1.17. Технология герметизации сау

САУ эксплуатируется в различных климатических условиях, и на ее надежность оказывают влияние и температура окружающей среды, и влажность, и наличие микроорганизмов, и пыль, и радиация.

Под действием температуры изоляторы деструктируют, что снижает их физико-механические свойства, выделяются летучие вещества. Повышение температуры способствует увеличению их влажности по глубине и объему, повышает хрупкость, а также увеличивает влияние других факторов.

Влага проникает в поры материала, вызывает возрастание диэлектрических потерь, паразитных емкостей, снижение изоляционных свойств диэлектриков, магнитных характеристик и нарушения режимов работы электрических цепей.

Молекулы воды, растворяя углекислый газ, сернистые и другие соединения вызывают химическую и электрохимическую коррозию металлических поверхностей.

Существенно усугубляют эти процессы микроорганизмы (плесень, бактерии), выделяя продукты жизнедеятельности, состоящие из разнообразных органических кислот.

Пыль адсорбирует влагу, является сборником органических веществ.

Солнечная радиация – тепловое + УФ излучения – способствует окислению и химическому разложению полимеров, изменению электрических свойств материалов.

Для защиты САУ от климатических воздействий применяют герметизацию элементов, сборочных единиц и изделий в целом. Герметизация обеспечивает стабилизацию процессов на поверхности функциональных блоков или в их объеме, параметров САУ при изменении состояния окружающей среды.

Все методы герметизации условно делят на две группы: бескорпусную и корпусную изоляции.

К бескорпусной изоляции относятся пропитка, обволакивание и пассивирование.

Ко второй группе относят герметизацию изоляций в корпусах из неорганических материалов, литьевым прессованием, заливкой и капсулированием.

При герметизации необходимо выполнение следующих условий:

1. Перед влагозащитой требуется тщательно очистить изделия от всех видов загрязнений и полностью удалить из них влагу.

2. При выборе материалов предпочтение отдается химически чистым материалам, они должны обладать низкой влагопроницаемостью, высокой нагревостойкостью и отсутствием релаксационных процессов образования поверхностных электрических зарядов.

3. Температурные коэффициенты линейных расширений (ТКЛР) герметизирующих материалов, материалов корпусов изделий и электрических выводов должны быть максимально близкими.

4. Режимы отверждения герметизирующих материалов выбирают исходя из температуры эксплуатации САУ с учетом нагревостойкости конструкционных материалов и ЭРЭ САУ.

5. Остаточные напряжения должны быть прочности на разрыв герметизируемого материала изделия, а изделия, чувствительные к механическим усилиям, покрываются демпфирующим слоем из эластичного материала.

6. Герметики в процессе эксплуатации не должны дегазировать.

7. Герметики на стадии их изготовления не должны загрязнять исходные материалы, окружающую среду, а растворители должны быть удалены при полимеризации.

Выбор типа герметика и ТП герметизации САУ зависит от условий эксплуатации САУ и от экономических факторов. В промышленности используется значительный перечень герметиков, каждый из них характеризуется комплексом электроизоляционных, теплофизических и механических свойств.

Кроме того, герметики должны обладать приемлемыми технологическими свойствами: скоростью отвердения, температурой полимеризации, требуемым давлением ( ), усадкой, летучими веществами, сроком эксплуатации, токсичностью.

В основном для герметиков используют органические полимеры и композиции на их основе: термопластичные и термореактивные. Они характеризуются доступностью сырья, простотой переработки, широким диапазоном свойств, возможностью автоматизации ТП, экономичностью.

К термопластикам для герметизации относятся полиэтилен, полистирол, фторопласты, полиамиды, полиимиды. У них высокие диэлектрические и механические свойства.

Термореактивные материалы обладают более высокой нагревостойкостью, их применяют при герметизации изделий в целом. Они образуются на основе поликонденсационных смол (фенолоальдегидных, полиэфирных, эпоксидных), полиуретанов, кремнийорганических материалов, каучуков и их сочетаний.

Для герметизации находят применение и неорганики, которые практически не адсорбируют влагу, обладают высокой нагревостойкостью и стойкостью к воздействию механических нагрузок, не дегазируют. Из них изготавливают вакуум-плотные корпуса (металлические, стеклянные, керамические) или наносят защитные покрытия (легкоплавкие халькогенидные стекла, окисные пленки кремния или алюминия, нитриды кремния).

Использование вакуум-плотных корпусов усложняет сборку и герметизацию САУ, требует дополнительных материальных, людских и экономических затрат, затрудняет механизацию и автоматизацию ТП. Поэтому их применение целесообразно при особо жестких требованиях к САУ.

Пленочные защитные покрытия, толщиной 0,5÷10,0 мкм, применяют в производстве ИС на стадии изготовления.

По виду полимерные материалы герметиков делят на лаки, эмали и компаунды.

Пропиточные лаки состоят из пленкообразующих веществ (масел, натуральных или синтетических смол) и растворителей, часто с добавкой пластификаторов, ускорителей отверждения (сиккативы) и фунгицидов (противогрибковых веществ). Для пропитки катушек индуктивности магнитопроводов, деталей из текстолита, гетинакса и стеклотекстолита чаще используют алкидномеламиновый лак (МЛ-92), алкиднофенольный лак (ФЛ-98), кремнийорганический лак (КЛ-835), полиэфирноэпоксидный лак (ПЭ-933) и др. Все перечисленные лаки могут применяться и как покровные при обволакивании.

Для влагозащиты ПП (печатных плат), гибких кабелей, высокочастотных ячеек применяют лаки УР-231, ЭП-9114, ЭП-730, ФЛ-582, ФП-525. Однако высокое содержание растворителей в лаках не позволяет полностью ликвидировать пустоты, затрудняет сушку, усложняет ТП и делает его пожаро- и взрывоопасным. Более предпочтительными являются маловязкие составы без растворителей. Это эпоксидные (ЭПК-5, ЭПК-6), эпоксидно-метакриловые (КП-101, КП-103, ЭПМ-1), полиуретановые (КТ-102) и другие пропиточные компаунды.

Компаунды – механические смеси, без растворителей, на основе полимерных материалов, отвердителей, наполнителей, пластификаторов, пигментов и специальных добавок. Наиболее широко в производстве САУ применяются эпоксидные компаунды, что обусловлено их высокими техническими свойствами (хорошей адгезией, малой усадкой, высокой электрической прочностью (мало влияет увлажнение и нагревание), высокой механической прочностью, низкой влагопроницаемостью). Однако при температурах T=110÷130 ˚C их электрофизические характеристики снижаются.

Для заливки трансформаторов (НЧ и ВЧ), выпрямителей и функциональных блоков применяют эпоксидные компаунды (ЭЗК-6, … ЭЗК -10, … ЭЗК -13, ЭЗК-67-1), для линий задержки, импульсных трансформаторов и дросселей, магнитных матриц ЭВМ – эпоксиднотиоколовые компаунды (10÷200, 12÷200), для толстопленочных микросборок – эпоксидные компаунды на основе вязкомолекулярного каучука (30-317Д, 31-138ДФ).

Эластичные кремнийорганические компаунды типа «Виксинт», «Эластосил» и др. обладают повышенной (до 250 ºС) нагрево- и влагостойкостью, низкими внутренними напряжениями, способностью отвердевать при нормальных комнатных условиях (большинство). Их применяют для защиты полупроводниковых приборов и ИС, катушек индуктивности из микропроводов, магнитопроводов из феррита и пермаллоя. Но эти компаунды обладают низкой адгезией и механической прочностью.

Они дегазируют продукты, ускоряющие коррозию металлов, и толщина заливочного состава не должна превышать 2÷3 мм. Порошковые составы герметиков на основе эпоксидно-кремнийорганических и полиэфирных смол обладают высокими техническими свойствами, приемлемой технологичностью, допускают механизацию и автоматизацию, при термообработке быстро (5 мин) затвердевают при малых (0,5÷5,0 Мпа), удельных давлениях.

Для герметизации методом напыления применимы компаунды ЭП-49С, ПЭП-117, ЭПВ-10.

Для пресс-изолирования применяют порошкообразные таблетированные компаунды УП-2193, ЭПК-5, ПЭК-19, КД-2 или быстроотверждаемые опрессовочные компаунды «премикс» – КЭП-2, КФ-1, ЭКП-200, ЭФП-63.

Порошкообразные компаунды применяют для герметизации ЭРЭ, ГИС, транзисторов, коммутационных и др. малогабаритных изделий для эксплуатации в тропиках. Пенокомпаундные – газонаполненные полимерные материалы имеют ячеистую структуру, образованную замкнутыми порами. Вспенивание происходит под действием газов, выделяющихся в результате взаимодействия компонентов с последующим спеканием гранул при T=60÷180 ºC.

Их применяют для повышения тепло-, звуко- и электроизоляционных свойств САУ, а также влаго- и вибростойкости, устойчивости к действию масел, щелочей, грибковой плесени на ЭРЭ, блоков и изделий в целом, а также для фиксации ЭРЭ в аппаратуре. К этой группе герметизирующих материалов относятся пенополиуретаны ПУ-101Т, ППУ-3М-1, вспенивающийся полистирол (ПСВ), кремнийорганический пенопласт (К-40), пеногерметики на основе низкомолекулярных кремнийорганических каучуков («Силпен», ВПГ-2), пеноэпоксиды (ПЭ-9, ПЭН-И-80К) и др.

Кроме того, для защиты изделий или отдельных их участков поверхности применяют эмали. Эмали – это составы, в которые кроме пленкообразующих веществ введены частицы наполнителей и пигментов. Область назначения – отделочные работы при герметизации изделий.

Структура ТП герметизации включает операции: входного контроля материалов и деталей; подготовку форм, капсул и корпусов; приготовление герметизирующих составов; подготовку герметизируемых изделий; герметизацию изделий; контроль качества герметизации. При входном контроле оцениваются технологические и физико-механические свойства материалов, качество изделий по механическим, эргономическим и функциональным показателям.

Наиболее важные технологические свойства материалов – вязкость, текучесть, легкость извлечения из формы, усадка, прочность сцепления с выводами, жизнеспособность, степень экзотермичности и др. От вязкости зависит степень заполнения щелей, пор и капилляров, а также остаток в материале воздушных включений. При вязкости жидких компонентов ≈5000 сП (стокс) для заливки и ≈100 сП для пропитки ТП герметизации проходит нормально. Однако при малой вязкости имеет место сильная усадка материала полимера, что ведет к возникновению значительных внутренних напряжений, повышению хрупкости и снижению электрических характеристик и теплопроводности. Поэтому в ТП необходимо автоматизировать процесс стабилизации вязкости герметизирующей композиции. Для этих целей находят применение ультразвуковые вискозиметры, работающие на принципе измерения затухания УЗ колебаний, возбуждаемых электромагнитным вибратором, достаточно точно при T=+90÷+340 ºC.

Текучесть пластмассы зависит от ее состава, типа смолы, вида и количества наполнителя, а также режимов полимеризации. Текучесть определяется длиной спирали в пресс-форме со спиральным каналом при определенных , давлении , массе и скорости ее подачи. Текучесть порошкообразных материалов определяют длиной следа, полученного от таблетки вещества массой в 1 г и диаметром 12 мм за время 5 мин, на металлической пластине, установленной под при .

Экспериментально установлено, что изделия и монтажные соединения не повреждаются при герметизации жидкими компонентами, если текучесть материала не менее 500÷700 мм в пресс-форме со спиралевидным каналом, а скорость ее подачи не более 5÷10 см/с. Усадка определяется линейными размерами прессованного изделия. Отверждение компаунда часто носит экзотермический характер, т. е. проходит с выделением тепла.

При наличии значительной массы отвод тепла затруднен, а композиция интенсивно разогревается. Это является причиной химического разложения, образования пор, трещин (пустых). Для оценки степени экзотермичности составляют график

.

При высокой прочности сцепления выводов с полимером обеспечивается влагозащита.

Контроль адгезионных свойств осуществляют на пробных образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения по величине усилия извлечения вывода из герметика вдоль оси вывода.

Используемые при герметизации формы разделяют на съемные и несъемные. Первые изготавливают из высококачественных инструментальных сталей или алюминиевых сплавов, а вторые – как из металлов, так и из термореактивных пластмасс (кремнийорганических каучуков, полиуретанов и др.). Для уменьшения адгезии к форме, рабочие поверхности последней полируют, хромируют или плакируют фторопластом, иногда покрывают антиадгезионной смазкой. Для снижения адгезии с формой используют полиизобутилен, каучук, поливиниловый спирт и др. Смазка наносится кистью тонким слоем с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 15÷30 мин.

При многократном использовании форм, последние сушат при T=+180÷+200 ºC в течение 2 ч.

Формы из металла применяют для крупногабаритных изделий в мелкосерийном и серийном производстве. Более экономичны пластмассовые корпуса форм, их можно объединять в многоячеечные комплексы.

Герметизирующие составы чаще всего представляют собой многокомпонентные системы. Их перед использованием смешивают в определенном соотношении. Качество приготовленной смеси определяется точностью дозирования компонентов и однородностью смеси, т. е. готовая смесь должна быть гомогенной по составу. Для приготовления гомогенной смеси применяют различные смесители (миксеры) с продавливанием смеси, для повышения однородности, через сита.

Заканчивается процесс приготовления герметика удалением газов. Для этих целей используют вакуумные камеры с подогревом, при этом удается удалить до 98 % влаги. Такая герметизирующая масса шнеком через фильеру подается в герметизирующее оборудование. При необходимости понижения содержания газов в герметике его обезгаживают (дегазируют) многократно.

Для удаления загрязнений с поверхностей герметизируемых изделий применяют различные материалы и оборудование. В том числе растворители, УЗ или механические воздействия абразивом. При их выборе учитывают характер загрязнения, требования к качеству, материал изделия, его физико-химические свойства (термостойкость, прочность), форму и размеры изделий, требования техники безопасности и противопожарной техники, экономичность процесса.

Перед герметизацией из изделия удаляется влага путем его нагрева до температуры выше температуры кипения воды (рис. 1.17.1). В зависимости от способа нагрева герметизируемых изделий различают: конвекционную, радиационную и индукционную сушки.

Рис. 1.17.1

Конвекционная сушка – это естественная или принудительная циркуляция нагретого воздуха. Ее недостатки: высокая неравномерность температуры по объему, низкая производительность и качество сушки.

Радиационная сушка – это сушка в ИК излучении. Она более производительна и более эффективна. Для радиационной сушки применимы лампы накаливания с отражателями, теплоизлучающие панели с подогревом газовыми горелками или электронагревателями. Этот метод обеспечивает высокую чистоту процессов, низкие градиенты температур по поверхности изделия и/или локальность нагрева поверхности, но по глубине имеют место значительные градиенты температур, что обусловлено малой глубиной проникновения ИК из-лучений, и характеризуются как недостаток.

Индукционная сушка осуществляется в поле высокой частоты вследствие нагрева при увеличении диэлектрических потерь. Этот метод характеризуется равномерностью нагрева материала по всей толщине, независимостью от формы и размеров, высокой производительностью. Его недостаток – недопустимость наличия в изделии токоведущих элементов.

Производительность процесса сушки в любом случае определяется скоростью испарения влаги с поверхности и скоростью ее подвода из внутренних слоев к поверхности. В общем виде выражение, описывающее скорость испарения, имеет вид:

,

(1.17.1)

где – коэффициент испарения, учитывающий аэродинамические условия сушки и физические свойства испаряющейся жидкости; – площадь поверхности; и – давления водяных паров на поверхность материала и в окружающей среде.

При наложении вакуума процесс интенсифицируется, и при подогреве еще ускоряется, так как при растет , а при и снижается температура кипения воды.

Совмещение операций сушки и пропитки изделия устраняет поглощение влаги изделием на этапе межоперационного транспортирования. Скорость подвода влаги из объема материала к его поверхности описывается выражением вида

i=kj∆M+it

(1.17.2)

где – плотность испаряемого вещества; – коэффициент влагопроводимости материала изделия; – разница влажности у поверхности и внутри изделия; – поток влажности, определяемый разницей температур на поверхности и внутри материала изделия. О качестве сушки судят по изменению массы образцов или по сопротивлению изоляции.

Бескорпусная герметизация производится нанесением различными методами тонких и сверхтонких покрытий из органических и неорганических материалов. Пленки из неорганических материалов, обладая малой толщиной, значительной пористостью и низкой механической прочностью, выполняют в основном защитно-пассивные функции, т. е. снижают химическую активность с окружающей средой. Высокая чистота неоргаников и их способность по стабилизации параметров деталей позволяют их использовать в качестве промежуточных слоев перед нанесением дополнительных полимерных покрытий или перед герметизацией в корпусах.

Получение пленок из неорганических материалов методами испарения в вакууме обеспечивает их химическую чистоту, исключает термическое воздействие на изделие и позволяет применять материалы с высокой нагревостойкостью.

Более производительны и технологичны термические методы покрытий, но они приемлемы для изделий, допускающих высокотемпературный нагрев. Так, слои окисла алюминия получают, например, пиролизом алюминиевых веществ при T=+350÷500 ºC.

Пленки создают окислением при T=+850÷1200 ºC в атмосфере сухого кислорода или в парах воды при T=+500÷900 ºC и высоком давлении. Получение в сухом отличается низкой скоростью роста , но при этом пленки обладают меньшей пористостью и лучшими электрическими характеристиками. На поверхностях, не содержащих , пленки получают в результате пиролиза алгосилоксанов при T=+700÷90 ºC, а также пиролиза галогенов кремния при T=+1000÷1200 ºC.

Лучшими защитными свойствами (по сравнению с ) обладают пленки нитрида кремния ( ). Они замедляют диффузию различных загрязнителей (Al, Cu, H₂O, Na, Li, K и др.) из окружающей среды к поверхности изделия.

Основной метод получения пленок – азотирование силана аммиаком при T=+650÷+950 ºC. Особенно эффективно двухслойное покрытие . Стеклянные пленки позволяют не только пассировать поверхности, но и защищать ими изделия без дополнительной герметизации. Для этого используют щелочные стекла высокой чистоты – фосфоросиликатные и боросиликатные.

Наносят стекла пиролитическим разложением тетраэтоксилана при T=+350÷400 ºC в окислительной среде ( ) с введением в зону реакции газообразных соединений фосфора, бора или оплавлением стеклопластмассы из мелкодисперсного порошка ( ) и спирта при T≤T_{размягчения стекла}.

Защитные покрытия из органических материалов также применяются для пропитки и обволакивания.

Пропитка – процесс герметизации гигроскопических изделий путем заполнения пор, капилляров, воздушных зазоров диэлектрическими материалами, которые могут оставаться жидкими, вязкими или отвердевшими. Пропитку проводят при отсутствии избыточного давления (открытая пропитка), в вакууме и путем чередования низкого и высокого давления (циклическая пропитка) при центрифугировании и при воздействии УЗ поля. Открытая пропитка приемлема при центрифугировании, находит применение при изготовлении обмоток трансформаторов, дросселей, двигателей, например шаговых.

Для ускорения полимеризации лака изделия во время пропитки подогревают либо ИК излучением, либо пропусканием тока через обмотку. Этот процесс легко автоматизируем, он исключает потери пропиточного материала и не меняет внешний вид изделий.

УЗ пропитка осуществляется при возбуждении продольных акустических волн, в результате кавитационных явлений повышается эффективность проникновения герметика в поры и капилляры изделия. Она повышает производительность ТП, но требует применения сложного оборудования.

Обволакивание – покрытие изделия (по внешним поверхностям) путем его погружения в жидкий лак или компаунд с последующим их отверждением. Его ТП очень прост и экономичен.

Для повышения эффективности (скорости, качества) изделия подвергают вибрации в погруженном состоянии, так как лучше удаляются пузырьки воздуха и повышается вязкость тиксотропных составов. Тиксотропными свойствами обладают фенольные, эпоксидные и кремнийорганические лаки.

Для получения монолитных покрытий толщиной в 1÷3 мм изделия подвергают погружению несколько раз с промежуточными сушками. Для уменьшения разброса характеристик печатных плат (ПП), последние также погружают в лак или поливают лаком с последующим центрифугированием.

Для использования вместо жидких порошковых составов прибегают к вихревому напылению в электростатическом поле (в поле двух электродов анод – металлическая сетка, где катод – покрываемое изделие). При потенциале ≈90 кВ коронный разряд заряжает частички порошка положительным зарядом, что обеспечивает бомбардировку изделия + частицами порошка. Порошок для облегчения процесса, взвихривается сжатым воздухом через сетку анода.

Нанесенный слой оплавляют под действием ИК лучей или в печи, при этом при разовом покрытии толщина покрытия достигает 0,05÷0,02 мм. Время напыления зависит от материала порошка, потенциалов, размеров и формы изделия. Сверхтонкие (1÷5 мкм) полимерные покрытия выполняют защитно-пассивирующие и демпфирующие функции.

Заливка – процесс заполнения лаками или компаундами свободного пространства между изделием и специальной объемной формой. Заливка проводится в вакууме (остаточное давление – 4,0÷6,5 кПа), при повышенном давлении или при избыточном давлении в 0 Па.

ТП заливки включает фиксацию изделия в подготовительной форме, заливку формы дозирующим устройством обезгаженного герметика и его отвердение при комнатной или повышенной температуре в течение времени, превышающего сутки. Для улучшения качества заливки изделие предварительно пропитывают.

Метод заливки применим при герметизации оптоэлектронных приборов прозрачными эпоксидными смолами. Они прозрачны на 80÷95 % при толщине до 3 мм в диапазоне длин волн 300÷800 нм и T≤+125 ºC.

Основные параметры опрессовки: температура (T=+110÷170 ºC), давление (P=0,5÷5,0 Мпа), время (t=3÷5 мин).

Герметизация капсулированием используется для влагозащиты безкорпусных элементов и микросборок САУ. Она включает изготовление открытого корпуса (капсулы) из легкого деформируемого материала (например, алюминия), размещение в нем изделия выводами наружу, заливку компаундом до верхнего среза капсулы и его отверждение.

Качество герметизации зависит от модуля упругости, ТКР, влагопроницаемости материала герметика, а также адгезии заливочного компаунда к поверхности капсулы и выводов ЭРЭ.

Недостатки капсулирования – низкая экономичность автоматизации малогабаритных изделий из-за малой жизнеспособности компаунда, трудоемкости его дозирования и высокой стоимости оборудования. Эти недостатки компенсируются или устраняются при использовании порошкообразных материалов, из которых прессованием при P=45÷50 Мпа изготавливают калиброванные по массе таблетки требуемой формы.

Герметизация изделий в вакуум-плотных корпусах из неорганических материалов целесообразна для защиты элементов и микросборок с краткосрочной технологической защитой. Она характеризуется повышенной надежностью при хранении и эксплуатации за счет заполнения пустот инертным газом и обеспечения нормального теплового режима; ремонтопригодностью, возможностью сочетания общей герметизации с локальной герметизацией безкорпусных наиболее ответственных (в функциональном смысле) изделий; экономичностью, сокращением числа циклов ТП в общем производственном процессе производства САУ.

Вакуум-плотные корпуса состоят из основания, крышки, выводов (НЧ, ВЧ и СВЧ), проходных изоляторов и, при необходимости, откачных трубок.

Качество герметизации определяется выбором материалов и их сочетанием, а также надежностью получаемых соединений.