без повреждений и ухудшений практически важных свойств. Таким образом, понятие нагревостойкость включает в себя как процессы старения материала, так и его' деформационную нагревостойкость.

Срок службы органических электроизоляционных материалов находится Б большой зависимости от температуры их эксплуатации. Это нашло, в частности, свое отражение в ГОСТ 8865-70 Материалы электроизоляционные для электрических машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по пагревостойкости . Материалы, имеюпдие сравнительный срок службы при одинаковых рабочих температурах, объединены в классы (У, А, Е, В, F, Н и С), которые характеризуют нагревостойкость материалов данного класса, выраженную соответственно температурами: 90, 105, 120, 130, 155, 180 и более 180°С.

При оценке пагревостойкости изоляционных конструкций нужно учитывать многочисленные разновидности одного и того же материала, обладающие различной на-гревостойкостью, а также сочетания материалов и вы-, полняемых ими функций в аппаратуре.

Таким образом, проблема срока службы и надежности РЭА, связанные с тепловым воздействием и влагопроницаемостью, включают в себя вопросы ак строения вещества, так и конструктивно-технологические [31-33].

1-4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

Для герметизации радиоэлектронных изделий необходимы полимерные материалы, обладающие комплексом электроизоляционных, механических и технологических свойств, краткое изложение которых дается ниже.

Электроизоляционные свойства. Согласно ГОСТ 17033-71 электроизоляционные свойства определяются как совокупность технически важных электрических характеристик электроизоляционного материала или системы изоляции. Электроизоляционные характеристики герметизирующих материалов имеют особое значение.

Требования, предъявляемые к электрическим свойствам герметизирующих материалов, весьма разнообразны. В одних случаях от них требуется высокое удельное

сопротивление, в других - малые notepn, в третьих - высокая электрическая прочность и т. д.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов, позволяющими предсказывать поведение материалов в электрическом поле, являются удельное объемное и поверхностное сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность.

Удельное объемное и поверхностное сопротивления определяются сопротивлением материала протеканию электрического тока. Величина удельных сопротивлений электроизоляционных материалов в диапазоне рабочих температур находится в пределах от 10* до 10 Ом-м, при этом величина 10* Ом-м для ответственных изделий считается низкой, и для большинства случаев эта величина должна быть не ниже 10 Ом-м.

Электрическая прочность определяется как внешняя напряженность однородного электрического поля при пробое.

Обычно величина электрической прочности для герметизирующих материалов составляет 10-30 МВ/м. Электрическая прочность - важная характеристика изоляции, по которой рассчитывается система изоляции многих ответственных изделий РЭА.

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется электрической мощностью, рассеиваемой в диэлектрике в электрическом поле, а диэлектрическая проницаемость характеризуется способностью диэлектрика образовывать электрическую емкость. Для большинства материалов диэлектрические потери изменяются в значительной степени с изменением частоты и температуры. Повышение диэлектрических потерь в большинстве случаев означает увеличение потерь полезной энергии 1и связанный с этим нагрев материалов и аппаратуры, поэтому рекомендуется при повышенных частотах и рабочих температурах применять материалы с минимальной величиной диэлектрических потерь.

В РЭА в большинстве случаев полимерные, в том числе герметизирующие материалы работают при сравнительно невысоких напряжениях в слаботочных высокочастотных или импульсных полях.

В таких случаях более жесткие требования предъявляются к удельному сопротивлению, тангенсу угла Диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости

и менее жесткие требования к электрической прочности.

Материалы, используемые в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных устройствах, должны отличаться малыми величинами тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости и высокими значениями удельного сопротивления. В противном случае мощность, рассеиваемая в виде тепла в полимерном материале, может достигнуть недопустимо больших значений и привести к электротепловому пробою.

При использовании полимерных материалов в колебательных контурах нежелательны большие диэлектрические потери в связи с увеличением активного сопротивления, а следовательно, и величины затухания контура.

Воздействие влаги и примесей на электрические свойства. Воздействие влаги на полимерные материалы выражается прежде всего в снижении удельного сопротивления.

Электрические свойства герметизирующих материалов в условиях увлажнения ухудшаются от наличия в них гигроскопических наполнителей (древесная мука и др.), а также наполнителей, содержащих водорастворимые щелочи или соли. Кроме того, из-за присутствия различных кислотных примесей хлора или серы нередко в эпоксидных, полиуретановых и полиэфирных смолах может произойти коррозия металлических деталей.

Примеси и продукты разложения полимеров обычно вызывают увеличение диэлектрических потерь. Чистота исходных материалов особенно нужна при герметизации полупроводников, которые из-за минимальных загрязнений могут выходить из строя.

Дугостойкость. Герметизирующие материалы ухудшают свойства при действии искрового или дугового разряда. Тепло, выделяющееся при возиикновении дуги или искры, вызывает химическое разложение полимерного материала с образованием проводящих науглероженных участков (проводящих мостиков), в результате чего повторный искровой разряд может возникнуть уже при более низкой разности потенциалов. Некоторые полимерные материалы (фторированные углеводороды, мелами-но-формальдегидные пластики) обладают повышенной дугостойкостью.

Теплофизические свойства. Тепло, выделяемое в герметизированных электронных устройства, даже при

умеренных мощностях может значительно повысить температуру в связи с высокой плотностью монтажа деталей и сравнительно низкой теплопроводностью герметизирующих материалов. Кроме того, теплопроводность герметизирующих материалов определяет конструктивные данные и экономичность изделий, например трансформаторов, так как тепло от потерь в магнитопроводе и проводниках обычно передается через изоляцию в окружающую среду. Ниже приведены ориентировочные значения теплопроводности электроизоляционных материалов, а также для сравнения некоторых металлов .(при нормальной температуре), применяемых в радиоэлектронных устройствах.

Коэффициент теплопроводности некоторых материалов, ВтДмК)

Органические смолы...........0,15-0,22

Слоистые пластики............0,15-0,27

Полиэтилентерефталатные и поликарбонатные пленки ..............0,15-0,18

Лакоткани................0,12-0,13

Вэздух в малых зазорах..........0,0гЬ-0,05

Сухая бумага.............. 0,1-0,15

Пропитанная бумага...........0,15-0,20

Резина..................0,15-0,22

Медь.................. 373-410

Алюминий................ 210-220

Сталь.................. 41-68

Слюда мусковит............. 0,42-0,48

Асбест.................0,15-0,30

Вышеуказанные данные подтверждают, что электроизоляционные полимерные материалы имеют значительно меньшую теплопроводность, чем проводниковые и конструкционные металлические материалы.

Повышение теплопроводности герметизирующих компаундов и .пластмасс обычно достигается введением в них теплопроводных неорганических наполнителей: нитрида бора, кварца, талька, а также порошков металлов и их окислов и др. С их помощью теплопроводность композиционных материалов может быть повышена до 1 - 1,5 Вт/(м-К).

Для герметизирующих материалов большое .практическое значение имеет те.пловое расширение диэлектриков, которое количественно оценивается тем.пературны-ми коэффициентами линейного расширения. Эта характеристика существенна для суждения о стабильности размеров изделий при изменении температуры и для под-

бора соприкасающихся в конструкции материалов. Большое значение имеют ТКЛР для обеспечения стойкости материалов к термоударам.

Большинство материалов, используемых для герметизации, имеет различные значения ТКЛР, которые колеблются обычно от 2 до 26-10-°С-. Ниже приведены ориентировочные значения среднего значения ТКЛР некоторых материалов в интервале температур -30---Ь30°С, входящих в конструкцию различных электронных устройств; в ней также для сравнения приведены значения ТКЛР металлов.

Значения ТКЛР различных материален, Х10 °С-

Фенолофэрмальдегидные смолы......... 5,0

Полиэфирные смолы.............. 9,0

Эпоксидные смолы............... 7,0

Кремпийорганические смолы........... 20,0

Политетрафторэтилен.............. 16,5

Поливинилхлорид................ 11,5

Полистирол.................. 7,0

Полиэтилен.................. 17,0

Полиамиды................... 8,0

Поливинилацетат ............... 16,0

Пвдиэтилентерефталатные пленки........ 8,0

Стекло.................... 0,92

Слюда мусковит................ 1,35

Медь..................... 1,7

Алюминий................... 2,5

Сталь............. ....... 1,2

При выборе герметизирующих материалов необходимо, чтобы коэффициенты теплового расширения электроизоляционных материалов и входящих в сочетания или сопряжения с ними других материалов были близки между собой, иначе возникают недопустимые напряжения, приводящие к деформации или разрушению герме--тизирующих материалов (трещины, отслаивания и т. п.). Следует также учитывать изменение ТКЛР с температурой.

Для сближения ТКЛР полимеров с металлами в герметизирующие материалы вводят максимально возможное количество наполнителей: кварца, окиси алюминия, стекловолокна, талька, слюды и др.

Влияние температуры на электрические свойства. Повышение температуры вызывает снижение удельного сопротивления и обычно приводит к увеличению диэлектрических потерь материалов, особенно на сверхвысоких частотах.

Это влияние особенно заметно при увеличении количества полярных групп в связующем.

Неполярные материалы, такие, как углеводороды и некоторые неорганические материалы, обладают относительно стабильными е и tg6 в достаточно широком диапазоне температур и частот.

Материалы, содержащие значительное количество полярных групп, имеют тенденцию к увеличению диэлектрической проницаемости на низких частотах и к значительному изменению tg6 при изменении частоты и температуры.

Механические свойства. Критерием оценки герметизирующих полимеров, кроме электроизоляционных свойств, являются прочностные характеристики и внутренние напряжения.

Герметизирующие компаунды нередко выполняют одновременно и роль конструкционных материалов (литая изоляция). В этом случае они должны обеспечивать надежную работу в условиях вибраций, уДарных нагрузок и различных механических напряжений.

Для герметизации изделий, в конструкции которых имеются чувствительные к деформациям материалы, детали и микропровода, используются эластомеры, которые защищают изделия от механических воздействий, при этом они обеспечивают поглощение механической энергии, например при вибрации, и рассеивают ее в виде тепла.

Выбор герметизирующих материалов дол}кеи производиться с учетом значения величины разрушающего напряжения при растяжении, изгибе и модуля упругости при растяжении, последний характеризует поведение материала при воздействии нагрузки. Например, использование этого значения совместно с величиной ТКЛР позволяет рассчитывать возникающие напряжения в герметизирующем материале и дает представление о его стойкости к термбудару.

Ударная вязкость - характеристика материала, важная в тех случаях, где необходимо, чтобы материал обладал сопротивлением к механическим ударам. Испытание на ударную вязкость позволяет измерить количество энергии, необходимое для разрушения образца.

В случае использования полимерных материалов в узлах трения особый интерес представляют их поверхностная твердость, износостойкость и коэффициент грения.

Представляют особый интерес прочностные свойства герметизирующих материалов в условиях низких и высоких температур в рабочем диапазоне частот, при воздействии термоударов, высокой влажности, теплового старения, радиоактивных излучений и т. п. Такие данные редко приводятся в ТУ и ГОСТ на материалы, поэтому при необходимости в каждом отдельном случае эти данные приходится получать дополнительными испытаниями.

Измерения прочностных свойств электроизоляционных материалов производятся в соответствии с действующими стандартами, например ГОСТ 9550-71 (методы определения модуля упругости); ГОСТ 4647-69 (метод испытания на двухроторный ударный изгиб); ГОСТ 11262-68 (метод испытания на растяжение); ГОСТ 4648-71 (метод испытания на статический изгиб) и др. Для этих целей используются специальной формы стандартные образцы, так как для испытаний нельзя использовать материал в готовом герметизированном изделии.

Герметизирующие материалы должны обеспечить целостность готового изделия, поэтому свойством е менее важным, чем механическая прочность, являются внут-. ренние напряжения в материале, которые могут быть причиной обрыва тонких проводов в намоточных издели- . ях, обратимого и необратимого изменения параметров герметизированных деталей, растрескивания и отслаивания герметизирующего материала от стенок кожуха. Здесь критерием выбора герметизирующего материала должна служить максимально допустимая величина внутренних напряжений в предполагаемом рабочем диапазоне температур, не вызывающая заметных изменений параметров герметизированного изделия.

Основные .причины возникновения внутренних напряжений в полимерных материалах следующие:

1) напряжение, возникающее вследствие несвободного изменения межмолекулярных расстояний и ориентации молекул при отверждении компаунда и образования сшитых структур (напряжения от химической усадки). Величина усадочных напряжений зависит от скорости процессов усадки и от вязкоупругих свойств полимера;

2) термические напряжения, обусловленные различными ТКЛР герметизирующего материала и сопряженных или соприкасающихся с ним материалов; эти напряжения возникают Б процессе отверждения герметизиру-

ющего материала и при температурных .перепадах в процессе эксплуатации изделий;

3) напряжения, возникающие вследствие нелинейности температурного поля самого .компаунда по объему;

4) напряжения, обусловленные изменением механических свойств компаундов вследствие как динамического воздействия, так и старения полимера (термоокислительных процессов).

Уменьшение напряжений в полимерах достигается подбором соответствующих герметизирующих материалов, в частности, введением в них соответствующих пластификаторов и наполнителей.

Установлено также, что при определенном содержании пластификатора в герметизирующем материале его модуль упругости уменьшается. .Внутренние напряжения зависят не только от количества, но и от природы наполнителей [30-36].

Целостность защитного материала зависит также от величины адгезии герметизирующего полимера к разнообразным материалам, используемым в электронных устройствах (медь, сталь, алюминий, пластмасса и др.). Во многих случаях требуется хорошая адгезия, которая зависит от количества и вида .полярных групп, входящих в состав герметизирующих .материалов. Так, например, эпоксидные компаунды с большим отношением гидро-ксильных групп к аминным группам в пространственной структуре обладают особенно хорошей адгезией. Полиэфиры и полиуретаны обладают сравнительно высокой адгезией, что также объясняется относительно высоким содержанием в них полярных групп. Неполярные материалы (полиэтилен и фторопласты) значительно уступают вышеупомянутым материалам, обладая весьма плохой адгезией. Эластичность герметизирующих материалов способствует повышению их адгезионных свойств. Иногда вЫОокие адгезионные связи бывают недостаточными без наличия достаточной эластичности, распределяющей напряжения по всей поверхности изделия и, таким образом, уменьшающей локализацию напряжений.

Величина остаточных напряжений может быть также снижена за счет выбора соответствующей конструкции герметизируемого изделия, оптимальной марки компаунда для данной конструкции, а также оптимального технологического режима .герметизации и отверждения компаунда.

Технологические свойства. Помимо электрических, теплофизических и механических свойств, полимерные герметизирующие материалы должны обладать .приемлемыми технологическими свойствами, позволяющими осуществлять процессы герметизации в условиях серийных заводов с помощью средств механизации и автоматизации.

Например, важны отверждение пропиточных материалов в глубине обмоток за короткое время, отверждение компаундов без давления при пониженных температурах с минимальной усадкой и за короткое время, отсутствие выделения летучих при отверждении, высокая жизнеспособность*, совместимость герметизирующих материалов с материалами конструкций, возможность герметизации элементов литьем при невысоких давлениях и т. п.

Если функциональные и эксплуатационные требования к герметизирующим ЭРЭ допускают для их изготовления широкий выбор материалов, то в этом случае технологические требования должны быть решающими. При этом следует выбирать такие материалы, которые позволяют при изготовлении герметизирующих изделий использовать дешевые и прогрессивные технологические (процессы [36-39].

Основные требования к герметизирующим материалам. Большое разнообразие функций, выполняемых ЭРЭ, различные механические, электрические, физические и климатические воздействия на них вызывают необходимость применения широкой номенклатуры самых разнообразных герметизирующих материалов.

Микроминиатюризация дискретных элементов РЭА, интегральные пленочные и гибридные микросхемы и связанная с ними высокая плотность монтажа представляют собой новые проблемы с точки зрения герметизации, поскольку предъявляют особые требования герметизирующим материалам, а именно:

обеспечение надежной изоляции между элементами при малых изоляционных расстояниях;

сохранение функциональной точности аппаратуры;

обеспечение защиты сложных и чувствительных к механическим нагрузкам элементов (диоды, транзисторы)

* Под термином жизнеспособность понимается длительность сохранения агрегатного состояния компаунда, пригодного для его использования.

it материалов (ферриты, пермаллой), а также микропроводов;

обеспечение влагостойкости изделий- при малой толщине герметизирующего слоя и длительном увлажнении.

От герметизирующих материалов, помимо вышеуказанных свойств, требуются:

отсутствие химического взаимодействия с материалами, входящими в конструкцию, в противном случае возможны повреждения эмаль-изоляции проводов и р-п-ле-реходов, набухание, коррозия гальванопокрытий и т. п.;

достаточно низкая температура стеклования и небольшие внутренние напряжения. Последние могут быть причиной обрыва проводов тонких сечений, обратимого и необратимого изменения параметров герметизируемых изделий, растрескиваний и отслаиваний компаундов от стенок кожуха;

близость температурных коэффициентов линейного расширения герметизирующего материала и соприкасающихся или сопряженных с ним материалов (металлов);

повышенная теплопроводность fl-1,5 Вт/(м-К)] материалов для миниатюрных и малогабаритных элементов и микросхем;

гидролитическая стойкость герметизирующих материалов, особенно при длительном воздействии тропического влажного климата;

минимальные масса и габариты герметизированных элементов при достаточно высоких эксплуатационных характеристиках;

М'инимальная усадка с целью получения высокой точности геометрических размеров изделий;

стабильность и повторяемость параметров герметизированных изделий в эксплуатационных условиях при воздействующих факторах окружающей среды (тепловое старение, тропический климат, радиация и т. п.);

высокая технологичность и экономичность производства.

Непременным условием для герметизирующих материалов является высокая чистота исходных материалов. Например, толщина покрытий миниатюрных элементов на малые рабочие напряжения составляет 2-3 мкм, и ее получение возможно лишь в полностью обеспыленных помещениях, так как размеры пылинок в этом случае

:J Температура, при которой полимер теряет высокоэластичные