СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ И СОСТАВ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ
FORMATION METHOD OF PROTECTIVE COATING, AND COMPOSITION FOR COATING

Предлагаемые для рассмотрения материалы заявки относятся к электронной технике, а именно к защитным покрытиям электронных бескорпусных элементов, содержащих электрические выводы и установленных на открытой плате.
Известен способ защиты изделий, в частности керамических конденсаторов, эпоксидным компаундом, пат. СССР 1830074, 1993 г. Эпоксидный компаунд, содержащий эпоксидную диановую смолу, полиэтиленполиамин, крезилглицидиловый эфир, молотый наполнитель (слюда и тальк), а также пигменты, требует при применении длительного и многоступенчатого отверждения по сложному механизму. К тому же он не обеспечивает надежной защиты определенных типов многослойных керамических конденсаторов.
Применение способа по патенту РФ 2083628, связанного с использованием эпоксидного компаунда, включающего эпоксидную диановую смолу, ПЭПА, крезилглицидиловый эфир и наполнители, может из-за высокой твердости компаунда вызвать повреждение выводов поверхностей электронных элементов в условиях тепловых и механических нагрузок.
-6
2
Известен способ формирования защитного покрытия электронных элементов по пат. РФ 2296439. Зазор между установленными элементами заполняют клеем с вязкостью (15-20)10 м/с, после полимеризации которого наносят слой герметика, например «Виксинт» К-68, а затем компаунд на основе эпоксидной смолы. После отверждения верхнего слоя всю плату с установленными элементами покрывают защитным лаком. Способ является многостадийным, многооперационным, трудоемким, связан с применением веществ различных классов. В результате его использования могут возникнуть значительные напряжения на границе между слоями.
-6
2
Более простым и целесообразным представляется способ формирования защитного слоя платы с установленными на ней бескорпусными электронными элементами, который включает нанесение защитного покрытия с последующей сушкой, пат. РФ №2346419. При выполнении способа необходимое количество компаунда с вязкостью (15-20)10 м/с, например компаунда «Эласил 138-180», вручную наносят на каждый бескорпусный электронный элемент, начиная с самого высокого. Добиваются растекания равномерным слоем как по бескорпусным электронным элементам, так и по плате. Для этого вручную наклоняют плату длительное время в разные стороны. Затем компаунд на плате сушат при температуре 20-25°С в течение 15-16 часов и далее при температуре 60-70°С в течение 7-8 часов. В результате удается избежать многослойности получаемого покрытия. Однако нанесение компаунда является трудоемкой операцией, проводимой кустарно и на глазок, когда равномерности покрытия пытаются добиться многократным наклоном платы в разные стороны в ручную. Производительность не высока, стабильность результатов при ручном нанесении и растекании в условии постепенного нарастания вязкости не гарантирована. Сушка является длительной процедурой и занимает 15-16 часов. Кроме того, требуется дополнительное нагревание в течение 7-8 часов при 60-70°С, что мало благоприятствует сохранности тонких спаек в электронных изделиях. Основным недостатком способа-прототипа является стекание компаунда с бескорпусных элементов платы в процессе многочасовой сушки в течение времени, пока материал еще сохраняет текучесть. В этом случае неизбежна неравномерность покрытия по толщине на ряде участков, возможно полное оголение поверхности высокорасположенных элементов.
Технической задачей предлагаемого для рассмотрения способа является формирование защитного покрытия с требуемыми параметрами за меньшее время, с более высокой производительностью процесса и стабильностью получаемых результатов.
Поставленная задача решается тем, что подготовленную к операции нанесения защитного покрытия плату устанавливают в эластичную кассету, имеющую возможность совершать пространственные перемещения; поворачивают кассету монтажом вниз, погружают на определенную глубину в емкость с силиконовым компаундом заявляемого состава, выдерживают 30-40 сек, поднимают из емкости с компаундом на 30-40 сек, переворачивают в исходное состояние, придавая пространственное перемещение, дополнительно экспонируя и применяя нагрев при температуре 40-50°С до полного отверждения компаундом.
Таким образом, формируется требуемое защитное покрытие.
Кассета берется эластичной для того, чтобы обеспечить плотное облегание платы стенками кассеты и ее удержание при перемещениях и переворачивании.
Кассета закреплена в узле, который может придавать кассете вместе с помещенной в нее платой вращательно-колебательные движения, а также осуществлять подъем кассеты относительно первоначального положения и поворачивать ее по горизонтальной и вертикальной осям.
Глубина погружения платы в компаунд регулируется высотой внешних стенок кассеты, которые в положении погружения платы упираются в боковые стенки емкости с компаундом.
Время погружения платы в компаунд достаточно, чтобы компаунд проник в узкие участки рельефа платы, заполнил их, вытеснив воздух.
После подъема кассеты из компаунда излишек компаунда стекает в емкость, при этом компаунд начинает отверждаться. За время 30-40 сек его вязкость достигает такого значения, что компаунд начинает медленно застывать на выступающих частях монтажа с покрытием их требуемым по толщине слоем.
Затем кассету переворачивают в исходное положение и придают вращательно-колебательное движение для более равномерного распределения защитного покрытия по поверхности монтажа.
Экспонирование и нагрев ускоряют процесс отверждения компаунда и могут применяться при необходимости.
При нанесении покрытия проводят визуальный контроль его сплошности по всей поверхности, включая вертикальные участки.
Вязкость, набранная наносимым компаундом, обеспечивает равномерность стекания компаунда с высоких участков платы после поворота платы в исходное положение. При этом происходит непрерывное нарастание вязкости и часть компаунда застывает на поверхности наклонных и вертикальных участков.
Таким образом, предлагаемый для формирования защитного покрытия способ с использованием предлагаемого состава компаунда позволяет создать защитное покрытие требуемых свойств и за более короткое время, что повышает производительность процесса и обеспечивает стабильность полученных результатов.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Собранную и очищенную растворителем плату обрабатывают праймером с применением известных технологий (например, напыление или нанесение кистью с последующей осушкой). Плату устанавливают в эластичную кассету, соединенную с системой (например, перемещающийся на оси стол), способной придавать кассете с помещенной платой вращательно-колебательное движение, осуществлять подъем относительно исходного положения, а также поворачивать ее на горизонтальной оси. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с силиконовым компаундом заявляемого состава. Соотношение компонентов компаунда подбирают с учетом технологически необходимой вязкости и времени потери текучести компаунда, ориентируясь на специфические особенности рельефа поверхности нанесения покрытия. Выдерживают 30-40 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда, и выдерживают еще 30-40 сек. Избыток материала при этом возвращается в исходную емкость. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют при вращательно-колебательном движении до полной потери текучести. При отверждении компаунд растекается по основанию платы, заполняя все неровности и выводы расположенных на плате элементов, частично оставаясь на вертикальных участках. Компаунд экспонируют при комнатной температуре с выбранной в зависимости от геометрических характеристик и размера платы интенсивностью вращательно-колебательных движений вплоть до полной потери компаундом текучести.
Отличием заявляемого способа от прототипа является способ нанесения компаунда на поверхность: путем окунания в перевернутом положении с последующей экспозицией и стеканием излишков компаунда обратно в емкость. При этом на первом этапе осуществляют проводимое механическим путем в эластичной кассете вращательно-колебательное движение, способствующее быстрому растеканию компаунда с заполнением узких и сложных по профилю участков платы.
За счет подбора свойств применяемого компаунда, а именно динамики изменения его вязкотекучих свойств и времени окончательного отверждения, в сочетании с применением непрерывного вращательно-колебательного воздействия, а также на этапе статичного стекания набравшего вязкость материала с высоких участков удается добиться сплошности покрытия, как на сложнопрофильной плоскости платы, так и на вертикальных участках и участках с наклоном, расположенных выше элементов. Необходимая толщина покрытия регулируется за счет медленного нарастания вязкости стекающего компаунда.
Применяемый компаунд имеет следующий состав, мас.ч.:
Каучук силиконовый низкомолекулярный М 60000-100000
100
Полиэтиленполиамин (ПЭПА)
2-4
Аэросил 175
5-10
Диоксид титана
20-30
Этилсиликат-40
3-7
Полиалкилсилоксан
до 10
Диэтилдикаприлат олова
до 3
В настоящей работе использованы следующие технические материалы:
Каучук силиконовый СКТН-В
ГОСТ 13835-73
Каучук силиконовый СКТН-Г
ГОСТ 13835-73
Диоксид титана
ГОСТ 9808-84
Аэросил
ГОСТ 14922-77
Полиалкилсилоксан ПМС-50
ГОСТ 13032-77
Полиалкилсилоксан ПМС-300
ГОСТ 13032-77
Диэтилдикаприлат олова К-18
ГОСТ 230-15
Полиэтиленполиамин (ПЭПА)
ТУ 2413-357-00203447-99
Этилсиликат-40
ГОСТ 26371-74
Ниже приводятся примеры конкретного исполнения заявляемого способа формирования защитного покрытия.
Пример 1
Плату обезжиривают смесью ацетона и гексана. Сушат 20 минут. На поверхность через форсунку тщательно напыляют праймер - 40% раствор подслоя П-11 в смеси ацетона и гексана. Сушат 20 минут. Устанавливают плату в эластичную кассету, связанную с движущейся системой. Предварительно готовят материал следующего состава, мас.ч.:
Каучук СКТН-В
100
Аэросил
10
Диоксид титана
30
Этилсиликат-40
3
ПМС-50
5
Смесь данного состава не подвержена отверждению и может быть приготовлена заранее в необходимых количествах. Для ее отверждения непосредственно перед применением готовят компаунд. При этом смесь тщательно перемешивают, добавляют 2,5 мас.ч. ПЭПА и 2,5 мас.ч. диэтилдикаприлата олова. Наливают компаунд в емкость. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с компаундом. Выдерживают 30 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда, и выдерживают еще 30 сек. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют плату при вращательно-колебательном движении и комнатной температуре до полной потери текучести.
Нанесенный компаунд равномерным слоем распределяется по всей поверхности, заполняя сложный профиль сборки, в том числе узкие и труднопроходимые участки, и оставаясь на высоких участках. В процессе отверждения компаунд набирает вязкость за счет полимеризации, равномерно стекает, оставаясь в отверженном состоянии на вертикальных и наклонных участках платы. При снижении текучести нанесенный компаунд все медленнее стекает с высоких мест. Однако толщина покрытия на высоких местах, острых гранях и вертикальных стенках остается к моменту полной потери текучести сплошной и относительно равномерной по толщине. Через 30 мин плату вынимают из кассеты и передают для дальнейшего применения.
Пример 2
Плату обезжиривают смесью ацетона и гексана. Сушат 20 минут. На поверхность через форсунку тщательно напыляют праймер - смесь, содержащую 40% ПЭПА и 60% ацетона. Сушат 40 минут. Устанавливают плату в эластичную кассету. Используют материал следующего состава, мас.ч.:
Каучук СКТН-Г
100
Аэросил
7
Диоксид титана
20
Этилсиликат-40
7
ПМС-300
7
Смесь тщательно перемешивают, добавляют 2,5 мас.ч. ПЭПА и 2,5 мас.ч. диэтилдикаприлата олова. Наливают компаунд в емкость. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с компаундом. Выдерживают 30 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда, и выдерживают еще 30 сек. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют плату при вращательно-колебательном движении и комнатной температуре до полной потери текучести. Через 40 мин плату вынимают из кассеты и передают для дальнейшего применения.
Пример 3
Плату обезжиривают смесью ацетона и гексана. Сушат 20 минут. На поверхность через форсунку тщательно напыляют праймер - смесь, содержащую 30% метилтриацетоксилана (К-10-С) и 70% ацетона. Сушат 15 минут. Устанавливают плату в эластичную кассету, готовят материал следующего состава, мас.ч.:
Каучук СКТН-Г
100
Аэросил
7
Диоксид титана
25
Этилсиликат-40
5
Смесь тщательно перемешивают, добавляют 4,0 мас.ч. ПЭПА. Наливают компаунд в емкость. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с компаундом. Выдерживают 30 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда и выдерживают еще 30 сек. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют плату при вращательно-колебательном движении и комнатной температуре до полной потери текучести. Через 45 мин плату вынимают из кассеты и передают для дальнейшего применения.
Пример 4
Плату обезжиривают смесью ацетона и гексана. Сушат 20 минут. На поверхность через форсунку тщательно напыляют праймер - смесь, содержащую 40% П-11 и 60% ацетона. Сушат 40 минут. Устанавливают плату в эластичную кассету. Используют материал следующего состава, мас.ч.:
Каучук СКТН-Г
50
Каучук СКТН-В
50
Аэросил
8
Диоксид титана
28
Этилсиликат-40
4
ПМС-50
8
Смесь тщательно перемешивают, добавляют 2,0 мас.ч. ПЭПА и 2,5 мас.ч. диэтилдикаприлата олова. Наливают компаунд в емкость. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с компаундом. Выдерживают 35 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда, и выдерживают еще 35 сек. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют плату при вращательно-колебательном движении и комнатной температуре до полной потери текучести. Через 35 мин плату вынимают из кассеты и передают для дальнейшего применения.
Пример 5
Плату обезжиривают смесью ацетона и гексана. Сушат 20 минут. На поверхность через форсунку тщательно напыляют праймер - смесь, содержащую 40% П-11 и 60% ацетона. Сушат 40 минут. Устанавливают плату в эластичную кассету. Используют материал следующего состава, мас.ч.:
Каучук СКТН-Г
60
Каучук СКТН-В
40
Аэросил
7
Диоксид титана
27
Этилсиликат-40
4
ПМС-300
6
Смесь тщательно перемешивают, добавляют 3,0 мас.ч. ПЭПА и 2,0 мас.ч. диэтилдикаприлата олова. Наливают компаунд в емкость. Кассету с платой переворачивают и окунают в емкость с компаундом. Выдерживают 35 сек. Поднимают, полностью удаляя кассету из компаунда, и выдерживают еще 40 сек. Поворачивают кассету в исходное положение и экспонируют плату при вращательно-колебательном движении и комнатной температуре до полной потери текучести. Через 42 мин плату вынимают из кассеты и передают для дальнейшего применения.
Таким образом, решена техническая задача предлагаемого для рассмотрения способа с использованием предлагаемого компаунда:
достигнуто ускорение и упрощение технологического процесса;
повышена производительность процесса формирования защитного покрытия;
повышена равномерность толщины покрытия по профилю платы с ее элементами; стекание состава происходит с нарастающей вязкостью и в течение незначительного времени;
разработаны и применены составы для компаунда, соответствующие поставленной технической задаче;
устранен длительный процесс сушки материала покрытия с привлечением повышенных температур;
стабильность результатов достигается как за счет растекания компаунда при движении кассеты, так и за счет визуального контроля сплошности растекания компаунда при движении кассеты. При этом растекание производится как предложенного состава, так и за счет вращательно-колебательных движений для распределения компаунда по поверхности, производимого непрерывно.
Предложенный способ формирования защитного покрытия и состав компаунда для покрытия были разработаны в ОАО «Технологическое оснащение» в г. Санкт-Петербурге и успешно опробованы при защите плат электронных элементов для малогабаритной аппаратуры, работающей в широком диапазоне механических и климатических нагрузок. Нанесенное защитное покрытие данным способом на платы с электронными элементами обладает термостойкостью и механическими противоударными свойствами, полностью отвечающими техническому заданию для действующих электронных блоков.
Предложенный для рассмотрения состав компаунда разработан и испытан в ОАО «Технологическое оснащение» в г.Санкт-Петербурге. Его применение позволяет обеспечить электрически и механически прочное покрытие при быстром его отверждении.
Таблица 2
Свойства материала защитного покрытия
№ состава
Прочность вулканизата на разрыв, МПа
Относительное удлинение вулканизата при разрыве, %
Прочность вулканизата на раздир
Время до потери текучести, мин
Время отверждения до съема изделия, мин
Исходная текучесть
1.
1,22
112
+
15
23
++
2.
1,35
150
++
13
17
+
3.
1,32
125
++
14
19
+
4.
0,95
100
-
20
30
++
5.
1,67
155
++
10
14
-
6.
1,44
140
+
16
20
+
7.
1,36
140
+
16
25
+
8.
1,45
135
+
16
24
++
9.
1,37
110
+
15
20
+
10.
1,33
124
+
14
17
+
+ - удовлетворительно
++ - хорошо
- - неудовлетворительно