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 отверждения 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 в 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 водоэмульсионные 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...400К. 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, 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...210 К, и годятся для герметизации столь чувствительных к механическим нагрузкам материалов, как высокоиндукционпые 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 радиациоиноотверждаемые компаунды требуют обработки «на холоде» лишь в течение 15...30 с, что позволяет резко повысить производительность при экономии площадей и энергии.