В зависимости от условий работы отдельных конструкций, а также назначения г рметизируюидах материалов выбирают полимерные материалы с преобладанием тех или иных свойств. Так, для материалов, несунхих основную электрическую нагрузку, требуется высокая электрическая прочность, для тропикоустойчивых элементов - влагостойкость и т. п.

В ЭРЭ полимерные материалы выполняют в основном следующие функции:

а) электроизоляционные, которые в ряде случаев могут сочетаться с конструкционным назначением;

б) конструкционные;

в) специальные (электропроводные, магнитные и ДР-)- .

К наиболее распространенным методам использования полимерных материалов в РЭА относится герметизация как средство защиты от воздействия климатических и других факторов, являющаяся важным условием повышения надежности и долговечности изделий.

Герметизация в широком смысле слова означает полную изоляцию от воздействия внешней среды. В частности, под герметизацией понимается помещение электронных приборов (аппаратуры или отдельных элементов) в монолитную среду или оболочку диэлектрика для обеспечения электрической изоляции в рабочих условиях; занхиты элементов от воздействия окружающей среды; повышения механической прочности конструкций; обеспечения стабильности характеристик в условиях эксплуатации и хранения; упрощения конструкций и технологических процессов (производства, нередко сопро-

вождаемых сокращением массы и габаритов; уменьшения рабочего шума.

Наряду с положительным влиянием герметизирующих материалов следует иметь в виду некоторые их особенности, которые должны учитываться при выборе мате- риала для герметизации конкретных конструкций: низкая теплопроводность, возникновение внутренних напряжений в отвержденном полимере, высокий температурный коэффициент линейного расширения, неустойчивость к коронным и искровым электрическим разрядам, снижение прочностных и электроизоляционных свойств при-эксплуатации в результате теплового и ионизационного старения и др.

Вышеизложенное подтверждает сложность проблемы герметизации, которая включает вопросы как выбора герметизирующих материалов, так и конструктивно-технологические.

Герметизация широко применяется во многих ЭРЭ и типах РЭА.

Процессы герметизации можно разделить на два основных:

процессы, связанные с заполнением ©нутренних полостей (пропиткой) при одновременном образовании наружной изолирующей оболочки;

процессы, связанные с пропиткой и последующим нанесением покрытий (обволакивание).

Герметизация по первому способу выполняется путем пропитки с одновременной заливкой под вакуумом (или под вакуумом и давлением) изделий, установленных в кожухе или съемных формах.

Процесс пропитки обеспечивает заполнение полимерным материалом внутренних полостей герметизируемых изделий.

Герметизация по второму способу осуществляется обволакиванием заранее пропитанных и высушенных изделий, т..е. созданием на элементах слоя герметизирующего материала.

Обволакивание может осуществляться методами окунания пропитанното изделия в жидкие компаунды, напыления покрытия порошкообразными компаундами, опрессовки термореактивными пресс-материалами (премиксами) или термопластами (литьем под давлением).

Для пропитанных изделий, к которым не предъявляется высоких требований по влагостойкости, возможен метод герметизации путем заделки каналов проникнове-

ния влага специальными пастами или шпатлевками с последующей окраской электроизоляционными лакокрасочными материалами.

Помимо указанных методов, герметизацию отдельных изделий ироизводят с помощью специфических герметизирующих материалов и методов их нанесения.

К ним относятся самоусаживающие термопласты в виде трубок, обработка расплавом полимерного материала и др.

Ни один из указанных методов не является универсальным, каждый из них служит определенным целям, имеет свои преимущества и недостатки и применяется с учетом условий и требований, предъявляемых к изделию. Только-при правильном выборе метода, материала и соблюдении технологии возможна надежная защита элементов, узлов, деталей и схем от воздействия окружающей среды и только на определенный срок. Последнее объясняется тем, что все материалы имеют большую или меньшую влагопроницаемость, кроме того, они способны адсорбировать и растворять влагу, о чем более подробно сказано ниже.

1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГЕРМЕТИЗАЦИИ. ПРЕИМУЩЕСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЭА

Герметизация изделий разнообразных конструкций с учетом климатических условий, в которых они работают, проблемы совместимости их с чувствительными к деформации ЭРЭ и с эмаль-изоляцией проводов, небольшая толщина изоляционных слоев и т. п. требуют широкого ассортимента электроизоляционных полимерных материалов и разнообразных технологических процессов их применения.

Технологические операции, из которых состоят процессы герметизации, рассматриваются ниже, а классификация процессов (герметизации дана в табл. 1-1.

Заливка в кожух и съемные формы -могут осуществляться ненаполненными и наполненными компаундами и п^нокомпаундами, а засыпка - порошкообразными, в том числе таблетированными компаундами.

Вышеуказанные виды материалов могут применяться и в случае влагозанхиты методом вакуум-плотной герметизации. Опрессовка литьем под давлением осуществ-

Классификация процессов герметизации

йяе1ся термбпластаМи и реакТопластами, а контурййя опрессовка - листовыми термопластами или пластизоля-Ми. Для обволакивания применяются жидкие, тиксотроп-ные и порошкообразные компаунды. При пропитке используются электроизоляционные лаки и ненаполнен-ные Компаунды.

Окраска ЭРЭ выполняется электроизоляционными лаками, эмалями и порошковыми красками.

Полимерные герметизирующие материалы значительно увеличивают технические возможности РЭА в смысле миниатюризации и расширения диапазона и уровня допустимых внешних воздействий. Кроме того, современные полимерные материалы способствуют внедрению прогрессивных технологических процессов.

Применение полимерных материалов дает значительный экономический эффект за счет снижения стоимости аппаратуры, увеличения срока ее службы и надежности. Герметизация компаундами позволяет экономить металл, применяющийся для кожухов и крепежных деталей, дает возможность применить блочный принцип конструирования и ремонта. Отпадает необходимость защиты выводов и др. Бескорпусная защита герметизирующими материалами обеспечивает высокую влагостойкость, одновременно уменьшая массу и габариты полупроводниковых элементов, трансформаторов, конденсаторов и тому подобных ЭРЭ.

Конструктор при проектировании изделий должен учитывать и ряд особенностей, связанных с применением герметизирующих материалов. Например, при неправильной форме деталей (наличие острых углов и т. п.) в случае литой изоляции возможно ее. растрескивание, для предотвращения чего рекомендуется применение демпферов либо модифицирующих добавок. Возможна несовместимость герметизирующих компаундов с эмаль-И!30ляцией проводов, клеями и.тому подобными материалами, коррозия меди и серебра за счет выделения в процессе отверждения агрессивных веществ и др.

Основными общими этапами подготовки процесса гер-етизации являются:

анализ конструкции изделия, предназначенного д,л<я герметизации;

анализ требований, предъявляемых к герметизирован-иому изделию;

выбор технологических процессов;

выбор герметизирующих материалов.

Решение проблемы герметизации требует совместных усилий конструкторов, материаловедов и технологов.

Непременным условием окончательного выбора метода герметизации и герметизирующих материалов является предварительное испытание лабораторных и опытных партий герметизированных изделий.

1-3 УСЛОВИЯ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЙ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ . . НАРУШЕНИЕ ФУНКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ

Повсеместное применение в народном хозяйстве РЭА расширяет условия ее эксплуатации, однако все многообразие внешних воздействий на аппаратуру сводится к следующим трем основным видам:

1. Климатические воздействия, связанные с состоянием атмосферы: влажностью, осадками, давлением, солнечной радиацией, запыленностью, иримесями солей, паров, газов, радиоактивных веществ, зараженностью микробами и др.

2. Температурные воздействия, вызываемые внутренними или внешними источниками тепла.

3. Механические воздействия.

Особенно тяжелые условия эксплуатации, хранения и транспортировки радиоаппаратуры и ее элементов создаются тропическим влажным климатом, характеризующимся повышенной температурой, интенсивной солнечной радиацией, высокой относительной влажностью и различными испарениями, что создает условия для снижения сопротивления изоляции, коррозии металлов, быстрого роста грибковой плесени. В этих условиях возможно также повреждение аппаратуры различными насекомыми и грызунами. Сухой тропический климат характеризуется особо высокой температурой воздуха (до 55°С в тени) и весьма интенсивной солнечной радиацией при сравнительно низкой влажности воздуха и наличием в воздухе пыли и песка, оказывающих на материалы абразивное воздействие. В этих условиях выключатели, штепсельные разъемы, конденсаторы и аналогичным им изделия часто обнаруживают пониженное сопротивление изоляции.

Обследование аппаратуры, эксплуатируемой в различных климатических зонах, показывает, что интенсивность отказов отдельных элементов в зоне с резко кон-

тинентальным климатом в 11 раз выше, чем в зоне с сухим климатом.

Это обстоятельство объясняется тем, что в холодное время года при разогреве и охлаждении аппаратуры на ряде деталей выпадают иней и роса, которые могут привести к увлажнению изделий, если они имеют плохо выполненную защиту.

Надежность изделий и длительность срока их службы находятся в большой зависимости не только от условий эксплуатации (рабочая температура, величина электрических и механических нагрузок, влажность и т. п.), но и от их конструкции, а также свойств материалов, применяемых для изготовления изделий fl-4].

Основные факторы, вызывающие нарушение функций изделий. Нарушение рабочих функций изделий может вызываться различными воздействующими факторами, важнейшими из которых являются влага и тепловое старение.

Влияние высокой влажности. Под воздействием высокой влажности происходит снижение электрических и механических параметров радиоэлектронной аппаратуры, что связано в первую очередь с изменениями физико-химических и электроизоляционных свойств полимерных материалов, являющихся составной частью различных радиотехнических конструкций.

Все изоляционные материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу, и, следовательно, в той или иной степени изменять свои параметры. Характер изменения параметров связан с особенностями воды. Прежде всего вода является сильно полярным веществом с высокой электрической проводимостью за счет примесей ионного типа.

Вода - химически активное вещество, легко взаимодействующее со многими другими веществами с образованием растворов солей, кислот, щелочей, способное вызывать гидролитическую деструкцию некоторых материалов, в том числе некоторых полимеров.

Вода в виде жидкости и паров обладает малой вязкостью и хорошей проникающей способностью в поры, трещины, каналы, капилляры и межструктурные пространства, образуя проводящие и полупроводящие мостики. Это происходит потому, что молекулы воды весьма малы (3 10- см) и потому не встречают препятствий при прохождении ъ структурные промежутки изоляционных материалов, размер которых значительно больше

размера молекул воды (10--Ю- см). Вода, находящаяся в воздухе в виде паров, обладает более высокой активностью в отношении проникновения в различные изоляционные материалы, чем вода в жидком состоянии.

При логлощении воды твердым диэлектриком происходит увеличение емкости и диэлектрических потерь, снижение сопротивления изоляции - появление цепей утечек тока, снижение электрической прочности. Гигро-сколические материалы органического происхождения, например целлюлозные, при увлажнении набухают, что вызывает изменение геометрических размеров деталей.

Очень опасным является образование под действием влаги гальванических пар, облегчающееся наличием в элементах и схемах разнородных материалов (проводники, припои, гальванопокрытия и т. д.); вследствие этого возникает электролитическая коррозия, способная приводить к полному разрушению проводов тонких сечений и металлических покрытий.

Микроминиатюризаиия РЭА и связанное с ней уменьшение габаритов изделий приводят также к уменьшению толщины защитных покрытий и изоляционных расстояний между проводниками.

Поэтому изучение влагостойкости и механизма про-никновениня влаги в изоляционные материалы приобретает первостепенное значение.

Отсюда возникает важность изучения вопросов вла-гопроницаемости электроизоляционных материалов с целью обоснованного выбора их для влагозащиты радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов.

Вопросам влагопоглощения и влагопроницаемости посвящено много фундаментальных исследований, которые достаточно подробно изучены и освещены в отечественной литературе 6, 8, 11, 12, 13, 16, 25, 26].

В них приведены основные влажностные характеристики и уравнение диффузии, по которым определяются влагостойкость различных полимерных материалов и время эффективности влагозащиты герметизированных изделий.

Установлено, что с повышением температуры скорость диффузии и проницаемость паров воды для большинства полимеров возрастают.

Обычно вода растворяется в полимерах в сравнительно небольших количествах, поэтому силы взаимодействия между молекулами полимера заметно не ослабева-

ют, следствием чего является не образование раствора, а набухание полимера.

Имеется тесная связь между влагопроницаемостью и структурой органических полимеров. Полимеры с жесткой пространственной структурой, например фенолофор-мальдегидные смолы, имеют неправильной формы разветвленные зазоры, что затрудняет путь к продвижению молекул воды, поэтому влагопроницаемость фенолофор-мальдегидных, эпоксидных и других смол мала.

В некоторых линейных слабо разветвленных полимерах (целлюлоза и др.) молекулы пара или газа не встречают затруднений при своем перемещении. Однако имеются полимеры линейного строения, влагопроницаемость которых близка к фенолоформальдегидным смолам. Следовательно, кроме степени разветвленности, имеются другие факторы, влияющие на влагопроницаемость полимеров. К ним относятся, например, степень симметричности боковых групп и количество гидрофильных групп (ОН, СООН, COOR, СО, NH, О и др.). При сополиме-ризации двух симметричных негидрофильных мономеров образуется полимер с пониженной влагопроницаемостью, например сополимер изобутилена и хлористого винили-дена. Введение негидрофильных несимметричных элементов в симметричный полимер увеличивает влагопроницаемость.

Влагопроницаемость линейных полимеров изменяется также в связи с принадлежностью полимера к цис- или транс-изомерам, последние отличаются более тесной группировкой молекул и имеют меньшую влагопроницаемость (гуттаперча менее влагопроницаема, чем ее цис-изомер натуральный каучук) . Решающее влияние на сорбцию влаги полимерами оказывает, однако, относительное содержание полярных гидрофильных групп.

Для неполярных и слабополярных полимеров характерны симметричность молекул и относительно небольшие боковые группы. Эти материалы имеют малую вла-гопоглощаемость н, за исключением полистирола, очень малую влагопроницаемость. Сильиополярные линейные полимеры вследствие полярности и значительной асимметричности молекул имеют высокую влагопоглощае-мость и влагопроницаемость.

Полярные волокнистые материалы отличаются системой хаотически расположенных волокон с порами разного диаметра, в которых происходят процессы капиллярной конденсации; полярный характер клетчатки также

содействует сорбции молекул водяного пара на стенках пор, поэтому бумага отличается высокой влагопо-глощаемостью.

Введение наполнителей в компаунды может увеличивать влагопроницаемость за счет образования капиллярных зазоров между частицами наполнителя и смолой 115-10].

Предполагалось, что на величину влагопроницаемости влияет степень полимеризации органического материала, однако изучение проницаемости водорода через полистирол и полиизобутилен показало, что она практически не зависит от степени полимеризации [11].

Исследованиями {12] установлено, что влаголроница-емость зависит от. гибкости цепных молекул, величины межмолекулярных сил и плотности упаковки полимера. Увеличение гибкости цепных молекул или устранение причин, задерживающих ее лоявление, способствует повышению проницаемости. Константы проницаемости и диффузии уменьшаются с повышением плотности упа- ковки макромолекул полимера.

Величина влагопроницаемости зависит также от физического состояния полимера. Скорость диффузии газов в полимерах уменьшается с переходом из высокоэластичного в стеклообразное состояние, при кристаллизации и .при образовании химических связей между макромолекулами полимеров.

Исследованиями [13] было показано, что в системе полимер-пластификатор последний, заполняя пространство между цепями полимера, увеличивает влагопроии-цаемость системы не только благодаря ослаблению межмолекулярных связей. Определяющими факторами в данном случае являются химическая природа пластификатора и степень растворимости диффундирующей влаги (пара) в пластификаторе.

Таким образом, количество сорбированной полимерами влаги зависит от ряда факторов, главными из которых являются природа полимера, структурное и физическое его состояние, а также температура, величина и продолжительность воздействия относительной влажности.

Существуют различные методы определения влагопроницаемости: гравиметрические, титрометрические, манометрические, изотопные, с помощью кулонометриче-ских датчиков и гигристоров, а также чувствительных индикаторов: пористой керамики, силикагеля и др. Опре-