного на поверхности детали
Al2O 3; Al - Ni; Cr - B - Ni - Si; Ti - Ni; Mo; Cr2O3; Cr; WO; MgAl2O4	Износостойкость
Al; Al2O 3; Cr; Ti; Zn; CrO3; Al2O3 - TiO2	Коррозионная стойкость
Al2O3 ; ZrO3 ; Al - Ni; Mo; ZnB; MgAl2O4	Термостойкость
ZrO2 ; WC - Co; TiC; CrO3; Cr - B - Ni	Эррозионная стойкость
W; Mo; WC; Cr - Ni; MoSi; MgAl2O4	Жаропрочность
Композиционные материалы на основе Al, Ti с волокнистыми упрочнениями B, C и др.	Прочность, жесткость
Al - Ni; Ti - Ni; ZrO 2	Антисхватывание
Al2O 3; MoSi2 ; Al - Ni; ZrO2	Теплоизоляция
Al2O 3; BaTiO3 ; SiO2 ; MgO - Al2O 3;	Электроизоляция
Mo; Ti - Ni; Al - Ni	Герметичность соединений

Пленочные изоляционные покрытия образуют на поверхности металла или электронного (электрического ) узла тонкий и непрерывный слой. Такие покрытия защищают материал от проникновения в его поры влаги, увеличивают прочность изоляции. При пропитке или покрытии деталей используют изоляционные лаки УР-231, СБ-1С; перхлорвиниловые эмали ХВ-125; пентафталевые эмали ПФ-115, МФ-28, ПФ-223; эпоксидные эмали Э-5, Э-11; нитроцеллюлозные эмали НЦ-11, НЦ-25; кремнийорганические эмали ЭМ-9, ЭМК-2, ЭМКО-81 и компаунды МБК, ЭЗК, ФК-20, УТ-31. Пленочному покрытию изоляционными лаками и эмалями подвергаются функциональные узлы на печатных платах и микроузлы, различные моточные изделия.

Для более надежной защиты изделий и сохранения электрических и механических свойств полимерных покрытий при длительном воздействии повышенных температур и их резком изменении рекомендуется применять комбинированные пассивационно-защитные покрытия. Они состоят из тонкой пленки неорганического диэлектрика и органического полимерного покрытия, назначение которого - предотвратить механическое повреждение пленки неорганического диэлектрика (например, SiO₂) и защитить его поверхность от воздействия внешней атмосферы.

13.3. Выбор контактирующих пар металлов механических и электрических

соединений деталей

Помимо химического механизма коррозии, в месте касания двух различных металлов под пленкой влаги, содержащей следы солей (электролит) , наблюдается контактный электрохимический механизм коррозии, интенсивность и характер которого зависит от взаимного расположения контактирующих металлов в вытеснительном ряду (ряду напряжений).

Рассмотрим некоторые пары металлов с точки зрения их совместимости друг с другом. Алюминий и магний являются нежелательной парой (близкое расположение в ряду напряжений): при контактных соединениях магниевые сплавы корродируют.

Алюминий и сталь могут использоваться в контакте благодаря небольшой разности потенциалов и большой анодной поляризуемости алюминия, однако в морской атмосфере контакт алюминия со сталью (в том числе и нержавеющей) нежелателен из-за смещения потенциалов в сторону “более положительных”.

Пара алюминий - медь недопустима, так как в слабоагрессивных средах контакт алюминиевых сплавов с медными (медью, латунями, бронзами) вызывает сильную коррозию алюминия. Анодирование алюминиевых сплавов не исключает коррозию.

Титанове сплавы в паре с алюминием допустимо применять при всех условиях, за исключением контакта в морской воде, так как титан усилит в этом случае коррозию алюминиевых сплавов.

Магниевые сплавы в сильной степени подвержены контактной коррозии со всеми металлами, поэтому зону соединения надо тщательно защищать от влаги несколькими слоями грунта, шпатлевки и краски.

Клепаные соединения должны иметь правильно подобранные материалы. нельзя допускать, чтобы материал заклепок имел более отрицательный потенциал по сравнению с потенциалом соединяемых деталей и чтобы разность потенциалов была чрезмерно большой. Например, соединение деталей из магниевых сплавов целесообразно производить заклепками из алюминиево-магниевого сплава АМ-5 и не применять заклепок из сплавов типа дюралюминия, содержащих медь и вызывающих сильную коррозию магниевых сплавов.

Важной задачей является подбор материалов, контактирующих между собой в проводниковых соединениях, омических контактах и т.п. элементах конструкций электротехнических и электронных узлов приборного оборудования.

Ряд систем металлов, например, Au - Al, образуют устойчивые интерметаллические соединения, которые постепенно разрушают контакты и вызывают отказы приборов. Для создания высокой надежности соединения необходимо подбирать композиции металлов, необладающих взаимной растворимостью и не образующих промежуточных фаз в температурном диапазоне эксплуатации прибора. На рис. 4...... приведен граф, использование которого позволяет подобрать сложную последовательность металлов, где каждая пара ближайших металлов не образует интерметаллических соединений. граф можно использовать при выборе контактирующих материалов в различных паяных, сварных других термических и механических соединениях проводников и электрических контактов, а также конструировании металлических пленочных структур.