Файл: Галушко, А. И. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры.pdf

Б И Б Л И О Т Е К А Р А Д И О К О Н С Т Р У К Т О

А. И. Г А Л У Ш К О

Внутренние

напряжения в герметизирующих

компаундах

радиоэлектронной

аппаратуры

6Ф2.13 Г 16

УДК, 621.396.6.001.2:621.315.616.97.004

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

Н. А. Барканов, И. А. Бруханский, Р. Г. Варламов, В. А. Волгов, В. А. Ермолаев, Н. К■Иванов—-Есипович, К. К. Морозов, В. Б. Пест­ ряков (отв. редактор), А. И. Пименов, Е. М. Парфенов, Н. Э. Сватикова, В. И. Смирнов, В. Г. Теселько, А. В. Шитяшин, К. Н. Шихаев, Н. И. Юшин.

Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники

Галушко А. И.

Г16 Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры. М., «Сов. радио», 1974.

104 с. с ил, (Серия «Библиотека радиоконструктора»).

Изложена методика оценки влияния внутренних напряжений в по­ лимерных диэлектриках (компаундах), их прочности к теплопроводно­ сти на работоспособность герметизированных элементов РЭА. Исследо­ ваны причины возникновения внутренних напряжений в компаундах, показаны возможности их снижения и приведен инженерный расчет их температурной зависимости. Рассмотрены экспериментальные мето-

^ды измерения внутренних напряжений и стойкости компаундов к тер­

моударам.

Кинга предназначена для конструкторов и технологов РЭА, а так­ же для разработчиков и исследователей герметизирующих компаундов.

30406-018

6Ф2.13

046(01)-74

© Издательство «Советское радио». 1974

Введение

В современной радиоэлектронной аппаратуре широко применяется герметизация деталей, узлов п блоков тер­ мореактивными компаундами на основе синтетических полимерных смол. Герметизация является эффективным средством защиты от влаги, химически агрессивных ве­ ществ и других вредных влияний окружающей среды. Как правило, герметизация улучшает электроизоляцион­ ные, механические и другие эксплуатационные характе­ ристики аппаратуры, повышает ее надежность, а также имеет другие достоинства. В то же время герметизация имеет и недостатки. Например, вследствие низкой тепло­ проводности компаундов ухудшается теплоотвод, ком­ паунд ограничивает возможности ремонта, внутренние напряжения в компаундах могут нарушать работоспо­ собность деталей или целостность компаунда.

Обычно ^конструктор выбирает герметизирующий компаунд либо по аналогии, либо по сумме лучших свЪйств. Выбор по аналогии производится в тех случаях, 'когда-'имеется положительный опыт применения какогото компаиуда для герметизации аппаратуры подобного вида. При разработке принципиально новой аппаратуры или значительном изменении условий работы и требова­ ний к ней выбор по аналогии просто невозможен. В та­ ких случаях чаще всего по справочнику выбирается компаунд, обладающий суммой лучших свойств. Напри­ мер, изделий, работающих при высокой^ температу­ ре, конструктор стремится выбрать нагревостойкий ком­ паунд, обладающий при этом наилучшими для подобных "компаундов электроизоляционными характеристиками и приемлемыми технологическими свойствами.

Выбранный таким образом компаунд не всегда работоспособен в конкретной констр^жцииГ~Йзвести6, что’ герметизация может не дать ожидаемого эффекта и да­ же привести к снижению надежности аппаратуры из-за растрескивания компаунда, обрыва электрических цепей

3

и других неполадок, связанных с внутренними напряже­ ниями. Следовательно,'въГборГ'компаунда с отличными электроизоляционными, влагозащитными и технологиче­ скими характеристиками не является гарантией надеж­ ной работы конструкции.

Досадные и дорогостоящие просчеты происходят в тех случаях, когда при выборе компаунда принимаются во внимание только его характеристики как материала и не учитывается взаимодействие с герметизированными элементами.

Конечно, конструкторам известно, что герметизирую­ щие компаунды образуют с элементами РЭА монолитные сопряженные системы. Вследствие большого различия физико-механических свойств всех элементов, составляю­ щих такую систему, они неизбежно взаимодействуют друг с другом. К сожалению, данных о взаимодействии компаундов с элементами РЭА в справочниках пока нет.

Имеется несколько книг по герметизации РЭА. На­ пример, книга Ч. Харпера [15] содержит много данных, в том числе и по внутренним напряжениям в компаун­ дах; однако этот материал изложен в сжатой форме.

Журнальные статьи по этой тематике дают отрывоч­ ные сведения. К тому же использование публикаций за­ трудняется отсутствием общепринятых терминологии и методики измерения внутренних напряжений. Сложи­ лось положение, при котором характеристики радиоэлек­ тронных схем, определяемые схемно-электрическими параметрами, подвергаются строгому теоретическому анализу и расчету; в то же время компаунды для герме­ тизации часто выбираются интуитивно, на основе имею­ щегося опыта, рекомендаций специалнстов-материалове- дов. Если герметизированное изделие выдержало преду­ смотренные нагрузки, задача выбора компаунда счита­ ется решенной. Дальнейшие поиски, как правило, прекращаются, хотя требования к физико-механическим свойствам компаунда остаются невыясненными и нет уверенности в том, что выбранный компаунд полностью им соответствует. При необходимости замены одного компаунда другим трудно определить, какие свойства должны быть сохранены или улучшены, а какие не име­ ют существенного значения. При таком подходе не мо­ жет быть и речи о выборе оптимального компаунда.

Успехи химии полимерных материалов привели к со­ зданию значительного количества новых компаундов

4

с улучшенными свойствами. Однако расширение номен­ клатуры создает затруднения для конструкторов и тех­ нологов аппаратуры. Они объясняются отсутствием до­ статочно четких критериев оценки и методики выбора компаундов. По мере улучшения электроизоляционных и механических свойств усиливается «конкуренция» между различными компаундами, так как все труднее становится отдать какому-либо из них предпочтение.

Использование любого материала, в частности ком­ паунда, предусматривает отбор. Его можно произвести, зная свойства компаунда и величину воздействующих усилий. Конструктор должен подобрать компаунд с не­ обходимым компромиссным набором свойств. Однако правильный выбор компаунда только по ограниченному количеству свойств, приводимых в справочниках, невоз­ можен.

Следовательно, трудно решить проблему обеспечения заданной надежности РЭА только с помощью новых материалов, если неизвестна методика выбора оптималь­ ного компаунда с учетом его физико-механических ха­ рактеристик, усадки, взаимодействия с герметизирован­ ными деталями и других факторов. Кроме электроизо­ ляционных и влагозащитных, необходимо знать: проч­ ностные свойства компаундов, теплопроводность, адгезию, температурную зависимость внутренних напря­ жений, стойкость к термоударам и ряд других характе­ ристик, которые в справочниках обычно не приводятся.

Таким образом, наряду с задачами по разработке новых компаундов существуют задачи методологии их выбора для конкретных изделий. Они охватывают круг вопросов от рациональных методов планирования экспе­ римента до количественной . оценки надежности компа­ ундов в конструкциях.

В брошюре сделана попытка на примерах рассмо­ треть некоторые из перечисленных вопросов, связанных, с выбором герметизирующих компаундов и конструиро­ ванием литой полимерной изоляции,, не нашедших систе­ матического изложения в литературе по электро-радио- техническим материалам. Автор ставит своей целью ознакомить конструкторов и технологов с современными представлениями о процессах взаимодействия компаун­ дов с элементами РЭА и показать, каким образом эти данные могут быть использованы при подборе компаун­ дов на стадии проектирования РЭА.

5

1.Взаимодействие компаундов“

сгерметизированными элементами РЭА

1.1. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах. Терминология

Физико-механическое взаимодействие компаунда с элементами РЭА характеризуется возникновением вну­ тренних напряжений.

Рассматривая внутренние механические напряжения, возникающие в монолитной сопряженной системе ком­ паунд— герметизированная деталь, разные авторы упо­ требляют несколько различных терминов для их обозна­ чения. Например, в иностранной технической литературе можно встретить термины: internal stresses — внутренние напряжения или residual stresses—остаточные напряже­ ния; interface stresses — при обозначении радиальной составляющей напряжений на границе раздела компа­ унд— герметизированная деталь, а также для обозна­ чения равномерно распределенного радиального так на­ зываемого контактного давления компаунда на деталь; shrinkage stresses — усадочные напряжения.

К сожалению, часто выбор терминов для обозначения одного и того же явления не лимитируется какими-то нормами, а производится авторами по собственному усмотрению. По классификации, приведенной в [2], вну­ тренними напряжениями называются напряжения, урав­ новешивающиеся внутри тела без приложения к нему внешних' сил.

В работах советских авторов чаще применяется тер­ мин «внутренние напряжения». Иногда применяется тер­ мин «остаточные (внутренние) напряжения», а также «усадочные напряжения». В ГОСТ 13036—67 «Лаки и краски. Метод определения внутренних напряжений в лакокрасочных покрытиях» введен термин «внутренние

7

напряжения» в области покрытий на основе полимерных материалов. В данной книге этот термин будет исполь­ зоваться для обозначения напряжений, возникающих в герметизирующих компаундах без приложения внеш­ ней силы и уравновешивающихся в сопряженной систе­ ме компаунд — герметизированная деталь.

В общем случае современная конструкция РЭА пред­ ставляет собой гетерогенную систему элементов РЭА и компаунда. Они объединены физико-механическими свя­ зями, например силами адгезии компаунда. В такой си­ стеме отверждение компаунда сопровождается измене­ нием его объема, причем усадочные деформации проис­ ходят не свободно.

В работах В. А. Каргина и сотрудников показано, что основными причинами возникновения внутренних напря­ жений в гетерогенных системах являются изменение первоначального объема отверждающегося компаунда и различия в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) материалов, составляющих гетеро­ генную систему. Напряжения, вызванные этими видами несвободной деформации, получили наименования уса­ дочных и термических соответственно.

Возникновение усадочных напряжений связано с про­ цессом образования сшитой структуры компаунда, со­ провождающимся ориентацией молекул, возникновением химических связей и образованием цепных молекул, взаимное расположение которых отличается от располо­ жения молекул мономеров. Эти процессы сопровожда­ ются изменением равновесных межмолекулярных рас­ стояний. Одновременно изменяется объем компаунда, происходит его усадка. По отношению к компаунду элек­ трорадиоэлементы являются инородными телами, пре­ пятствующими свободному изменению его объема. На поверхности инородных тел релаксационные процессы замедляются, вследствие чего возникают менее равно­ весные т. е. более напряженные структуры [3].

Внутренние напряжения могут возникнуть и при от­ сутствии инородных включений в связи с тем, что в про­

кость и снижается скорость релаксации высокоэластиче­ ской деформа'ции. В результате в компаунде возникают так называемые «закалочные» напряжения. Эти напря­ жения могут быть причиной коробления литых и прессо­

8

ванных полимерных деталей, появления трещин («сере: бро») и других нежелательных изменений состояния. Закалочные напряжения могут быть сняты путем отжига и в дальнейшем нами не рассматриваются.

Термические напряжения обусловлены различиями в ТКЛР компаунда и герметизированных деталей. Со­ гласно теории упругости любой объем однородного тер­ мически изотропного вещества с ТКЛР больше нуля при охлаждении уменьшается в размерах без возникновения напряжений при условии, что его температура изменя­ ется равномерно и нет сил (внешних или внутренних), препятствующих свободному изменению размеров.

В сопряженной системе компаунд — электрорадиоэле­ мент эти условия, как правило, осуществить невозмож­ но. Фактически деформации компаунда происходят не­ свободно из-за различия в ТКЛР всех элементов, со­ ставляющих сопряженную систему. Таким образом, при охлаждении отвержденного компаунда в нем возникают термические внутренние напряжения, увеличивающиеся по мере охлаждения.

Очевидно, что внутренние напряжения не являются физической константой, как, например, удельный вес, ТК.ЛР и другие свойства компаунда. Говоря о внутрен­ них напряжениях в компаундах, имеют в виду явление, обусловленное физико-механическим взаимодействием компаунда с герметизированной деталью. Химическое взаимодействие (набухание некоторых электроизоляци­ онных материалов, повреждение лакокрасочных покры­ тий элементов РЭА и др.) в настоящей работе не рас­ сматривается.

1.2.Расчет усадочных деформаций и внутренних

напряжений

Математически строго решение задачи о внутренних напряжениях в компаундах затруднено из-за ряда спе­ цифических особенностей, присущих полимерам. В рабо­ чем диапазоне температур один и тот же компаунд мо­ жет переходить из высокоэластического в стеклообраз­ ное состояние; при этом физико-механические свойства компаунда претерпевают резкие изменения. Кроме того, свойства компаундов значительно изменяются в про­ цессе старения.

9