|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 2 3 4 5 ... 31 с учетом последнего фактора. Из табл. 1.1, в которой приведены самые распространенные способы герметизации, видно, что нет изделий, для которых используется какой-либо один способ герметизации. На рис. 1-1 и 1.2 показано, как герметизирующий материал влияет на электрические параметры радиоэлементов. В табл. 1.2 представлена связь между способом герметизации и нормами климатических воздействий, регламентированных МЭК [116, 138, 144]. 2. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ 2.1. экономические вопросы герметизации Массовость и автоматизация производства ЭРЭ ведут ко все более широкому отказу от традиционных способов герметизации корпусами из металла, стекла, керамики, а также с помощью проходных изоляторов из стекла и керамики в пользу герметизации синтетическими материалами (СМ). Объясняется это тем, что заготовки из СМ дешевле, чем из специальных сортов металла и керамики, а технологические процессы герметизации СМ менее трудоемки и проще поддаются автоматизации. В результате стоимость герметизации СМ во много раз ниже традиционной. В связи с совершенствованием технологии производства ЭРЭ доля стоимости герметизации при использовании традиционных способов непрерывно повышалась, достигая в ряде случаев 50% их стоимости. Огромный рост производства РЭА оказался возможным только при условии снижения стоимости изготовления ЭРЭ. Отсюда следует, что основным путем достижения этой цели было широкое внедрение гер-. метизации с помощью СМ (рис. 2.1). При использовании СМ для герметизации интегральных микросхем (ИС) удалось [1] снизить стоимость герметизации ИС с 1,1 долл. до 4 центов.  рис. 2.1. Сравнение стоимости производства транзисторов в металлическом корпусе (й) и герметизированных синтетическими материалами (б): -полупроводниковый материал; 2 -другие материалы; 3 -стоимость работы; 4 -общая стоимость [341 Распространение технологии герметизации с помощью СМ встречает еще противодействие со стороны потребителей, считающих недостаточным уровень герметизации, при котором натекание гелия превышает 10-* мм рт. ст л/с. Даже теоретически при использовании СМ трудно получить указанную степень герметизации. Для нормальной работы большинства изделий такая степень герметизации не требуется, использование традиционных способов герметизации становится нецелесообразным для изделий с рабочей температурой ниже 125° С. Проблема заключается в том, чтобы для каждого герметизируемого элемента определить требования и выбрать такие процессы герметизации с использованием СМ, которые обеспечивали бы воспроизводимость параметров и надежность [2, 20, 41, 74, 106]. Для резисторов, конденсаторов и катушек эта проблема решена. Существует много способов герметизации с использованием СМ, которые обеспечивают работоспособность ЭРЭ в интервале температур -80 ...-1-125° С и при воздействии влаги в течение 4 ...56 суток [97 . Большинство конструкций ЭРЭ различаются прежде всего способом герметизации, климатической группой и стоимостью. Изделия, герметизированные традиционными способами, выпускаются в малых количествах исключительно для эксплуатации в специальных условиях, причем разница в параметрах по сравнению с изделиями, герметизи-. руемь№:и СМ, подчас едва заметна. -- Трудности в разработке эффективной герметизации СМ наиболее сильно проявились тогда, когда начали применять эти способы для защиты полупроводниковых приборов (111111) и ИС. На начальной стадии казалось даже, что на эти компоненты не удастся распространить процессы, разработанные для герметизации )?£С-элементов. Однако исследования показали, что эта технология обладает большими возможностями. Использование СМ для герметизации новых элементов требует всесторонних исследований взаимозависимостей, существующих между технологическими процессами герметизации, марками материалов, с одной стороны, и стабильностью и надежностью элементов - с другой. Более того, оказалось, что изделия, герметизированные с помощью СМ, часто более устойчивы к воздействию вибрации и ударов. Проведенные исследования позволяют выделить следующие проблемы, на которые следует обратить особое внимание при разработке технологических процессов герметизации с помощью СМ: - проникновение влаги и агрессивных газов, - коррозионное воздействие, - отравление поверхности полупроводниковых приборов, - появление механических напряжений и влияние их на вибро-и ударопрочносгь. 2.2. проникновение влаги и агрессивных газов [71] Наиболее существенным недостатком синтетических материалов, используемых для герметизации, является их свойство поглош,ать влагу, которая, растворяясь в материале, ухудшает его электрические  Рис. 2.2. Влияние содержания влаги па тангенс угла диэлектрических потерь для разных синтетических материалов, используемых для герметизации 53]: Hysol ХНМ f621: e-Hysol XSCM 11 R294; 7 -Polyset .300; S -CIBA M1450; Э - CIBA MISOl-W - Pacific Re,sins XM273-4; 11 - Pacific Resins XM 528-1 1год Рис. 2.3. Влияние толщины d образца на поглощение воды эпоксидной смолой (D ==1.10-8 см/с) при разной степени насыщения, i7o   Рис. 2.4. Кривые абсорбции для неполярного материала (i), полярного (2, 3) и материала с осмотическим вла- гопоглощением (4): 1 - полиэтилен; 2 - ацетат целлюлозы; 3 - бумага; 4 - резина характеристики (рис. 2.2). Одновременно повышение содержания влаги приводит к диссоциации примесей, присутствующих в материале, и их дрейфу. Приводимые в литературе данные по количеству поглощаемой материалами влаги основываются на сравнительно непродолжительных исследованиях, предусмотренных нормализованными методами. Эти данные не отражают в полной мере способность многих материалов, особенно полярных, интенсивно поглощать влагу в результате длительного ее воздействия на материал. Количество поглощенной материалом воды зависит от времени, влажности воздуха и толщины исследуемого образца (рис. 2.3). Более удобной характеристикой, чем масса поглощенной влаги С, является коэффициент растворимости h (г/см мм рт. ст.), показывающий количество воды, поглощенной 1 см материала и отнесенной к разности давлений р = 1 мм рт. ст. (133 Па) [96]: С = hp , для неполярных материалов п = I, для полярных п > 1 (рис. 2.4). Коэффициент растворимости является экспоненциальной функцией температуры Л = Л ехр i-E/RT), Не менее существенной по сравнению с коэффициентом раствориг мости влаги является величина коэффициента проницаемости влаги Р [г/ (см ч мм рт. ст.)], определяемого массой водяного пара, прошедшей в течение 1 ч через мембрану площадью 1 см и толщиной 1 см при разности давлений 1 мм рт. ст. при постоянной температуре (см. табл. 2.1). Проникновение влаги связано с коэффициентом диффузии D [смс], определяющим скорость процесса поглощения влаги: Р = hD. Значения коэффициентов Р, h и D зависят от плотности упаковки атомов и характера связей в полимере, а также от его структуры [28, 79, 96]. Увеличение температуры на 30 ...40° С приводит к росту величин Р и D на один-два порядка [28]. Для материалов с заметной сорбцией воды при толщине герметизирующей оболочки более 0,1 мм М. Михайлов [96] вывел формулу для времени, по истечении которого давление пара, например, в бумажном конденсаторе, превысит допустимое значение: где V - объем изделия, сорбирующего влагу; d - толщина герметизирующей оболочки; S - площадь поверхности герметизирующей оболочки; ро - давление водяного пара в атмосфере; - допустимое давление пара в герметизируемом изделии; - задержка, характеризующая время увлажнения герметизирующей оболочки. Таблица 2.1. Величина коэффициента влагопроницаемости для синтетических материалов
Продукт коагуляции млечного сока (латекса). Товарная балата состоит в осиовном из углеводорода - гутты, которая аналогична гуттаперче. Объемы потребления балаты, так же как и гуттаперчи, сокращаются. Для конденсатора в металлическом корпусе с резиновым уплотнением толщиной 2 мм, через которое может диффундировать влага при F=72 см, срок действия герметизации 43 года, так как поверхность проникновения влаги мала по сравнению с объемом металлического корпуса (см. рис. 2.5). Для элементов, содержащих практически не поглощающие влагу материалы (например, слюдяные конденсаторы), уравнение для продолжительности влагозащищенности приобретает вид1 Величина коэффициента влагопроницаемости позволяет определить время нормальной работы изделия и поэтому является необходимой характеристикой при выборе герметизирующего материала. Гравимет- Автор рассматривает изделие, содержащее диэлектрик с малым коэффициентом растворимости влаги. Лучше же рассмотреть случай, когда диэлектрик вообще не сорбирует влагу; для этого счучая и приведена формула. (Здесь и далее примечания редактора перевода.) рический метод [ПО] исследования проникновения влаги через тонкие упаковочные пленки, основанный на приросте массы и используемый при исследовании упаковочных материалов, здесь мало пригоден. Метод этот предназначен для исследования оболочек толщиной 0,010 ... ...0,200 мм, в то время как при герметизации чаще всего используются оболочки толщиной 0,2 ...3 мм и более. Эффективным (и очень чувствительным) является радиационный метод исследования, в котором используется вода, меченная тритием [77], однако этот метод дорог. Для более широкого использования разработан метод оценки влагопроницаемости при помо1ЦИ эдектропного гигрометра (гл. 14). Проникновение влаги к герметизируемому изделию возможно не только через объем материала. Влага может проникать и через микрощели, расположенные вдоль выводов (рис. 2.6), а также вдоль границы между герметизирующим материалом и корпусом. Влага может накапливаться с течением времени в пространстве между защищаемым изделием и герметизирующим материалом, поскольку при соединениях металла с синтетическим материалом связь между ними определяется силами Ван-дер-Ваальса. В случае же соединения металла со стеклом или с керамикой окисленная поверхность металла образует химическое соединение со значительно более сильными ионными или ковалентными связями. Синтетические герметизирующие материалы следует выбирать так, чтобы достигалась максимальная адгезия между материалом и герметизируемым изделием. Адгезия эта зависит от химического состава герметизирующего материала и материала изделия, а также от способа подготовки поверхности, о чем сказано ниже. Лучшая адгезия наблюдается при использовании материалов, отверждаемых при нагреве (термореактивных), в особенности эпоксидных; можно допустить даже, что в некоторых случаях в таких условиях могут возникать и ко-валентные связи. Однако при герметизации следует иметь в виду, что вследствие короткого времени термообработки не удается обычно обеспечить полного структурирования содержащейся в композиции смо- 0,30 0,25 0,20 0,15 О.Ю 0,05
Рис. 2.5. Зависимость времени влагозащиты t от толщины d и коэффициента влагопроницаемости Р герметизирующей оболочки при VJS=0,2; Ркр=0,4ро
 Рис. 2.6. Пути проникновения влаги к элементу при герметизации в пластмассовом корпусе (й) и заливке в металлическом корпусе (б): / - через герметизирующий СМ (4); 2 -вдоль выводов; 3 -по.стенке корпуса (б); 5 -защищаемое изделие; 7 - зазор, заполняющийся влагой лы. В результате в композиции остается некоторое количество непро- реагировавших смолы и отвердителя, которые могут поглощать воду и служить источником ионного загрязнения. Точно так же при использовании пластмасс для достижения максимальной эффективности защиты необходимо после герметизации дополнительное отверждение герметизированных элементов в термостатах. Для термопластов величина адгезии значительно меньше, хотя при использовании материала с большой усадкой, происходящей при затвердевании жидкой исходной массы (например, полиолефин), микрощели вдоль граничных поверхностей могут быть относительно малы. Таким образом, адгезия, возникающая между герметизирующими материалами и поверхностью изделия, является одной из характеристик, определяющих эффективность герметизации. Проникновение влаги вдоль выводов удобно исследовать на образцах материала, через который насквозь выведены провода, имитирующие выводы (рис. 2.7). По результатам испытаний образцов с выводами и без выводов можно судить о проникновении влаги вдоль граничной поверхности. Часто проникновение влати вдоль выводов может превышать проникновение ее через толщу материала. Это зависит от величины адгезии и факторов, ее определяющих. Уменьшение проникновения влаги по границе соприкасаемых поверхностей в определенных случаях может быть достигнуто путем нанесения иа герметизируемое изделие покрытия (грунта), гювышающего адгезию с гермети.зирующим материалом. Исследование адгезии герметизирующего материала можно провести быстро и точноГпри использовании метода проникновения влаги вдоль выводов. С^к! Другим способом, повышающим влагостойкость герметизируемых изделий, является удлинение пути от поверхности до защищаемого элемента (путь лабиринта ). В герметизированных транзисторах фирмы Ферранти это достигается размещением полупроводникового H,D W i i i о Втгомер Рис. 2.7. Образец для проверки проникновения влаги вдоль выводов О О О о о Рис. 2.8. Способ размещения полупроводниковой структуры 1 опрессованиой эпоксидной смолой 2, при котором удлиняется путь проникновения влаги кристалла не в центре подложки, а на ее краю, удаленном от внешних выводов (рис. 2.8). В некоторых случаях требуется заш,иш,ить элемент не только от влаги, но и от газов, например, кислорода воздуха или отходов производства SO2, NO2, CI2 и. т.д. Механизм диффузии газов и водяного пара одинаков, одинаковы и математические зависимости процессов их диффузии. Однако в этом случае следует использовать, конечно, величины Р, hn D для соответствующего рассматриваемого газа. Разница между ними заключается в том, что при эксплуатации изделий парциальные давления газов ниже критических и конденсации газов не происходит. Рассматриваемые газы представляют опасность в тех случаях, когда образуют совместно с водой агрессивные соединения. Это относится в первую очередь к таким газам, как CI2, NO2, SO2 и т. д., которые с водой образуют кислоты. Эффективность герметизации синтетическими композициями зависит в подобных случаях от устойчивости герметизирующего материала к воздействию таких соединений и количества влаги, поглощаемого материалом. Когда материал не обладает необходимой устойчивостью, может произойти его повреждение и отслоение от герметизируемого изделия. Большое насыщение материала водой облегчает реакцию между газом и влагой, содержащейся в материале. - Из сказанного следует, что при эксплуатации изделий в среде агрессивных газов следует использовать способы герметизации, обуслов ливающие максимальную устойчивость к проникновению влаги. 2.3. использование молекулярных сит в процессах герметизации Молекулярными ситами (молекулярными сорбентами) называются синтетические глинокремнеземы, являюпщеся цеолитами, образованными из AI2O3, Si02, Na20 (или К2О) и Н2О [72]. В зависимости от количественных соотношений компонентов и способа получения сущест- \ Таблица 2.2. Время (в сутках), по истечении которого емкость \ конденсатора возрастает на 1 пФ Количество наполнителя (молекулярных сит) в композиции, % Толщина герметизирующей оболочки, мм
вуют различные виды цеолитов, отличающихся пространственной структурой. Эти соединения обладают большой способностью к адсорбции различных газообразных соединений и паров воды. Способность молекулярных сит поглощать влагу можно использовать для замедления или уменьшения проникновения влаги в герметизирующие синтетические материалы. С этой целью молекулярные сита в сильно измельченном виде вводятся в них как наполнители. Примером такого использования является наполнение ситами кремний-органических вазелинов, используемых для заполнения металлических корпусов с расположенными в них полупроводниковыми приборами. В этом случае в гидрофобном кремнийорганической вазелине сита поглощают попадающую в вазелин влагу, препятствуя ее проникновению к поверхности прибора. Предпринимаются попытки также использовать молекулярные сита как наполнители в эпоксидных композициях. Механизм действия молекулярных сит исследован в [72] на примере чувствительного к влаге конденсатора, который был залит эпоксидной композицией, содержащей либо молекулярные сита, либо кремний-органический гель. За показатель эф()ективности принято время, по истечении которого под влиянием влаги наблюдается увеличение емкости конденсатора на 1 пФ (табл. 2.2). Данные рис. 2.9 также иллкютрируют большое влияние молекулярных сит на влагостойкость герметизированных изделий. При использовании в герметизирующей композиции силикагеля емкость начинает расти уже через несколько дней. При замене же силикагеля молекулярными ситами такое изменение происходит за время, в 10 раз большее. Видно, однако, что через достаточно большое время эта разница сглаживается. Это наступает, вероятно, из-за насьш;ения сорбента влагой. Эффективность герметизации Pf зависит от размеров капилляров и зерен сорбента. Это иллюстрируется следующими данными для композиции с 30%-ным содержанием молекулярных сит (значения Р, даны в сутках):
Толщина герметизирующей оболочки составляла 2 мм температура окружающей среды Т = 50° С (323 К), относительная влажность RH = 96%. На рис. 2.10 показана зависимость показателя Р, от толщины, температуры и состава герметизирующей композиции. Основываясь на результатах измерений, была получена эмпирическая формула, дающая зависимость показателя от толщины d герметизирующего слоя, содержания наполнителя Q (%) и парциального давления Я водяного пара: ]gPt = А + BQ + Clgd -!- D]gH = = 2.17 + 2,27-10* Q 4-2,861 Igd-1,1 Ig Я. Приведенные результаты исследований, казалось бы, указьюают на существенное снижение влагопроницаемости под влиянием молекулярных сит. Однако это влияние на практике менее заметно. Описанный пример относится к конденсатору с низкой влагозащищенностью и показывает, что применение молекулярных сит может дать ощутимые результаты.  юа суш. 115 Рис. 2.9. Влияние типа наполнителя и толщины герметизирующей оболочки на изменение емкости конденсатора, герметизированного эпоксидной композицией, содержащей молекулярные сита (светлые точки) и силикагель (черные точки) еут  о 10 20 30% Содержание сит Рис. 2.10. Влияние температуры, толщины герметизирующей оболочки и содержания молекулярных сит в композиции на проникновение влаги: сплошные линии для T-Xf С, штриховые 35° С, пунктирные 50° С; d = 2,0 мм (светлые точки), 1,5 мм (темные точки), 1,0 мм (треугольники) 1 2 3 4 5 ... 31 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||