удельная теплопроводность снижается от значения удельной теплопроводности монолитной смолы ъ функции объемного Беса почти линейно. Это справедливо как для материалов типа пенопластов, так и для материалов € легкими налолнителями. Практически это свойство иаиболее наглядно демонстрируется в табл. 7-15, в которой сравниваются температуры наиболее горячих в процессе эксплуатации субминиатюрных ламп, залитых различными компаундами с легкими наполнителями. Дальнейшая проверка была проведена для компаунда'на эпоксидной смоле с фенольными микрошариками (BJOA-0i840) в рабочих условиях на металлическом шасси [Л. 7 16]. Средняя температура наиболее горячих мест залитой схемы (при температуре окружающей среды 23° С) снижалась от 105° С в начале опыта до 83°С, а при температуре окружающей среды 85° С снижалась от 140 до 103° С. Очевидно, это происходит благодаря металлическому шасси, на которое отводят часть тепла контакты. Таким образом, металлическое шасси улучшает отвод тепла.

Таблица 7-15

Температура наиболее горячей точки при работе субминиатюрных ламп, залитых различными компаундами низкого объемного веса [Л. 7-16]

Трудности, которые могут возникать при переработке компаунда низкого объемного .веса, возникают з-за того, что легкие наполнители могут агломерироваться в смоле и, таким образом, затруднять смешение, особенно если концентрация наполнителя велика. Это заставляет применять особые приемы для смешения лег-

ких наполнителей со смолами. Хорошим способом является высушивание наполнителей и просеивание их через сито, причем агломераты разрушаются. Проблема агломерирования может осложняться в связи со склонностью легких наполнителей к агломерации до введения их в смолу. Это происходит из-за большой поверхности частиц, что приводит к адсорбции влати на повер-хности наполнителей. Этот фактор вависит от типа наполнителя и должен быть исследован в каждом отщельном случае. В тех случаях, когда возникает такая проблема, она лучше всего разрешается упаковкой высушенных и просеянных наполнителей в поливтиленовые мешки.

Следующей трудностью при использовании легких наполнителей является то, что наполнители стремятся всплыть на поверхность смолы до гелеобразования. Это, разумеется, приводит к неоднородности изделия, что в свою очередь вызывает такие проблемы, как неоднородная теплопередача и вибростойкость. В большинстве случаев это не является серьезной проблемой. Указанная трудность может быть уменьшена двумя путями: Bo-inepBbix, применением компаундов с малой жизнеспособностью, что снижает время для всплывания наполнителя; во-вторых, добавкой в компаунд небольших количеств тиксогропных веществ, которые помогают удерживать наполнитель в суспензии.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОПЛАСТОВ И КОМПАУНДОВ НИЗКОГО ОБЪЕМНОГО ВЕСА ПРИ ЗАЛИВКЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Пенопласты и компаунды низкой плотности должны применяться для заливки электронного оборудования Б тех случаях, когда необходимо снизить вес и стоимость. Снижение стоимости часто является следствием того, что благодаря низкому объемному весу для заливки данного объема требуется меньшее количество заливочного материала.

Чтобы облегчить сравнение различных материалов низкого объемного веса п их выбор для заливки электронного оборудования ниже описываются их основные преимущества и недостатки.

Пенополиуретаны. Удобны в употреблении и хорошо себя показывают в большинстве случаев. Объемный вес

обычных рецептур 32-320 /сг/ж°. Пенопласты получаются по одностадийному способу или через форполимер. Как правило, форполимеры технологичнее, -особенно при периодическом способе производства. .Электроизоляционные свойства пенополиуретанов обоих видов сходны и являются функцией объемного веса. Физико-механические и эксплуатационные характеристики .пенопластов, полученных из одностадийных систем, в ряде случаев выше, чем свойства пенопластов из форполимеров. -Адгезия пенопластов .к большинству поверхностей хоро шая, .причем прочность связи достигает прочности пенопласта (Л. 7-17]. Пенополиуретаны идеальны для заливочных целей. Основными недостатками пенополиуретанов являются снижение электроизоляционных свойств при длительной выдержке в условиях сильно повышенной влажности, относительно низкая стойкость .к тепловому старению, а также токсичность диизоцианатов. Большинство недостатков можно преодолеть при .правильном конструировании изделия.

Эпоксидные пенопласты. Приблизительно такая же широкая применимость, .как и в случае пенополиуретанов. Могут смешиваться из исходных компонентов .потребителями, хотя чаще .перерабатываются заранее смешанные порошки, в то время как полиуретаны-всегда жидкие материалы. Таким образом, эпоксидные пенопласты предпочтительнее, когда желают применять порошкообразные, а не жидкие продукты. Подобно пенополиуретанам у з-поксидных пенопластов электроизоляционные свойства при длительном увлажнении ухудшаются.

Фенольные пенопласты. Основное .преимущество - низкая стоимость. Фенольные омолы дешевы, а пенопласты на их основе имеют объемный вес 16 /сгж^ и более. Основным недостатком является наличие кислых отвердителей, вследствие чего фенольные пенопласты не могут применяться в тех случаях, когда .проявляется корродирующее действие кислого отвердителя.

Кремнийорганические пенопласты. Обладают исключительно высокой нагревостойкостью, более высокой, чем у других пенопластов. Кроме того, эти пенопласты имеют очень малые диэлектрические потери. Основные ограничения -высокая стоимость и хрупкость твердых пенопластов.

Пенополистирол. Основными лреимуществами являются низкая стоимость и малые диэлектрические .потери. Однако -переработка этих материалов не так проста ввиду того, что требуются формы с паровым обогревом. КрОме того, так .как .полистирол - термопластичный материал, пенопласт на его основе снижает -прочность и размягчается при относительно невысокой температуре.

Наполненные компаунды низкого объемного веса. В.следств-ие того, что эти компаунды сходны .с другими наполненными компаундами (за исключением того, что применяются легкие наполнители), физические, электрические и экоплуатационные характеристики этих компаундов приблизительно соответствуют данным для исходных смол. Поэтому, хотя при использовании таких ком.паундов не достигается максимальное снижение веса, они являются примером комбинации ограниченного снижения веса с максимальной стойкостью к внешним условиям. К-ом-паунды низкого объемного веса относительно легко -перерабатывать, но при этом -не следует забывать о таких проблемах, как воплывание наполнителя и быстрое на-растание вязкости с .повышением концентрации наполнителя.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ТЕПЛОПРОВОДНЫЕ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ КОМПАУНДЫ

ТЕПЛОПРОВОДНЫЕ КОМПАУНДЫ

Часто бывает необходимо повысить удельную теплопроводность .компаунда без -изменения его электроизоляционных свойств. В целом ряде случаев, как в электротехнике, так и в радиотехнике улучшение теплопередачи оказывается полезным. В -качестве примера можно назвать разработку силовых установок, при конструировании которых оптимальным является решение, совмещающее минимальный размер оборудования и минимальную .стоимость при получении максимальной мощности.

Преимущества применения компаундов с большой удельной теплопроводностью. Одной из целей этой главы

является демонстрация того, что повышения теплопроводности с большим эффектом можно добиться .иными способам.и, чем обычно .применяемыми форсированным охлаждением и устройством .ребер и т. д. Многие из тех, кто конструируют оборудование, рассчитанное на работу при невысоких температурах, согласятся с тем, что подобные (механические способы не лишены некоторых недостатков. Оба указанных способа значительно .повышают стоимость оборудования, а также его размер и вес. Это особенно нежелательно в .случае электронного оборудования, Предназначенного для летательных аппаратов, для которых крайне важно снижение рвеса.

В электротехнических устройствах, если не повышать теплорассеивание, приходится применять электроизоляционные .материалы, рассчитанные на большие тем'пера-туры. Обычно это повышает стоимость .производства и часто 1вызы.вает .появление дополнительных производственных проблем, снижающих выпуск продукции или ее надежность, .причем эти проблемы не связаны с температурой. Таким образом, заливочные Компаунды с высокой теплопроводностью должны исключать необходимость механических способов теплоотдачи или по крайней мере снижать зависимость от таких механических С'юсобов.

Хотя в .первую очередь ниже будут обсуждаться эпоксидные компаунды, все основные принципы применимы к другим заливочным материалам.

Значение наполнителей для получения высокой удельной теплопроводности. Так как многие из имеющихся ненаполненных заливочных смол незначительно различаются по теплопроводности, ясно, что ключом для получения наибольшей удельной теплопроводности является изучение наполнителей и наполненных .компаундов.

Обзор наполнителей с относительно большой теплопроводностью показывает, что для них характерны следующие значения [Л. 8-1] удельной теплопроводности (в кал]сек-см-град):

слюда -0,0012;

песок - 0,0028; , i

алюминий - 0,497;

медь -0,918.

Из этих данных можно .сделать вывод, что для получения компаундов с наибольшей теплопроводностью следует применять порошкообразные металляческие наполнители, например алюминий или медь. Однако из табл. 8-1 видно, что это справедливо не во всех случаях. Действительно, компаунды с крупнозернистым песком и пластинчатой двуокисью алюминия имеют несколько большую удельную теплопроводность, чем компаунды с тонкодисперсным алюминием. С другой стороны, компаунд, наполненный алюминием с размером частиц 30 меш, имеет удельную теплопроводность, заметно повышенную по сравнению с компаундами с песком или с тонкодиспероным алюминием. Может возникнуть вопрос, как может одни наполнитель быть лучше другого, когда они оба представляют собой один материал (алюминий). Отметим также, что компаунд, на.полненный медью, имеет меньшую теплопроводность, чем компаунд с алюминием 30 меш, хотя сама медь имеет значительно большую удельную теплопроводность, чем алюминий.

Таблица 8-1

Удельная теплопроводность заливочных компаундов с различными наполнителями [Л. 8-2]

Выявление .причин таких аномалий привело (К заключению о том, что, кроме сравнительной теплопроводности иаполнителей, играют .роль к.о.нфи1гура.ция и размер частиц наполнителя. Форма и размер частиц наполнителя определяют количество его, которое можно .ввести в данную смолу, чтобы .получить .компаунд доста-тоЧ'НО малой вязкости для целей заливки. Кроме того, необходимо принимать во внимание .плотность наполнителя. Ниже будет показано, что для повышения удельной теплопроводности более существенной является объемная, а не весовая концентрация наполнителя. Конечный вывод: максимальная удельная теплопроводность композиции достигается при применении на.полнителя с наибольшей удельной теплопроводностью и при наибольшей объемной концентрации наполнителя в композиции.

Объемный эффект. Основной причиной того, что компаунд, наполненный песком, имеет лучшую теплопроводность по сравнению с компаундом, наполненным алюминием (табл. 8-1), служит объем1НЫЙ эффект. Сущность объемного эффекта заключается в том, что .повышение теплопроводности компаунда больше зависит от количества .наполнителя, добавленного к компаунду, чем от материала наполнителя, разумеется, при одном и том же характере частиц. Из табл. 8-1 следует, что компаунды со слюдой и алюминием имеют .около 40 вес. %. на!Полнителя. М0Ж1Н0 видеть, что при одинаковой весовой концентрадии наполнителей компаунд с алюминием имеет значительно большую удельную теплопроводность, чем компаунд со слюдой. В то же время з таблицы следует, что компаунд с песком содержит 70 вес. % на.полнителя; в этом компаунде наполнителя .как по весу, так и ,по объему, значительно больше, чем в компаунде с песком.

Практические рекомендации сводятся к следующему. Мелкодисперсные наполнители, например порошкообразные слюда и алюминий; при содержании 40% дают компаунды с высокой вязкостью и плохой текучестью. (Во всех описываемых здесь случаях значения вязкости приводятся для температуры 70°С, так как вязкость Э1ПОКСИДН0Й смолы при .комнатной температуре слиш.ком велика для .применения.) С другой стороны, компаунд с песком сохраняет достаточно .малую .для практических

целей вязкость, даже при содержании наполнителя 70%. Практически содержание мелкодисперсного алюминия в компаунде 40% делает материал почти непригодным к переработке методом заливки, так как компаунд принимает консистенцию пасты. С другой стороны, песка можно вводить до 80% или более. Причиной ©того является намного больший равмер частиц песка по сравнению со слюдой и мелкодисперсным алюминием. Результаты, подобные тем, которые получены для компаундов с высокой концентрацией песка, могут быть получены также в случае использования в больших количествах пластинчатой двуокиси алюминия и других наполнителей, .имеющих большие размеры частиц и характеризующихся высокой удельной теплопроводностью. Однако наиболее экономичным является песок. Хотя из табл. 8-1 видно, что наполненный медью компаунд имеет относительно высокую удельную теплопроводность, гмедь используется сравнительно редко из-за ее высокой плотности. Часто бывает затруднительно поддерживать медный порошок в состоянии суспензии в заливочном компаунде достаточно долго (до отверждения компаунда), так как медь стремится быстро осесть на дно сосуда. Снижение вязкости компаунда и увеличение жизнеспособности усложняют проблему оседания.

Очевидно, наиболее убедительное объяснение вышеописанного объемного эффекта заключается в том, что заливочные смолы, будучи хорошими диэлектриками, образуют слои электрической .изоляции между каждой частицей наполнителя; увеличение теплопроводности через частицы наполнителя имеет меньшее значение, чем уменьшение теплопередачи через слои смолы. Таким образом, общая теплопроводность возрастает в наибольшей степени при введении в компаунд большего количества частиц наполнителя, или, более конкретно, при повышении объемной концентрации наполнителя в компаунде. В результате этого путь потока тепла по смоле сокращается, а по наполнителю - увеличивается и, следовательно, общее сопротивление проводимости потока тепла в материале снижается. Поэтому, вообще говоря, улучшения теплопроводности можно достичь введением дополнительного количества наполнителя в компаунд. Верхний предел содержания наполнителя практически ограничивается рабочей вязкостью материала. Для лю-

брго наполнителя существует концентрация, лри которой компаунд оказывается слишком густым для хорошей заливки деталей электронного оборудования.

Это положение изучали Formo и Isleifson {Л. 8-3]; полученная ими зависимость удельной теплоправодности от содержания наполнителя показана на рис. 8-1.

Однако имеется один случай, при котором введение большего количества наполнителя снижает теплопроводность. Это имеет место, если наполнитель состоит из частиц полого, сферического типа, а не из сплошного

?Ь О

W го 30 ito 50 60 70 во до юо

Наполнитель.

Рис. 8-1. Влияние содержания наполнителя ла удельную теплопроводность компаунда {Л. 8-3].

материала. В табл. 8-1 отмечена исключительно низкая удельная теплопроводность эпоксидного компаунда, наполненного легким полым наполнителем. Полости наполнителя такого типа обычно заполнены воздухом или другим газом. В данном случае введение сферического иаполнителя сводится к снижению удельной теплопроводности из-за того, что такие наполнители обладают хорошими теплоизоляционными свойствами (газы имеют оптимальные свойства в качестве теплоизоляционных материалов). Разумеется, полые наполнители обычно вводят с целью снижения объемного веса заливочного компаунда, а не изменения его теплопроводности. В табл. 8-1 для сравнения приведены данные о теплопроводности ненаполненной эпоксидной смолы и пенополиуретана низкой плотности. Как и следовало ожи-

Вид наполнителя я смолы не указаны. {Прим. ред.)

дать, пенопласт с очень низким объемным весом имеет исключительно низкую удельную теплопроводность.

Теплопровюдность в случае, локализованных источников тепла. На рис. 8-2 отражены результаты некоторых экспериментов по определению рассеивания тепла от локализованного источника компаундами с различными наполнителями и различной их концентрацией. Источником тепла являются трубчатые сопротивления, в которых поглощается мощность по 4 вт. Сопротивления были

180 /70 160 ISO

lUO 130

\too

70 60

10 30 so 70 SO по 130 ISO 170 ISO ZIO Z30 Время,мин

Рис. 8-2. Рассеивание тепла различными заливочными компаундами от локализованного источника тепла (стандартное сопротивление 24 ег, под нагрузкой 4 вт). Температура определялась на поверхности сопротивления (Л. 8-2].

/-наполнитель - слюда (25%); 2 - наполнитель - слюда (50%); S -наполнитель - алюминий (25%); 4 - наполнитель - алюминий (40%); 5 -Наполнитель- песок (65%); 6 - выключение нагрева.

залиты В цилиндрах диаметром приблизительно 90 и длиной 75 мм. Температура регистрировалась медь-кон-стантановой термопарой, присоединенной к корпусу сопротивления. Как можно видеть из рис. 8-2, кривые отвода тепла очень хорошо согласуются с данными по удельной теплопроводности, приведенными в табл. 8-1. В частности, рост температуры в компаунде снижается с повышением .количества наполнителя для .случаев как слюды, так и алюминия. Кроме того, видно, что ком-