CC BY
87
УДК 667.637.2:621.385
Н.И. Нефедов, Л.В. Семенова
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр, Москва, Россия
ГИДРОФОБНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Основными причинами сбоев и отказов в работе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются повышенная влажность окружающей среды и конденсация влаги. Особо остро эта проблема стоит при эксплуатации в тропических условиях, а также при резких перепадах температур с образованием инея и росы. Для устранения или снижения неблагоприятного влияния внешних факторов необходимо предусматривать специальные меры по защите РЭА. Для этих целей применяют полимерные лаковые покрытия, выполняющие функции диэлектрического изолятора и диффузионного барьера по отношению к влаге.
High environmental humidity and moisture condensation are the main reasons of radiofrequency interference and failure in operation of radio-electronic equipment. This problem arises sharply when such equipment work under tropic conditions and high temperature gradient with frost and dew formation. It's necessary to protect radio-electronic assemblies from harsh environments using special protective measures. Usually for this purpose one can use polymeric insulating lacquers acting as dielectric insulators and diffusion moisture barrier.
Развитие новой авиационной техники, эксплуатируемой в самых разных климатических зонах, потребовало создания надежной РЭА. Циклические изменения температуры и влажности приводят к ускоренному старению применяемых конструкционных материалов, что способствует преждевременному появлению неисправностей аппаратуры. Материалы, применяемые для защиты функциональных узлов и элементов РЭА, должны обладать низкой влагопроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами, способностью конструктивно сочетаться с другими материалами, быть стойкими по отношению к окружающей среде при эксплуатации. Увеличение влажности воздуха, а в предельных случаях и конденсация влаги, приводят к ухудшению диэлектрических свойств РЭА и в первую очередь подложки печатных плат (ПП). Особо остро эта проблема стоит при эксплуатации в тропических условиях, а также при резких перепадах температур с образованием инея и росы. Как правило, ПП подвержены влиянию окружающей среды (пыль, грязь, влага, микрофлора и многое другое). Кроме того, печатные проводники на наружных слоях оказываются просто без электрической изоляции, что может стать причиной различных отказов в работе аппаратуры. Все эти проблемы решаются при помощи лакокрасочных покрытий (ЛКП), выполняющих функции диэлектрического изолятора и диффузионного барьера по отношению к влаге. Нанесение дополнительного изоляционного покрытия на печатный узел (ПУ) является одним из наиболее распространенных методов влагозащиты. Это обусловлено тем, что по совокупности эксплуатационных и технологических характеристик ЛКП имеют существенные преимущества перед другими видами защитных покрытий для ПП и электронных модулей,
так как они наиболее экономичны и просты по способу их нанесения, в отличие от неорганических покрытий [1].
Под защитными свойствами ЛКП подразумевается его способность обеспечивать требуемое для радиоэлектронных устройств электрическое сопротивление при воздействии на них различных климатических и эксплуатационных факторов [2].
Так, при приложении электрического поля к ЛКП в нем возникают сложные физические процессы, которые не характерны для металлических поверхностей. Внешние электроны атомов в полимерной пленке всегда участвуют в образовании химических связей и, в отличие от металлических покрытий, прочно удерживаются в молекулярных структурах. Под влиянием приложенного электрического напряжения к полимерному покрытию происходит некоторое смещение электронов внутри атомов. Это смещение, приводящее к образованию на поверхности ЛКП зарядов различных знаков, называется диэлектрической проницаемостью. Как количественная величина она характеризует поляризационную устойчивость каждого конкретного покрытия. Чем она выше, тем лучше диэлектрик.
Если диэлектрик состоит из неполярных молекул, как например, полиэтилен, то диэлектрическая проницаемость его невелика, так как в нем отсутствует внутреннее электрическое поле. В этом случае заряды различных знаков (диполи) образуются под действием внешнего приложенного электрического поля. Полимерный диэлектрик, состоящий из полярных молекул, как, например, покрытие из эпоксидных, полиуретановых, фенольно-масляных лаков, имеет внутреннее электрическое поле, и его наложение на внешнее поле увеличивает диэлектрическую проницаемость за счет повышения величины ориентации образующихся диполей [3].
После прекращения действия электрического поля, снятия его с поверхности диэлектрика, диполи в нем должны возвратиться в исходное положение. Однако это происходит только в том случае, когда приложенное электрическое напряжение не превышает некоторого предела, характерного для конкретного диэлектрика. Если же напряжение электрического поля, приложенного к покрытию, превышает эту величину, происходит пробой диэлектрика, сопровождающийся разрушением и потерей полимером электроизоляционных свойств. В этом случае поворот диполей и их ориентация становятся необратимыми. Это свойство называется пробивным напряжением или пробивным сопротивлением, его величина зависит не только от химического строения ЛКП, но и от глубины протекающих в нем химических превращений, адгезионной прочности, стойкости к влаге и воздействие переменных температур.
Электроизоляционные свойства ЛКП существенно зависят и от сплошности, равномерности защитного лакового слоя, что обеспечивается многократностью его нанесения толщиной 50-70 мкм. Сплошность покрытия также зависит от глубины химических превращений в покрытии при его формировании. Однако сильно химически сшитая структура ЛКП может снизить подвижность звеньев полимерной цепочки и ее ориентацию к
подложке, тем самым ухудшив адгезионную прочность вплоть до полного отслаивания покрытия. В связи с этим при разработке рецептуры гидрофобного электроизоляционного лака необходим сбалансированный подход к выбору соотношения компонентов.
В настоящее время в отечественной промышленности применяются такие влагозащитные электроизоляционные лаки для 1111, как эпоксидные ЭП-9114, ЭП-730, фенольно-масляный лак ФЛ-582 и эпоксиуретановый лак УР-231.
Наиболее широкое промышленное применение получил двухкомпонентный эпоксиуретановый лак УР-231. В работе [4] были проведены эксперименты, подтверждающие возможность ускоренного отверждения лака УР-231 под действием УФ-излучения и получены пленки, не уступающие по свойствам пленкам, формируемым термоотверждением. Полученные данные (рис. 1) показывают, что при действии УФ-излучения отверждение до степени 0,35 достигается через 30 мин. В основном за счет полимеризации по двойным связям ненасыщенных кислот. Дальнейшая реакция протекает по механизму полиприсоединения при Т= +20 °С в течение 5 суток с образованием пленки с твердостью около 0,65 отн. ед.
ТО 20 ЗО * , МИН.
Рис.1. Зависимость степени отверждения лака УР-231 от времени излучения - • - сразу после УФ-излучения, - через 5 суток после УФ-излучения 1 - Твердость, 2 - Гель-фракция
Изучены физико-механические свойства пленок лака УР-231 (табл. 1).
Табл. 1. Свойства покрытий на основе лака УР-231 при различных способах _отверждения_
Показатель Конвекционная Сушка при УФ-излучении
сушка Без фотоинициатора Тригонал Бензил
Время отверждения, ч 8 0,5 0,25 0,25
Влагопоглощение,% 1,2 1,2 1,8 1,4
Адгезия к меди, баллов 2 2 3 2
Эластичность, мм 1 1 3 3
Твердость, отн. ед. 0,7 0,7 0,7 0,7
Ударная прочность, см 50 50 10 20
Спиртобензо-стойкость обеспечивается
Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что введение фотоинициаторов в лак УР-231, заметно не увеличивая скорости отверждения, снижает физико-механические свойства пленок лака. Поэтому
представляется целесообразным при УФ-отверждении использовать лак УР-231 без специальных добавок.
Общим существенным недостатком отечественных
электроизоляционных лаков является их длительный температурный режим отверждения - 8-10ч при 65 °С.
Разработка изделий авиационной техники, работающих в экстремальных условиях, а также выпуск их большими сериями приводит к необходимости замены традиционно применяемых лаков типа эпоксиуретанового УР-231, эпоксидных ЭП-9114, ЭП-730 и фенольно-масляного лака ФЛ-582 на материалы нового поколения с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.
Для повышения гидрофобных электроизоляционных свойств покрытий, стойкости к воздействию спирто-нефрасовой смеси в мире проводятся исследования по разработке лаковых покрытий на основе фторсополимерных и полиорганосилоксановых пленкообразователей. Исследованиями по оценке влияния сверхтонких взаимодействий на диффузионную проницаемость полимерных мембран, выполненными во ФГУП «ВИАМ», показано, что фтор- и хлорсодержащие полимеры обладают наименьшей проницаемостью для паров воды. Проведенные при этом теоретические расчеты позволили установить степень влияния атомов С1, Б, и Бг на диффузионную проницаемость полимеров для паров. Наименьшую диффузионную проницаемость имеют хлорсодержащие карбоцепные полимеры. Далее по степени влияния следуют Бг и Б [5]. Это очень перспективное направление работы. Ожидается также, что новые покрытия будут обеспечивать высокую адгезию к различным видам подложек.
Библиографические ссылки
1. Научно-технический сборник «Авиационные материалы и технологии», Москва 2003. 195 с.
2. Кочкин В.Ф., Гуревич А.Е. Лакокрасочные материалы и покрытия в производстве радиоаппаратуры. - Л.: Химия, 1991г. - С. 52-59
3. Тихомиров В.Б. Полимерные покрытия в атомной технике. - М.: Атом-издат, 1965.- С. 262-266
4. Амеличева В.В. Фотополимеризующаяся электроизоляционная композиция для защиты плат печатного монтажа, дисс. на соискание уч. ст. к.т.н., Москва 1986. 157 с.
5. Кондрашов Э.К. «Сверхтонкие взаимодействия и диффузия в полимерах». М. Спутник. 2004. С. 12-20
