ПОЛИМЕРЫ

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭМАЛИ, ЛАКИ И КОМПАУНДЫ

Общая черта этих материалов состоит в том, что они образуют прочную твердую пленку, способную защищать, пассивировать поверхность изделий или придавать им товарный вид.

Компоненты современной РЭА и ее сборочные единицы—ра­диоэлектронные ячейки—имеют небольшие размеры, почти не содержат механически перемещаемых деталей, часто вскрывае­мых крышек или отверстий. Это создает возможность защищать блоки и ячейки пленкой—сплошной оболочкой из лака, эмали или компаунда. Такой способ защиты и одновременно придания прочности называют бескорпусной герметизацией. Он обладает преимуществами по сравнению с герметизацией в корпусе (деше­визна, технологичность, малые размеры, возможность полной автоматизации). Однако такие оболочки, непосредственно примы­кающие к поверхности твердотельного активного прибора или проводника и резистора, могут не только подавлять массообмен между изделием и внешней средой, но и участвовать в нежела­тельных физико-химических процессах, влияющих на работоспо­собность РЭА. В этом случае необходимо учитывать и физиче­скую, и химическую совместимости материалов, что ставит перед конструктором новые, трудные задачи.

Дестабилизирующие процессы в результате взаимодействия твердотельного прибора или элемента с атмосферой протекают обычно медленно, а их проявления неочевидны и многообразны. Среди них—коррозия пленочных и печатных проводников, элек­тромиграция, механические напряжения и деформации, обрывы внутренних проволочных соединений и др. В силу своей природы особенно чувствительны к внешним воздействиям полупроводни­ковые приборы, для защиты которых приходится использовать комбинацию материалов и методов. Лаки, эмали и компаунды применяют не только в качестве оболочек компонентов, но и для герметизации крышек корпусов РЭА и ее блоков, а также для пропитки моточных изделий, волокнистых и листовых наполните­лей при изготовлении слоистых пластиков. В этом случае их называют пропиточными.

Лаки — это растворы пленкообразующих веществ (лаковой основы) в летучих жидкостях. Лаковой основой могут быть при­родные искусственные или синтетические полимеры, которые после нанесения пленки и испарения растворителя в результате химических реакций окисления, полимеризации или поликонден­сации отверждаются, образуя плотное и прочное покрытие.

Лаки, требующие для (утверждения температуры, большей 343 К (70 °С), называют лаками горячей (печной) сушки, в отли­чие от лаков холодной (воздушной, естественной) сушки. Как и в случае эпоксидных смол, преимущества имеет отверждение в го­рячем состоянии, когда химические процессы происходят более глубоко и полно. Благодаря применению растворителей лаки мо­гут иметь меньшую вязкость, чем эмали и компаунды, и поэтому особенно пригодны в качестве пропиточных материалов.

Если лак используется в виде защитной пленки, требуется, чтобы это покрытие обладало хорошей адгезией, было нехруп­ким, стойким к термоударам и нагреванию во влажной атмосфе­ре. Иногда необходимо, чтобы лаковое покрытие можно было бы пропаять для повышения ремонтоспособности изделия. Большин­ству предъявляемых требований удовлетворяют эпоксидные лаки, но недостаток их в трудностях удаления пленки при ремонте.

Лаковые покрытия являются относительно плотными только при малой толщине (15 ... 75 мкм), слои большей толщины отверждаются с образованием капилляров диаметром 1 ... 10 мкм, через которые удаляются пары растворителя. Поэтому увеличе­ние толщины покрытия сверх 100 мкм неэффективно, а столь тонкие лаковые покрытия надежно служат только в атмосфере без повышенной влажности. Лаки прозрачны и бесцветны и не­способны придать изделию товарный вид.

Наиболее эффективными защитными характеристиками обла­дает фторосодержащий лак ФП-525. Время сушки лака велико (1 ...2ч) и значительно превышает длительность всех других операций герметизации. Большой выигрыш в производительности можно получить при сушке ультрафиолетовым излучением, когда операция завершается за 15 ... 30 с.

Эмали—пигментированные лаки. Пигментом в лакокрасоч­ном производстве называют тонкодисперсные порошки неорга­нических веществ, предназначенные для введения а лак путем растирания пасты. Обычно пигментами служат оксиды металлов, которые окрашивают покрытия и делают их непрозрачными (придают укрывистость), повышают механическую и абразивную прочность, защищают металл от коррозии. Так, эмаль, содержа­щая сурик (Рb3О4), замедляет коррозию черных металлов, окись цинка — алюминия. Пигменты в виде металлических порошков способствуют отражению света и защищают детали от перегрева при солнечном освещении. При наполнении медью, золотом, се­ребром эмали могут обладать хорошей электропроводностью, что позволяет использовать их в качестве проводников толстопленочных ГИС и экранировки аппаратуры. Содержание пигмен­тов в эмалях составляет 100 ... 150% от массы пленкообразую­щего полимера, поэтому они имеют меньшую, чем лаки, способ­ность проникать в трещины и поры и впитываться в волокнистые материалы. Необходимо также учитывать возможности химиче­ского взаимодействия лака и пигмента, поскольку реакционная поверхность пигмента очень велика—около 1 м2/г.

Эмали, как и лаки, пористы, вследствие чего могут набухать в атмосфере, содержащей пары воды, но особенно органических веществ. Вода может проникать сквозь пленки также под дейст­вием осмотического давления.

Вследствие двухкомпонентной природы эмали разрушаются под внешними воздействиями быстрее, чем лаки, из-за так назы­ваемого процесса меления—разрушения с поверхности, сопро­вождающегося потерей глянца и уменьшения толщины.

Работа с эмалями и лаками осложнена из-за токсичности и пожароопасности растворителей. Значительно большей техноло­гичностью обладают эмали, в которых вместо органических рас­творителей используется вода—так называемые водноэмульсионные эмали. При работе с ними улучшаются условия труда, осуще­ствляется механизация процесса герметизации. Такие эмали получили широкое распространение в практике герметизации, они выпускаются под маркой ВАС № 980.

Одним из традиционных направлений совершенствования эма­лей является снижение содержания в них растворителя. Напри­мер, в новой эмали ЭП-974 концентрация растворителя лишь 10%, тогда как в широко распространенной ЭП-91—60%. Эмаль с малым содержанием летучих веществ, подлежащих удалению при сушке, можно наносить более толстым—до 300 мкм—слоем, что обеспечивает длительную защиту от влаги.

Компаунды—смеси полимеров с различными добавками, не содержащие летучих растворителей и отверждающиеся без вы­деления газо- или парообразных веществ. Отсюда следуют их преимущества по сравнению с лаками и эмалями—отсутствие пористости даже в сравнительно толстом слое (0,5 ... 1 мм), вы­сокая химическая стойкость и электрическая прочность. Следует отметить, что неотвержденные компаунды далеко не всегда обла­дают жизнестойкостью, достаточной для наиболее удобной орга­низации работ по принципу централизованное производство— применение готовых смесей. Необходимо иметь запас с учетом затрат времени на транспортировку, минимальная жизнестой­кость такой смеси должна быть не меньше 3 месяцев.

К сожалению, многие ценные и распространенные компаунды начинают гелировать с повышением вязкости уже через 40 ... ... 60 мин после смешения компонентов, что вынуждает готовить их на месте и в небольших количествах. Это резко: затрудняет возможность механизации и требует ручного труда в неблагопри­ятных условиях.

Свойства компаундов определяются прежде всего видом поли­мерного связующего, которыми в большинстве случаев являются ФФС, эпоксидные смолы, кремнийорганические полимеры, и особенно сложные сополимеры из тех же компонентов. Базовой рецептурой можно во многих случаях считать компаунд ЭК-23, пригодный вследствие невысокой вязкости для герметизации за­ливкой, отверждающейся при 350 К в течение 30 мин с диапазо­ном рабочих температур 210 ... 400 К. На его основе выпускают­ся также компаунды с пониженной коррозионной активностью (ЭК-23А), с повышенной жизнестойкостью (ЭК-39), огнестойкий (ЭК-41).

Компаунды могут быть не только жидкими, но и твердыми при предварительном увеличении степени полимеризации. Но они сохраняют легкоплавкость, и разница состоит лишь в способе на­несения. Технология герметизации порошковыми (а также таблетируемыми, гранулированными) компаундами проще, а условия труда лучше, чем с применением жидких, однако оборудование сложнее, а выбор смесей с приемлемыми температурами плавле­ния и отверждения невелик. Порошковые эпоксидные компаунды имеют шифр ПЭК. Компаундам можно придать тиксотропные свойства введением в них асимметричных наполнителей: аэроси­ла—тонкодисперсного кварца, талька с удельной поверхностью 1 м2/г. Такие компаунды пригодны для герметизации методом «окукливания» за счет сравнительно толстого покрытия (0,5 ... ...0,8 мм), образующегося за один цикл при погружении изделий в ванну при вибрации на 15 ... 30 с. После этого компаунды ЭК-43, ЭК-242 отверждаются при нагреве до 373 К, ЭК-91 и ЭК-93—«на холоду». Очевидно, что два последних компаунда применимы, когда нагрев изделия недопустим. К сожалению, их жизнестойкость очень низка.

Эластичные компаунды нашли наиболее широкое применение для герметизации ИС. которые чувствительны к деформирующим усилиям, неизбежным при использовании жестких компаундов, какими являются, например эпоксидные. Другие дополнительные требования к материалам для герметизации ИС: минимальное влагопоглощение и содержание ионогенных, способных выделить ионы С1-,SO42-, Na+ примесей, устойчивость к кристаллизации, так как полимеры должны находиться в высокоэластичном со­стоянии во всем диапазоне рабочих температур (210 ... 400 К).

Основой эластичных компаундов являются различные кремнийорганические полимеры и их смеси с эпоксидными смолами. Разработанные составы, например КМ-9, эластичны даже при 220 ... 210К, и годятся для герметизации столь чувствительных к механическим нагрузкам материалов, как высокоиндукционные ферриты и пермаллои. Для герметизации ответственной РЭА нашли применение кремнийорганические компаунды ПДИ-21 и «Виксинт». причем их лучшие свойства проявляются лишь после неоднократного вакуумирования, для удаления газовых пузырь­ков и тщательной очистки герметизируемой поверхности. По­следнее особенно необходимо для обеспечения адгезии, которая у кремнийорганических полимеров значительно ниже. чем у эпоксидных смол.

Оптически прозрачные компаунды необходимы при герметиза­ции оптоэлектронных приборов — фотоприемников, светодиодов, оптопар. В производстве светодиодов компаунду иногда придают форму линз, концентрирующих световой поток. Кроме того, про­зрачные покрытия оказываются удобными для защиты печатных плат: в этом случае возможен контроль правильности и целост­ности коммутации с помощью прокалывающих щупов. Прозрачен эластичный компаунд КМ-9, порошкообразный компаунд ОП-429 обладает 90%-ным пропусканием в сравнительно толстом слое (20 мм) и пригоден, как и оптически прозрачные термопласты (оргстекло и полистирол), для изготовления оптических деталей. К сожалению, все органические материалы не обладают столь высокой твердостью, как силикатные стекла, и поэтому легко повреждаются механически.

Для резкого повышения скорости отверждения компаундов начинается применение облучения ускоренными электронами. Такие радиационноотверждаемые компаунды требуют обработки «на холоде» лишь в течение 15 ... 30 с, что позволяет резко по­высить производительность при экономии площадей и энергии.