Природные и синтетические полимеры, их роль в природе и технике

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 (утверждения 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 а 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 водноэмульсионные 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 ... 400 К. 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 и содержание ионогенных, способных выделить ионы С1-,SO42-, Na+ примесей, 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 ... 210К, и годятся для герметизации столь чувствительных к механическим нагрузкам материалов, как высокоиндукционные 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 радиационноотверждаемые компаунды требуют обработки «на холоде» лишь в течение 15 ... 30 с, что позволяет резко повысить производительность при экономии площадей и энергии.

ПОЛИМЕРНЫЕ КЛЕИ И АДГЕЗИВЫ

Клеи--вещества, обладающие высокой адгезионной способностью, пригодные для соединения между собой материалов разных классов. При склеивании, в отличие от сварки и пайки, не требуется нагревать изделие до высоких температур, а высокая нагревостойкость обеспечивает возможность повторных нагревов. Соединение может обладать эластичностью, что снижает уровень механических напряжений после отверждения и обеспечивает прочность в условиях термоударов, динамических нагрузок, при большой разнице ТКЛР.

Разрушение клеевого соединения, как правило, означает внезапный отказ РЭА, поэтому к клеям предъявляются высокие требования. Чтобы обеспечить стабильность технологических характеристик клея, а благодаря этому и качество соединения полимерная его основа должна иметь узкое молекулярно-массовое распределение, т. е. к полимеру предъявляются повышенные требования. В специальных случаях от них требуется еще и такие качества, как биостойкость, негорючесть, электро- и теплопроводность. Универсальных клеев не существует; труднее поддаются склеиванию металлы, легче--неметаллы, за исключением неполярных термопластов, не подвергнутых специальной обработке. Поэтому клей, предназначенный для металлов, пригоден и для неметаллов, но гораздо реже бывает обратное. Так, эпоксидные клеи применимы для всех материалов, а не модифицированные фенолформальдегидные, кремнийорганические, поливинилацетатные (ПВА)--хорошо склеивают только неметаллы.

В клеи на основе термореактивных смол часто вводятся наполнители и добавки, которые могут придать им следующие свойства: биостойкость (соединения мышьяка и ртути); негорючесть (оксид сурьмы); тиксотропность (аэросил, слюдяная мука); электропроводноcть (порошки серебра или никеля); теплопроводность (нитрид бора); способность вспениваться (фреоны, карбонаты), Следует учитывать, что при введении в состав клея наполнителей его адгезионная способность снижается.

Химическая промышленность поставляет большое количество клеев, причем их исходное состояние может быть различным:

жидкость, содержащая летучий растворитель, или без него;

твердое тело в форме легкоплавких порошков, таблеток, гранул;

расплав на основе термопластов;

пленка, нанесенная на подложку (склеивающие прокладки многослойных ПП) или в свободном состоянии, без подложки;

липкая лента с постоянной липкостью или активируемая растворителями, водой, повышением температуры. (Липкостью называют способность клея в момент контакта с твердой поверхностью немедленно образовывать соединение. Это свойство важно, например, для приклеивания декоративно-отделочных материалов, при монтаже кристаллов ИС и т. д.) Липкие ленты на лавсановой основе применяют для герметизации конденсаторов.

Особое значение в технологии РЭА имеют тепло- и электропроводящие клеи. Они широко используются для крепления полупроводниковых кристаллов ИС к металлизированным корпусам с обеспечением теплового и электрического контакта, а также выводов и контактным площадкам. Электропроводящее покрытие используется для экранирования РЭА от электромагнитных полей. Высокая технологичность этого способа коммутации объясняется исключением из процесса операции пайки, неизбежно вызывающей термоудар, а также возможностью нагрева изделия при последующей обработке вплоть до 673 К без разрушения клеевого соединения. Проблема выбора наполнителя является главной при разработке электропроводящих клеев (контактолов). Вследствие невакуумной природы полимеров в качестве наполнителей можно использовать лишь благородные металлы и никель. Тонкодисперсная медь очень быстро окисляется в составе полимерной композиции и годится только в посеребренном виде. Для экономии дефицитного серебра (а наполнитель в составе электропроводящего клея составляет 60 ... 80% по массе) можно использовать также посеребренный графит. Современные электропроводящие клеи, например АС-40В, обладают удельным сопротивлением менее 0,01 Ом-см, коэффициентом теплопроводности--4 Вт/(м*К), выдерживают 10 термоциклов с перепадом от 210 до 720 К, нагревостойки до 720 К. Клеевая неотвержденная композиция жизнеспособна в течение 12 ... 24ч. Клеи на основе карбонильного никелевого порошка менее электро- и теплопроводны и ограничены рабочей температурой 493 К (120°С).

Поскольку ассортимент клеев очень велик, выбор оптимального из них для данного назначния представляет собой довольно сложную задачу. Клеи, предназначенные для металлов, не должны содержать анионов С1-, I-, F-, SO42-", S2-, которые способны вызвать их коррозию. Эластичные материалы можно клеить только эластичными клеями на основе кремнийорганических полимеров. Пластмассы лучше клеить материалами, близкими по химической природе. Наконец, разнородные материалы можно склеить более надежно, если использовать не один вид клея, а два, более соответствующие двум склеиваемым материалам по природе. Если соединяемые поверхности плохо подогнаны, целесообразно применить вспенивающиеся клеи. Надо помнить, что оптимальная толщина слоя клея, обеспечивающая наиболее прочное соединение, --0,1 ... 0,2 мм. Недостатки клеевых соединений: невысокая механическая прочность, особенно сопротивление отдиранию, высокое тепловое сопротивление, непригодность для СВЧ РЭА (за исключением клеев-расплавов).

Список литературы

полимер термопласт полистирол синтетический

Материалы микроэлектронной техники: учебное пособие для вузов/ Под ред. В. М. Андреева, - М.: Радио и связь, 1989.

Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники, - М.: Высшая школа, 1986.

Материаловедение/ Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986.

Размещено на Allbest.ru