Герметизирующие конструкции с замкнутыми газовыми полостями

К такому типу конструкций относятся все полые корпуса и некоторые виды монолитных герметизирующих конструкций. В полых корпусах внутренние газовые полости являются отличительным признаком конструкции. К ним относятся вакуумплотные корпуса на основе неорганических газо- и влагонепроницаемых материалов (металлостеклянные, керамические, стеклянные и другие корпуса); полые пластмассовые корпуса; полимерсодержащие корпуса на основе неорганических материалов, но герметизированные полимерными материалами (металлополимерные, герметизируемые заливкой компаундом; керамические; герметизируемые приклеиванием крышки к рамке корпуса; металлические корпуса, герметизируемые с помощью резиновых прокладок и т. д.).

При герметизации в вакуумплотных корпусах проблемы механического повреждения герметизирующей оболочки не существует, поскольку неорганические материалы, используемые для изготовления таких корпусов, имеют высокие механические характеристики, поэтому в данном случае будет иметь место просто повышение или понижение давления газовой среды внутри корпуса в зависимости от его температуры.

Вероятность механического повреждения герметизирующей оболочки существует при использовании для герметизации тех полимерных материалов, которые при переработке и изменении температуры существенно изменяют свою вязкость (заливочные компаунды, клеи, растворы полимеров и др.). Непосредственно после контакта с конструктивами эти материалы некоторое время обычно сохраняют текучесть, и изменение давления внутри полости может приводить к образованию в герметизирующей оболочке пузырей или сквозных каналов (при повышении давления в полости) или к заполнению части объема полости герметизирующим материалом (при понижении давления в ней) (рис. 4.3).

Эта проблема отсутствует в случаях, если полимерный материал не обладает отмеченными свойствами (например, при герметизации с использованием резиновых прокладок). Аналогичные дефекты в герметизирующей оболочке могут появляться в некоторых случаях и при герметизации в монолитных конструкциях. Появление внутренних газовых

Рис. 4.3. Микросборки, герметизированные в металлополимерных корпусах без дефектов, приводящих к разгерметизации (a); с затеканиями компаунда внутрь корпуса (б); со сквозным каналом между стенкой корпуса и подложкой (в); 1 – металлический колпачок; 2 – керамическая подложка; 3 – компаунд;4–внешний вывод микросборки; 5 - сквозной канал, приводящий к разгерметизации корпуса.

 

полостей в таких конструкциях объясняется "захлопыванием" воздуха герметизирующим материалом в зазоре между навесным компонентом и подложкой, образуемым при сборке и монтаже компонентов со спецвыводами (например, полупроводниковых ИС с шариковыми выводами). На рис. 4.4 показаны характерные дефекты в герметизирующей оболочке, появившиеся в результате испарения растворителей из материала оболочки в полость. Аналогичные явления могут наблюдаться при нанесении защитного лака на печатную плату ячейки с корпусами компонентов, монтируемыми на поверхности платы с воздушными зазорами между платой и корпусами.

На рис. 4.5 показан характер изменения давления в газовой полости при герметизации бескорпусного конструктива. Вначале давление увеличивается, а затем, достигнув максимального значения, начинает постепенно падать вследствие диффузии паров растворителей из полости во внешнюю среду. При разрыве оболочки давление в газовой полости резко падает до атмосферного.

Данные, полученные на практике и приведенные в табл. 4.4, показывают, например, что исключение из раствора полимера этилового спирта приводит к получению качественного герметизирующего покрытия.

Для уменьшения степени повреждения герметизирующей оболочки следует уменьшать объемы газовых полостей в герметизируемых изделиях, использовать герметизирующие составы, по возможности, с большей вязкостью, а процесс до потери текучести герметизирующего материала (т. е. процесс желатинизации) проводить при низкой температуре, равной температуре самой герметизации.

 

 

Рис. 4.4. Характерные дефекты в монолитных герметизированных конструкциях (герметизация обволакиванием) непосредственно после герметизации (а) и после выдержки в нормальных условиях (б); 1 – внешний вывод; 2 – навесной компонент со столбиковыми выводами;
3 – газовая полость; 4 – герметизирующий материал; 5 – подложка микросборки; 6 – сквозной газовый канал.

 

 

Рис. 4.5. Характер изменения давления в замкнутой газовой полости во времени: 1 – начальное давление после контакта герметика с конструк­тивом (например после обволакивания его герметиком) при Р_атм; 2 – повышение давления при испарении растворителей; 3 – понижение дав­ления при диффузии растворителей в герметизирующий материал и по­следующем испарении в атмосферу; 4 – понижение давления при нару­шении герметизирующей оболочки.

 

Таким образом, в растворах полимеров для герметизации предпочтительнее использовать смеси на основе растворителей с низким парциальным давлением паров.

Таблица 4.4.

Влияние на состояние покрытия видов растворителей,
содержащихся в герметизирующих тиксотропных компаундах
(для изделий, аналогичных изображенным на рис. 4.4)

 

№ герме-тика	Состав герметика	Состояние покрытия
Фенолфор-мальдегид-ная смола	Этилцел-лозольв	Толуол	Этиловый спирт
					Вспучивания или сквозные каналы
				-	Хорошее

 

С увеличением вязкости состава возрастает также толщина герметизирующего слоя и уменьшается вероятность прорыва слоя смесью воздуха и паров растворителей.

Повреждения герметизирующей оболочки изделий, подобные изображенным на рис. 4.3, вызванные колебаниями технологических температур, на практике удается избегать путем проведения термообработки изделий до наступления желатинизации компаунда (резкого повышения его вязкости) при постоянной температуре. С этой целью часто используют специальную оснастку, обладающую большой массой, что обеспечивает отсутствие градиентов температур (например, массивные металлические плиты с гнездами для изделий и др.). Эффективным средством повышения качества герметизации является использование герметизирующих компаундов, содержащих вместо растворителей активные разбавители (которые не выделяют летучих компонентов) и участвуют в формировании структуры полимера без образования побочных продуктов.

 

Исходные данные и варианты заданий

При выполнении заданий считается, что герметизация изделий осуществляется растворами полимеров, содержащими в своем составе смесь растворителей. Испарение каждого из растворителей происходит с определенной скоростью в соответствии с его летучестью. Ввиду малого объема газовых полостей предполагается, что испарение растворителей не приводит к изменению концентрации раствора полимера. В предполагаемых вариантах заданий расчеты должны проводиться для установившегося состояния, когда давление пара каждого растворителя достигает своего максимального значения для данной концентрации раствора полимера.

Исходные данные для выполнения заданий выбираются из табл. 4.5 в соответствии с заданным вариантом.

Далее необходимо:

1) определить давление в газовых полостях при термообработке заданной конструкции с учетом данных табл. 4.5.

2) определить минимальную концентрацию герметизирующего раствора полимера и массу испарившихся в замкнутую газовую полость паров растворителей.

3) результаты расчета внести в форму табл. 4.6, которая должна быть заполнена полностью;

4) выполнить эскиз заданной герметизирующей конструкции и представить результаты выполнения задания в виде табл. 4.7 и 4.8;

5) сформулировать выводы по результатам выполненных расчетов.