Лабораторна робота №12.1

Підготовка компонентів до готування компаундів,

Які застосовуються при герметизації мікрозборок

Мета лабораторної роботи - вивчення технологічного процесу підготовки компонентів до готування компаундів, які застосовуються для герметизації мікрозборок, та основні особливості спеціального технологічного устаткування, що використовується для підготування компонентів.

Задачі лабораторної роботи. Відповідно до кваліфікаційної характеристики спеціальності в результаті проведення лабораторного заняття студенти мають:

з н а т и: основні компоненти, які входять до складу компаундів, їхні характеристики; основні технологічні операції підготовки компонентів, особливості технологічного устаткування для підготовки компонентів та віскозиметра для вимірювання в'язкості;

у м і т и: виконувати операції контролю в'язкості компаунда, готування окремих компонентів, мати уявлення про основні фізичні явища, які використовують при підготуванні компонентів.

Вхідна інформація

Одним із способів підвищення стійкості радіоелектронної апаратури (РЕА) до впливу негативних кліматичних факторів є герметизація.

Масовий тип і автоматизація виробництва елементів РЕА ведуть до все більш широкого відмовлення від традиційних способів герметизації в корпусах з металу, скла, кераміки на користь герметизації полімерними матеріалами. Пояснюється це тим, що полімерні герметизуючі матеріали дешевше, ніж спеціальні сорти металу, скла та кераміки. А технологічні процеси герметизації полімерними матеріалами менш трудомісткі і простіше піддаються автоматизації. У результаті вартість герметизації такими матеріалами в багато разів нижче традиційної.

Таблиця 12.2

Хімічні властивості деяких полімерів.

Назва полі-меру	Тип каталізатора	Реакція полімеризації	Процес твердіння (температура)	Стійкість до розчинників
1	2	3	4	5
Епоксидна смола	Аліфатичні і ароматичні аміни, ангідридна кислота, каталітичні речовини	Реакція приєднання	При кімнатній температурі (для амінів аліфатичних. Більше 100 С для інших каталізаторів)	Добра
Силіконова смола з вулканізацією при кімнатній температурі	Восьмимолекулярне з’єд-нання олова (октат олова)	Конденса-ції (ущільнення)	Від кімнатної до 85 С	Добра
Силіконовий гель	Восьмимолекулярне з’єд-нання олова (октат олова)	Конденса-ції (ущільнення)	150 С	—
Силікон (нерозчинений)	Перекис	Конденса-ції (ущільнення)	(120 – 200) С	Добра
Поліефір	Перекис з активатором	Конденса-ції (ущільнення)	Від кімнатної до 125С зале-жно від активації	Руйнується кетонами і хлоринатними розчинниками

Закінчення табл. 12.2

1	2	3	4	5
Поліуретан	Каталізатори, наприклад, 4-аміни	Конденса-ції (ущільнення)	(105 – 140)С	Погана до ароматичних і хлоринатних розчинників
Фенол	Кислотний	Конденса-ції (ущільнення)	Висока температура	Погана

Працездатність герметизуючих матеріалів у конструкції визначається комплексом їхніх фізичних властивостей: електричних, механічних та ін., що мають зберігатися при впливі вібрацій, ударних навантажень, високих і низьких температурах і термоударах, а також при впливі високої вологості при підвищеній температурі.

Важливою вимогою до матеріалів є їхня технологічність, яка має забезпечувати мінімальну трудомісткість виготовлення виробів, високу продуктивність, а також можливість механізації й автоматизації процесу виробництва, що є особливо важливим при розробці технології герметизації мікрозборок у масовому (серійному) виробництві.

Вищевказаним вимогам щонайкраще задовольняють полімерні матеріали. Залежно від умов роботи окремих конструкцій, а також призначення герметизуючих матеріалів вибирають полімерні матеріали з перевагою тих чи інших властивостей.

Велика розмаїтість функцій, які виконують електронні компоненти, різні механічні, електричні й хімічні впливи, що дають на них, викликають необхідність застосування широкої номенклатури найрізноманітніших герметизуючих матеріалів.

Мікромініатюризація дискретних елементів РЕА, інтегральні плівкові і гібридні мікросхеми і зв'язана з ними висока щільність монтажу, являють собою нові проблеми з точки зору герметизації, оскільки ставлять особливі вимоги до герметизуючих матеріалів, а саме:

- забезпечення надійної ізоляції між елементами при малих ізоляційних відстанях;

- забезпечення захисту складних і чутливих до механічних навантажень компонентів (діодів, транзисторів та ін.) і матеріалів;

- забезпечення вологостійкості виробів при тривалому зволоженні.

Від герметизуючих матеріалів, крім вищевказаних властивостей потрібні:

- відсутність хімічної взаємодії з матеріалами;

- досить низька температура скловання і невеликі внутрішні напруження, які можуть бути причиною обриву проводів тонких перетинів, зміни параметрів виробів, що герметизуються;

- близькість температурних коефіцієнтів лінійного розширення герметизуючого матеріалу і дотичних чи сполучених з ним матеріалів;

- гідролітична стійкість герметизуючих матеріалів;

- мінімальна усадка;

- висока технологічність і економічність виробництва;

- підвищена теплопровідність матеріалів для високотеплонавантажених елементів і мікросхем.

При розробці процесу герметизації виробів одночасно повинні зважуватися питання відводу тепла, для чого необхідно враховувати такі фактори: теплопровідність герметизуючих матеріалів; потужність, яку виділяє виріб; тепловий опір конструкційних елементів.

Полімерні матеріали, які використовують теперішнім часом для герметизації, мають низьку теплопровідність. Теплопровідність цих матеріалів можна збільшити, додаючи до складу наповнювач з підвищеною теплопровідністю. Здебільшого як наповнювачі використовують Аl₂0₃, BeO, SiС та ін. Теплопровідність композиції із синтетичної смоли і наповнювача залежить від теплопровідності наповнювача, його об'ємної концентрації в композиції, а також від величини і форми його часток.

Для герметизації виробів РЕА найбільш широко застосовують герметизуючі матеріали на основі епоксидних, епоксикремнійорганічних, кремнійорганічних, поліефірних, олігодієнових зв’язуючих.

Епоксидні герметизуючі матеріали, що широко застосовуються:

- епоксидні компаунди УП-5-162-1, УП-5-162-2, УП-5-208, УП-592-3 3, К-5, К-7 4, ЭК-43, ЭК-93, ЭК-91, ЭК-242 5;

- порошкові епоксидні композиції УП-2191К, УП-2191 Г 6,

ПЭК-45 7;

- епоксидні лаки й емалі ЭП-730 8, ЭП-974М 9, ЭП-9114 10.

Для герметизації виробів типу мікрозборок на керамічних підкладках, вузлів друкованого і навісного монтажу, напівпровідникових інтегральних мікросхем застосовують еластичні кремнійорганічні матеріали (компаунди): "Віксінт К-68", Еластосил 137-180 ІІ, 159-167 (СИЕЛ) 12, ЭТ-2 13.

Аналіз показує, що залежно від способу герметизації, полімерні матеріали поділяються на такі основні типи:

• рідкі заливальні і тиксотропні композиції;

• порошкові композиції;

• ізоляційні лаки й емалі.

Полімерні композиції на основі синтетичних смол з додаванням наповнювачів, пластифікаторів, твердників забезпечують кращу герметизацію (за рахунок відсутності розчинників), ніж лаки й емалі. Завдяки комплексу цінних властивостей, епоксидні заливальні компаунди за масштабами використання як герметизуючих засобів перевершили усі відомі полімерні матеріали. Значне поширення вони одержали в радіоелектронному приладобудуванні, що пов'язано з їхніми високими технічними властивостями: доброю адгезією до різних матеріалів, малою усадкою, відсутністю виділення летучих при твердінні, добрими електроізоляційними характеристиками, високою механічною міцністю, малою вологопроникністю. Заливальні еластичні матеріали (на основі кремнійорганічних смол) необхідні для виробів, що містять проводи тонкого перетину і чутливі елементи. Такі матеріали володіють підвищеною нагрівостійкістю, стабільністю властивостей у процесі експлуатації, високою вологостійкістю. Останнім часом для герметизації мікрозборок використовують порошкоподібні, переважно термореактивні композиції, що у ряді випадків замінюють лакофарбові матеріали, які застосовувалися раніше, рідкі заливальні компаунди.

Завдяки використанню порошкових композицій вдається уникати таких операцій, як зважування, перемішування і видалення газоподібних продуктів з рідких компонентів. Крім того, при використанні порошкових композицій значною мірою можуть бути вирішені проблеми, зв'язані з механізацією й автоматизацією процесів герметизації, зменшенням токсичності і матеріалоємності вологозахисту вузлів і мікрозборок. Застосування порошкових матеріалів для герметизації компонентів і вузлів РЕА обмежується відсутністю промислового випуску швидкотвердіючих (менше 1 год), низькотемпературних (з температурою плавлення і полімеризації 30 - 100 ^оС) порошків і створенням відносно дорогого спеціального технологічного устаткування. З метою вологозахисту застосовуються покриття виробів емалями і спеціальними лаками.

Для лакових покрить характерна мала товщина (50...100 мкм), що необхідно для видалення розчинника при твердінні. Мала товщина може бути недостатньою для захисту. Вологозахист тонкими поверхневими шарами лаків і емалей не може забезпечити високу вологостійкість виробів, які повинні довгостроково працювати у вологому кліматі (30 - 56 діб і більше).

У цих умовах товщина захисного шару має бути понад 1 мм, що недосяжно у випадку застосування лакофарбових покрить. Необхідність нанесення 3 – 4 - шарового покриття для додання необхідних волого- і діелектричних захисних властивостей, тривалість процесу, великі втрати матеріалу призвели до того, що захист вузлів РЕА лаками неухильно знижується.

Причини, на підставі яких лаки, незважаючи на обмежені захисні властивості, усе ще знаходять досить широке застосування для герметизації: дешевина сировини; низька трудомісткість; незначні зміни розмірів виробів, що покриваються. Лаки застосовують для покриття поверхні друкованих плат, резисторів, керамічних конденсаторів і т. ін.

Так, широко використовуються для вологозахисту РЕА лаки ЕП 730, ЕП 9114, емаль ЭП 974М.

При ряді позитивних властивостей загальним недоліком лаків і емалей є дуже низька теплопровідність.

Вибір герметизуючих матеріалів и методу герметизації

На підставі аналізу обрані такі герметизуючі матеріали: теплопровідний заливальний компаунд К-5 із наповнювачем рубіном синтетичним і з ситалу марки СТ-50-3; теплопровідний еластичний заливальний компаунд ЕТ-2.

Вибір заливальних теплопровідних компаундів К-5 і ЕТ-2 визначився сполученням високих електроізоляційних, фізико-механічних і теплофізичних властивостей та технологічністю (низька в'язкість, твердіння при кімнатній температурі). Для герметизації мікрозборок обраними матеріалами застосовувався метод заливання компаундів у пластмасові ковпачки (наприклад, з полістиролу УПМ-ОЗЛ ОСТ 6-05-406-80).

Нижче наведена рецептура компаундів:

Компаунд К-5, ваг.ч.:

Смола епоксидна ЕД-20 - 100

Смола епоксидна ЕТФ-10 - 20

Поліетиленполіамін - 15

Рубін синтетичний (чи ситал СТ-50-3) (40-100 мкм) ± 200

Примітка. Допускається заміна смоли епоксидної ЕТФ - 10 на дибутилфталат.

Компаунд ЕТ-2, ваг.ч.:

Каучук синтетичний СКТН-4 - 100

Каталізатор № 18 (чи № 1) - 4

Рубін синтетичний (40-100 мкм)- 250