Применение синтетических смол для заливки устройств электроники быстро растет с начала 1940-х годов. Несомненно, оно будет расширяться еще длительное время, так как йепрерывно иаходятся новые объекты для его применения. Это подтверждает обзор технической литературы. Те, кто использует заливку, могут только удивляться тому, как до сих 1пор электро- и радиотехническая промышленность могла обходиться без этой технологии. В частности, целый ряд изделий военного назначения трудно было бы выпускать без тех преимуществ, которые дает Способ заливки. Применение заливки в относительно короткие сроки существенно улучшило качество продукции и разрешило целый ряд тех-. нологических проблем.

Интересно отметить, что способ заливки .не совсем новый. На самом деле сегодня в это понятие вклюла-ются современные материалы и новые технологические приемы. Однако уже с зарождения электротехнической промышленности электроизоляционная техника имела очень важное значение. До того как стали доступны существующие в настоящее время многочисленные синтетические заливочные материалы, в электротХ1нической промышленности широко применялись .воски и битумные компаунды. Хотя эти материалы оправдывали свое использование, они имеют М.НОГО слабых сторон. Наибольшим ИХ недостатком является ограниченность интервала рабочих температур. Недостаточная нагревостойкость ставит под сомнение возможность .применения восков и битумов для длительной эксплуатации в объектах, подверженных действию повышенных температур.

Синтетические материалы, применяемые в настоящее время для заливки, явились результаго-м многолетних изысканий. Одно из первых применений синтетических смол для этой цел и. относится примерно к 1906 г., когда Баталанд получил фенольную литьевую смолу. Однако область ее ишользювания была ограничена тенденцией к растрескиванию в отливках сложной формы или больших размеров.

Фенольные литьевые омолы нашли лишь ограниченное применение для заливки электронного оборудования, так как в их состав входит кислый катализатор, который из-за корродирующего действия вредно влияет на элементы схемы и компоненты устройств.

Значительный успех в разработке герметизирующих, пропитывающих и заливочных материалов .был сделан во время второй .мировой войны и после нее. К вновь разработанным материалам относятся полиэфирные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические материалы и их модификации. Значительному расширению заливки способствовало, кроме появления новых материалов, исследование технологического процесса, разработка технологического оборудования, приспособлений инструментов и способов контроля процесса заливки.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Для упаковки устройств автоматики обычно используются заливка, герметизация и пропитка. Широко применяются тдаие термины, как embedment, potting, casting, encapsulation и impregnation. Большинство потребителей считает эти термины взаимозаменяемыми. Однако независимо от терминологии во всех случаях подразумевается применение синтетических смол, от-верждающихся при небольших температуре и давлении. -Заливочными смолами являются смолы, которые могут превращаться из жидкого состояния в твердое при атмосферном давлении и комнатной или несколько повышенной температуре. Процесс перехода известен также как отверждение (hardening или curing). Низкие температура И давление придают таким материалам и технологическому процессу их применения большие преимущества по сравнению с другими классами пластмасс, кото-

рыё требуют Дли переработки дорогих пресс-форм, высоких температур и давлений. Наиболее важным фактором является давление, так как стоимость оборудования и переработки будет значительно ниже в случае использования процесса, не.требующего высоких давлений.

Заливка (embedding) и герметизация (encapsulation). Несмотря на разницу в терминах, читателю, мало знакомому с этими процессами, можно дать их более широкое определение. Заливка и герметизация являются двумя часто .взаимозаменяемыми понятиями. Вообще говоря, под заливкой подразумевается сплошная упаковка отдельной детали изделия, его части или всего изделия. Очень большой объем упаковки изделий осуществляется заливочными материалами. С другой стороны, под герметизацией в более строгом смысле этого слова подразумевается покрытие детали изделия, его части или всего изделия. Обьгчно это производится погружением герметизируемого объекта в высоковязкий или тик-сотропный материал для получения поверхностного покрытия толщиной от 0,25 до 1,25 мм. При герметизации основной целью является защита от атмосферного воздействия, хотя в некоторых случаях достигается определенная механическая прочность. Части изделия под герметизирующим покрытием могут быть пропитаны до или после герметизации отдельных узлов для получения соответствующих механических и электрических свойств. Основными проблемами для герметизации являются смачивание поверхности смолами, стекание смол и трудность регулирования толщины и однородности покрытия.

Термины заливка и герметизация можно рассмотреть с другой стороны. Операцию заливки обычно можно произвести, поместив заливаемый объект (или, если нужно, его часть) в форму или кожух. Затем заливочный материал наливается в форму или кожух так, чтобы он полносгью окружал обрабатываемое изделие. После окончания процесса отверждения форма удаляется (если использовалась форма, а не кожух). При этом получается гладкая однородная поверхность изделия, повторяющая поверхность формы. В случае герметизации поверхность готового изделия не повторяет контуры формы или кожуха, хотя и может быть гладкой.

Следует упомянуть, что термин формоваиное изделие (molded unit) иногда ошибочно применяется для описания -залитого изделия. Хотя процесс формования под иизким давлением иногда применяется для заливки, термин формованные изделия будет справедлив только в том случае, если процесс проходит в пресс-форме под НИЗКИМ или высоким давлением.

Литье. Термин заливка (embedding) можно подразделить на два термина: литье (casting) и заливка в кожух (potting). При заливке устройств электроники разница между этими терминами относительно четкая.

В случае литья размер формы точно соответствует размерам готового изделия. При разработке формы и собранного узла следует стемиться к тому, чтобы внутренние напряжения во время усадки в процессе отверждения были минимальными и чтобы после усадки были сохранены точные размеры изделия. Формы, пригодные для таких операций, описываются ниже.

Второй особенностью процесса литья является необходимость тщательной очистки формы и применения разделительныхвеществ, так как большинство синтетических смол прилипает к стенкам формы. После того как форма подготовлена, йна располагается вокруг заливаемого узла, и места, через которые адожет протекать или просачиваться жидкая смола, уплотняются. Если это нельзя сделать обычными путями, используются аце-тобутират целлюлозы или тому подобные вещества. После этого смола и отвердитель смешиваются и медленно и постепенно, чтобы избежать попадания пузырьков воздуха, заливаются в форму. Затем в зависимости от вида отвердителя и смолы происходит отверждение или при комнатной температуре с использованием тепла экзотермической реакции или же в термокамере при повышенной тем'пературе. В заключение изделие извлекается из формы.

Однако в некоторых случаях под литьем понимают процесс изготовления вышеуказанным способом отдельных прутков, трубок или листов, причем другие части или узлы при этом е заливаются. Таким образом, листовые материалы, прутки или трубки, состоящие целиком из отвержденной смолы, получаются литьем.

Заливка в кожух. Процесс заливки в кожух подооен процессу литья, за исключением того, что заливаемый узел помещается в корпус, кожух, оболочку или т. п. Замена формы на кожух является основным отличием этих способов. Так как кожух, корпус или оболочка не отделяются от залитых деталей, отпадает и надобность в разделительных агентах.

Однако, если корпус металлический, а не пластмассовый, часто оказывается необходимо проложить лист изоляционного материала (например, лакоткани) между узлом и корпусом и тем самым предотвратить закорачивание электрической цепи иа корпус, если какой-либо проводник будет расположен слишком близко к корпусу. Чем выше напряжение, тем более обязательным является это требование. Одним из преимуществ заливки в кожух является возможность применения оболочки из полиэтилена или другой прозрачной пластмассы, так как через такой материал видны дефекты заливки. С другой стороны, 1можно использовать окрашенную оболочку с тем, чтобы скрыть мелкие поверхностные дефекты, не влияющие на работу прибора, о ухудшающие его внешний вид.

Иногда при заливке в кожух возникают осложнения, если адгезия смолы к корпусу недостаточна. В частности, это характерно для некоторых полиэфиров. При этом не получается высокопрочной отливки, так как кожух отделяется от содержимого. То же самое происходит, если материал пластмассовой оболочки имеет недостаточную адгезию к заливаемой смоле. Примером правильного подбора материала оболочки к смоле является оболочка из чистого или модифицированного полистирола и полиэфирная смола. В этом случае материал оболочки химически связывается с заливаемой смолой.

Вторым недостатком описываемого способа являетсй трудность защиты внешней стороны корпуса или оболочки от попадания на нее жидкой смолы в виде потеков, капель и т. д. Счищать их трудно, а после отверждения они портят внешний вид изделия. Применять для очистки растворители нежелательно, так как последние могут действовать на оболочку или заливочный компаунд. Механическая очистка не дает чистой и однородной поверхности, а царапины портят ее виешяий вид.

Пропитка. Термин пропитка (impregnation) более четок. Под ним подразумевается сплошная принудительная пропитка всего узла или его части жидкой смолой (причем смола проникает'во все промежутки) .и последующее ее отверждение. .Пропитка может быть самостоятельной операцией, но может и совмещаться с заливкой, герметизацией, литьем и т. п. Пропитка отличается от герметизации тем, что в последнем случае смола образует лишь покрытие и не проникает внутрь узла.

Пропитка выполняется путем погружения узла в смесь смолы с отвердителем с воздействием вакуума или повышенного давления, или же попеременного давления и вакуума. Длительность цикла пропитки определяется заданной степенью пропитки, скоростью удаления воздушных пузырьков, вязкостью смолы и размером пустот или характером поверхности, через которую происходит пропитка.

Пропитка иногда осуществляется центробежным литьем {Л. 11-4]. При этом пропитываемый узел устанавливается в форму, форма наполняется смолой и все вместе приводится в быстрое вращение. Пропитка происходит за счет центробежной силы.

В том случае, если требуется и пропитка и герметизация, например в производстве трансформаторов, сначала поизводится герметизация путем покрытия окунанием, причем в оставленные отверстия после отверждения покрытия нагнетается пропитывающая низковязкая смола. Такой способ требует наличия кожуха, чтобы пропиточный материал не вытекал в процессе отверждения.

МАТЕРИАЛЫ

После рассмотрения различных процессов и приме-меняемой терминологии необходимо описать материалы, используемые при осуществлении этих процессов.

Большей частью для заливки, герметизации и пропитки применяются термореактивные смолы. Однако иногда попользуются и термопластичные материалы. При применении термореактивных смол можно получить любую степень жесткости или эластичности, так как большинство этих смол могут модифицироваться или получаться такими, что по эластичности они будут при-

ближаться к эластомерам и будут мягче, чем высоко-плавкие термопластичные материалы.

Ниже дается краткое описание наиболее распростра-неиных смол. Их детальное описание будет приведено в последующих главах.

Фенольные смолы. Фенольные смолы уже упоминались выше. Это сиропообразные жидкости, отверждаю-щиеся при атмосферном давлении в присутствии отвер-дителей типа свободной кислоты. Они в некоторой степени токсичны, так как содержат свободный фенол. Кроме того, токсичность зависит и от применяемых отверди-телей. Фенольные смолы мало применяются в электротехнической промышленности, так как в процессе отверждения они выделяют воду. Это обстоятельство, а также то, что отвердитель имеет кислый характер, может приводить к значительной коррозии проводников и серьезно действовать на электрические свойства продукции. В связи с тем, что необходимо обеспечить удаление паров воды, время отверждения обычно велико. В противоположность большинству других заливочных смол фенольные смолы не могут считаться материалами, отверждающимися без выделения побочных продуктов, так как они, как уже упоминалось, выделяют воду.

Полиэфирные смолы. Полиэфирные смолы были первыми литьевыми смолами, широко использованными для заливки электротехнических устройств. Полиэфиры являются термореактивными материалами; имеются полиэфиры самой различной вязкости. Катализаторами отверждения полиэфиров обычно являются перекиси. Скорость отверждения колеблется в широких пределах; некоторые полиэфирные смолы быстро отверждаются при комнатной температуре. Различные полиэфирные смолы могут давать продукты разной жесткости или эластичности. Полиэфиры относятся к относительно дешевым смолам; благодаря их физико-механическим свойствам они обеспечивают прочную отливку вокруг обрабатываемого узла; электроизоляционные свойства полиэфиров очень высокие. Самым большим недостатком полиэфиров является значительная усадка, что может приводить к растрескиванию в процессе отверждения залитого изделия. Однако этот недостаток можно преодолеть правильным конструированием изделия и

модификацией смолы. Несмотря на усадку, дешевизна полиэфиров по сравнению с эпоксидными смолами обеспечила им очень широкую область применения.

Эпоксидные смолы. Подобно другим термореактивным материалам эпоксидные смолы представляют собой сиропообразные жидкости различной вязкости или же низкоплавкие твердые продукты. Отвердителями эпоксидных смол являются главным образом амины или ангидриды кислот. Высокая механическая прочность, малая усадка, отличная адгезия и очень хорошие электроизоляционные свойства обусловливают увеличение объема применения эпоксидных смол. Эти смолы попользуются все шире, особенно для электротехнических и военных целей. Первое время их стоимость была значительно выше стоимости полиэфиров. Кроме того, были доступны, как правило, только высоковязкие смолы, что затрудняло их использование. Расширению применения эпоксидных смол способствовало снижение цен на них до стоимости, сравнимой со стоимостью некоторых полиэфирных смол (особенно это относится к наполненным мате-риала.м). Кро'ме того, поя1вились менее вязкие и, поэтому более технологичные эпоксидные смолы. Эпоксидные смолы могут модифицироваться совмещением с полиамидами, полисульфидами и другими материалами, изменяя при этом свойства в широком диапазоне.

Более детальное описание эпоксидных и полиэфирных смол приводится в соответствующих главах.

Кремнийорганические смолы. Кремнийорганические (силиконовые) смолы (каучуки) для заливки, гермети-тизации и пропитки применяются- в виде вулканизирующихся при комнатной температуре (холодной вулканизации- RTV) каучукообразных материалов, дисперсий каучука в раст1ворителях или смол без растворителя. Применяются также кремнийорганические пенопласты. Смолы холодной вулканизации широко используются для герметизации или покрытия деталей и для заливки в кожух. Применение дисперсий в растворителях ограничено усадкой и появлением пустот при испарении растворителей. Наиболее часто применяются каучуки холодной вулканизации и более твердые смолы без растворителей, которые отверждаются при относительно невысокой температуре с помощью перекисных катализаторов.

Недавно разработан кремнииорганическии материал, который нри отверждении образует самовосст'анавли-вающийся компаунд для заливки в кожух. Он имеет плохие физико-механические свойства, но нашел применение при заливке электротехнических изделий, так как обладает гелеобразной структурой в отвержденном состоянии, восстанавливающейся после того, как через нее введут и выведут пробник для проверки электрических цепей.

Особо широко кремнийоргани;ческие материалы используются для работы в условиях высоких температур. Их описание приведено в гл. 5.

Полиуретаны. Полиуретаны являются сиропообразными термореактивными смолами. После отверждения они образуют каучукоподобный плотный материал или же пенопласт (твердый или эластичный). Полиуретаны известны также под названием уретанов, изоцианатов или полиэфир-изоцианатов, так как они являются продуктом реакции диизоцианатов и полиэфирных смол. Если в реакции в небольших количествах участвует вода, она будет реагировать с диизоцианатам, выделяя газообразную двуокись углерода, причем конечным продуктом является пенопласт. Отсутствие воды и, следовательно, вспенивания приводит к получению твердого материала высокой плотности. Более .подробно об этих смолах см. гл. 5 и 7.

Высокоплавкие материалы. В числе заливочных и герметизирующих материалов .следует упомянуть высокоплавкие материалы, которыми обьгано являются термопласты, как правило, на основе этилцеллюлозы или ацетобутиратцеллюлозы. Эти материалы нагреваются до температуры 120-260*0 заливаются в форму, после чего переходят в твердое состояние при охлаждении до комнатной температуры.

Технология применения термоплавких материалов весьма проста, так как она включает только нагрев и заливку. Однако температура, при которой происходит заливка, часто вредно отражается на заливаемых материалах. В частности, это касается ненагревостойкой изоляции на проводах и пластмассовых трубок. Кроме того, при .высокой рабочей температуре термоплавкий заливочный материал будет размягчаться, что связано с ухудшением его физико-механических свойств. По этим при-

чинам .высокоплавкие материалы применяются главным образом для покрытия окунанием жестких металлических деталей, а е для заливки требующих осторожного обращения электротехнических устройств.

ВЯЗКОСТЬ и ЭКЗОТЕРМИЧНОСТЬ

с точки зрения практического применения иезависи-мо от других требований наиболее важным свойством синтетических заливочных шатериалов являются вязкость и экзотермичность.

Вязкость. Эта характеристика наиболее важна для залив'очных смол. Если вязкость слишком велика, заливка затруднена и смола ллохо затекает вокруг выступающих частей. Кроме того, высоковязкие смолы или компаунды слишком густы для ваку-умного удаления попавшего в них воздуха, так что в отливке остаются раковины. Высокая вязкость также затрудняет перемешивание. С другой стороны, слишком 1низкая вязкость приводит к утечке смолы через отверстия в форме или кожухе.

Способность компаундов к затеканию вокруг всех частей заливаемого узла зависит от вязкости. Вязкость МОЖ1НО повысить введением в смолу наполнителей. Повышение температуры снижает вязкость. Например, обычная эпоксидная смола, имеющая при комнатной температуре вязкость более 20 ООО спз, ори температуре 65 С характеризуется вязкостью менее 1 000 спз. Исключительно высоковязкий тиксотропный компаунд получается при введении в амолу наполнителей с большой удельной поверхностью, таких как Cab-0-Sil, San-tocel или Bentone 34*. Подобные наполнители при небольшой концентрации (обычно менее 10%1 по весу), придают компаунду тиксотроПные свойства. Эти качества необходимы при герметизации, так как тиксотр'оп-ные компаунды обладают текучестью только под приложением нагрузки. Таким образом, когда обрабатываемая деталь погружается в компаунд, он распределяется по поверхности, а когда удаляется, то отекания не происходит.

* Выпускаются соответствен-но фирмами: Godfrey L. Cabot Co.; Monsanto Chemical Co.; National Lead Co.