Защита монолитными оболочками

Подробное рассмотрение монолитных оболочек начнем с защитных покрытий.

А. Защитные покрытия.

Для защиты несущих конструкций от влияния климатических факторов и для придания их поверхности специальных свойств (повышение электро- и теплопроводности, экранирование, отражение и т.д.) применяются покрытия.

По способу получения покрытия делятся на металлические и неметаллические (неорганические и органические).

Перед нанесением покрытия поверхность (при необходимости) подвергается механической и химической обработке(обезжириванию, травлению, пассивации). Следует подчеркнуть, что практически все нанесенные покрытия увеличивают размер покрываемой поверхности, поэтому при соблюдении точных посадок конструктору нужно учитывать этот факт.

Металлические покрытия наносят обычно горячим способом, гальванически и диффузно. Очевидно, что виды покрытий определяются материалом, наносимым на защищаемый объект.

Цинковые – применяются для защиты от коррозии деталей из стали и алюминиевых сплавов, а также для получения светопоглощающей поверхности. Не применяется при морских условиях эксплуатации. Толщина покрытия порядка 6…20 мкм. Обозначение на чертеже: Ц6.хр, где “6” обозначает минимальную толщину покрытия.

Кадмиевое - защита от коррозии в морских условиях изделий из стали, меди и медных сплавов. Толщина 10...30 мкм. Обозначение: Кд9.хр.

Никелевое - защита от коррозии, придание отражательной способности. Покрытие пористо, возможно отслаивание. Используется для изделий из стали, меди и алюминиевых сплавов. Толщина 3…18 мкм. Обозначение: Н24, Хим Н36 (при химическом способе изготовления).

Хромовое – защита от коррозии, декоративная отделка, увеличение износостойкости. Покрытие полируется. Используется для стали, меди и сплавов. Толщина 9…48 мкм. Обозначение Х18. Чаще применяют вместе с никелем (никельхромовое покрытие) Н12х.

Оловянное и оловянно-свинцовое – улучшение пайки. Наносится на сталь и медные сплавы. Толщина 0…9 мкм. Обозначение: 0-С (60).

Серебряное - улучшение электропроводности, защита от коррозии контактов, пружин, лепестков. Наносится на все металлы и сплавы. Толщина 6…15 мкм. Обозначение: Ср9.

Золотое – уменьшение переходных сопротивлений контактов. Используется для меди и ее сплавов. Толщина 5…21 мкм. Устойчиво к агрессивным средам, но легко истирается. Обозначение: Зл 4, Ср6. Зл3 – в сочетании с серебряным покрытием.

Наиболее дешевые покрытия – неметаллические неорганические покрытия в виде соединения металла с кислородом – оксидирование.

Анодно – окисные покрытия получают анодной обработкой в водных растворах окислителя. Применяют для алюминия, меди, титана и их сплавов. Хорошая основа для лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков, электроизоляционных лаков. Тверды, износостойки со смазкой, тепло- и изоляционны.

Химическое окисное покрытие получают обработкой в водных растворах окислителей. Применяют для углеродистых сталей, алюминия, меди, магния и их сплавов. Невысокие защитные свойства, применяется только для повышения адгезии лакокрасочных покрытий.

Пассивация – обработка водными растворами нитрата или нитрита натрия. Пассивированные детали хранятся, не ржавея, несколько суток. Пассивация используется для защиты германиевых и кремниевых приборов на этапе производства или как подслой для других покрытий на изделиях из меди и ее сплавов, реже – стали. Сущность пассивации состоит в подавлении химически активных центров на поверхности защищаемого материала.

Для германиевых приборов используется пассивация этилированием или сульфидированием с получением защитной пленки 2-4 мкм.

Для кремниевых приборов пассивация осуществляется гидрофобизацией с нанесением прочного слоя порядка 0,1 мкм или силанированием с получением термостойкой с высокой адгезией пленки 0,01-0,1 мкм. Используется и окисление кремния с получением пленки SiO₂ толщиной 0,1-1,5 мкм.

Очень часто в ЭС используются неметаллические органические покрытия(лакокрасочные). Эти покрытия экономичны и долговечны. Применяются в различных условиях эксплуатации из-за большого разнообразия покрытий. Часто требуют предварительной обработки поверхности.

Лаки и эмали на битумной основе обладают атмосферной стойкостью, прочностью к растворителям и температуре.

Эмалиевые краски на масляно-лаковой основе тверды, шлифуются и полируются.

Полиуретановые и эпоксидные лаки механически прочны и электроизоляционны.

Кремний органические лаки обладают теплостойкостью до 400⁰ С и гидрофобностью (несмачиваемостью).

Полимерные покрытия имеют химическую стойкость в агрессивной среде (полиэтилен), антифрикционность (полиамид), высокие диэлектрические свойства (фторопласт) и т.д.

Некоторые примеры выбора лакокрасочных покрытий:

Тропический климат: перхлорвиниловые эмали ХВ-124, ХВ-125, молотковые эмали МЛ-12, эпоксидные эмали Э-5, Э-11 и др. Обладают высокой прочностью, тверды, хорошая адгезия; рабочая температура – 60…+ 100⁰ С.

Умеренный климат: нитроцеллюлозные эмали НЦ-11 и др. Декоративны, прочны, полируются, температура – 60…+60⁰ С.

Воздействие пресной и морской воды: сополимервинилхлоридные эмали ХС78 и др. Тверды, прочны. Используются для стали и алюминиевых сплавов.

Воздействие повышенных температур: кремний органические эмали Эм-9 и др., гдифталовые эмали ГФ-820 и др. Тверды, прочны, температура – 60… +250⁰ С.  

Электроизоляция: полиуретановый лак УР-31, фенольный лак СБ-1с, бакелитовые лаки А, Б, Эф и др.       

Защита с помощью создания стеклянной оболочки используется на этапе производства. При толщине пленки около 10 мкм не всегда обязательная дополнительная герметизация.

Особенность защиты состоит в трудности получение стекол с низкой температурой размягчения и малым ТКЛР. Поэтому часто при резком изменении температуры среды в стеклянной пленке возникают трещины.

Наносят стекло термическим испарением в вакууме, пульверизацией и наложением заготовок с последующим их плавлением.

В заключение параграфа проведем систематизацию покрытий с наполнением ГОСТов по их выбору.

По назначению покрытия делят на:

- Защитные (от коррозии, старения, высыхания и пр.).

- Защитно-декоративные (защита и придание внешнего вида).

- Специальные (придающие особве свойства поверхности, например, отражательности, электропроводности и др., или защищающие от особых сред).

По способу получения на:

- Металлические (ГОСТ 9.303-84)

- Неметаллические неорганические (ГОСТ 9.303-84)

- Неметаллические органические (ГОСТ 9.401-79 и ГОСТ 9.404-81)

Подслой чаще всего бывает окисным или металлическим с последующим нанесением лакокрасочного покрытия. Главное условие такого покрытия – беспористость.

Завершающие рекомендации по выбору покрытия для конструкций ЭС:

1) Выбор покрытия производится с учетом функционального назначения покрываемой детали и воздействия окружающей среды.

2) Детали внутри блоков следует защищать металлическими покрытиями или оксидными пленками.

3) Детали, соприкасающиеся с внешней средой, защищают лакокрасочными покрытиями с предварительной пассивацией или оксидированием.

4) Сварные или клепаные швы подвергаются сильной коррозии и должны защищаться многослойными лакокрасочными покрытиями.

Б. Защита изоляционными материалами.

Пропитка состоит в заполнении имеющихся пустот, пор и каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением пустот на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий ее от агрессивной внешней среды. При этом дополнительно повышается электрическая прочность изделия, механически скрепляются отдельные элементы, вытесняется воздух из пор, что улучшает теплопроводность.

Однако при пропитке увеличивается масса изделия. Выбор пропиточного состава определяется хорошей текучестью, химической неитральностью, адгезией, электроизоляционными свойствами, теплопроводностью. Какой-либо один материал этим набором свойств не обладает. Применяются: церезин, парафин, компаунды ЭД-5, Ф-95, ЭТР-5 и др. Обычно пропитку используют в комбинации с другими методами, например, заливкой или опресовкой.

Заливка состоит в заполнении всех свободных полостей изделия, в том числе и пространства между корпусом и кожухом, электроизоляционным материалом, который после отверждения образует достаточно толстый защитный слой. Заливку производят либо в постоянном корпусе изделия, либо в технологической форме. Т.к. объем заливочной массы большой, то при отверждении возникают внутренние напряжения, вызывающие обрывы проводников и поломку хрупких деталей. Поэтому применяют пластичные электроизоляционные материалы, образующие при полимеризации упругую резинообразную массу, на основе каучуков – герметик УТ-32, или пенообразующие материалы – пенополиуретаны или комбинации материалов.

1 – элементы

2 – герметизирующий полимерный материал

3 – выводы

4 – подслой из эластичного материала

Рис. 10.1. Заливка с подслоем.

Качество защиты при заливке определяется влагопроницаемостью материала, площадью и формой выводов и толщиной d заливки. Ориентировочно d выбирается из условий x величины V объема защищаемого изделия:

       V= 5-8 см³ ® d= 2-2,5 мм

       V= 10-200 см³ ® d@ 10 мм

       V> 200 см³ ® V_{заливки}= (0,1-0,2)×V

Требования к материалам заливки различны, и иногда трудносовместимы, например, хорошие влагозащитные свойства и высокая теплопроводность. Поэтому используют различные материалы:

- битумы нефтяные;

- компаунды;

- пенополиуритан.

Кроме того необходимо учитывать, что в рабочем диапазоне температур один и тот же компаунд может пререходить в разные состояния и резко менять свои свойства. То же происходит с компаундами и во времени.

Обволакивание – консервирующий метод, осуществляемый путем нанесения на поверхность изделиянегипроскопического изоляционного материала. По технике исполнения похож на прпитку. Однако здесь используется вязкий материал обладающий хорошей адгезией к элементам изделия.

Обволакивание выполняется пульверизатором или кратковременным (1,0-1,5 с) в специальный изоляционный материал.

Достоинство метода защиты в высокой экономичности, а недостаток – обязательная сушка для удаления влаги попавшей под защитный слой, а также сравнительно толстый слой полимера.

Применяется обволакивание в нежестких условиях эксплуатации, для защиты бескорпусных микроскобок и полупроводниковых элементов, а также для герметизации паяных и сварных швов.

В качестве материалов изоляции используются:

- лаки УР-231, СБ-1с, Гф-913, Э-4100;

- компаунды ЭКМ и др.

   Опрессовка – защита изделия толстым слоем термоплатичной или термореактивной пластмассы в технологических формах. Применяется также в тех случаях, когда может выполнять не только защитную роль, но и служитформообразующей основой для всей конструкции: корпуса транзисторов, корпуса МКС серии К-155. Использование типовой формы и размеров для элемнтов упрощает техпроцесс изготовления и снижает стоимость защиты в 2-3 раза по сравнению с полыми корпусами.

Герметичность опрессовки определяется в основном герметичностью узла “контактный вывод-пластмасса”. Для уменьшения механического напряжения в этом месте стараются подобрать ТКЛР металла и пластмассы приблизительно одинаковыми. Используют пластмассы ЭФП-63, К-81-39 и др.

Защита полыми оболочками

.Защита полыми оболочками применяется в основном для узлов и блоков ЭС. Для узлов (ИС, в частности) используются металлостеклянные, стеклянные, керамические и металлополимерные копуса. Герметизация достигается с помощью швов.

При разработке герметичных корпусов необходимо учитывать условия эксплуатации, изменения давления, возможные перепады температуры. Герметизация может быть полной и неполной.

А. Полная герметизация.

При полной герметизации внешние швы конструкции выполняют пайкой, сваркой, закаткой, заливкой специальными компаундами (герметиками).

   При использовании герметиков следует предусматривать специальные канавки, чтобы при отрицательных температурах герметик не оторвался от поверхности. Следует меть ввиду, что герметики могут изменять свое состояние под действием температуры или влаги, т.е. способны густеть, затвердевать, разбухать и пр.

   При больших перепадах давления кожуха герметичных приборов выполняются в виде сильфонов, изменяющих размер по высоте при перепаде давления.

 

Рис. 10.2. Швы корпусов в ЭС.

Решение о полной герметизации изделия принимает конструктор исходя из условий работы изделия, срока его службы, ремонтопригодности.

Для герметизации МКС применяют сварку, пайку, склейку. Герметизация выводов обеспечивается спаем ковар-стекло имеющими близкий ТКЛР. (ковар Н29К17). Кабельные выводы делают герморазъемами.

Дополнительное повышение надежности защиты достигается заполнением корпусов азотом, аргоном или другим инертным газом.

Для обеспечения ремонтопригодности необходимо использовать разъемные полые оболочки.

Б. Неполная герметизация.

При неполной (частичной) герметизации между корпусом и крышкой помешают эластичную прокладку, а в герметизируемый объем – влагопоглотитель, например, селикагель. Условие герметичности такого соединения – сохранение контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями. Применяют металлические (из свинца, алюминия, красной меди) прокладки, резиновые и полимерные.

При стягивании винтами металлические прокладки деформируются и могут возникнуть напряжения, превышающие предел текучести.

При использовании резиновых прокладок уплотнение достигается действием остаточных упругих деформаций. При сжатии прокладка заполняет специально сделанные канавки.

Рис. 10.3. Резиновые прокладки.

При использовании резины следует помнить о том, что для этого материала характерно свойство релаксации, т.е. постепенного падения внутренних напряжений при неизмененном значении деформации. Поэтому узел уплотнения с резиновой прокладкой следует подтягивать через двое суток после сборки, т.к. двое суток релаксация стабилизируется.

ГОСТ предусматривает применение резиновых шнуров круглого, квадратного и прямоугольного сечения. В зависимости от назначения они могут изготавливаться из кислотощелочной, теплостойкой, морозостойкой и маслобензиностойкой резины. Наличие резиновых прокладок из-за быстрого старения заставляет через 2-3 года заменять их.

Пластмассовые прокладки изготавлтвают из полиамида П-54, полиэтилена, фторопласта, винипласта и др.

Необходимость повышения плотности компоновки и разгерметизации для ремонта привели к появлению специального решения – паяный шов (рис. 10.4.: 1 – корпус 2 - резиновая прокладка 3 – стальная прокладка 4 – крышка 5 – припой)

 

Рис. 10.4. Паяный шов

Паяный шов нарушается с помощью стальной проволоки, расположенной под слоем припоя и имеющей свободный конец. Для защиты внутреннего объема РЭС от газов, выделяющихся при пайке, между корпусом и крышкой ставится резиновая прокладка. После запайки из корпуса откачивают воздух и заполняют объем сухим азотом под давлением 1,6^.10⁵ Па. Это позволяет избежать проникновения воздуха и влаги внутрь кожуха в течение нескольких лет. Шов по размеру невелик, а надежность такой герметизации велика.

   Завершая раздел укажем несколько основных выводов:

1) Защита металлическими, металлостеклянными, металлокерамическими и керамическими оболочками имеющими паяный или сварной шов в принципе – вакуумоплотная.

2) При полимерных оболочках невозможно осуществить вакуумоплотную герметизацию в принципе.

3) Выбор способа защиты зависит от допустимой концентрации влаги внутри, времени влагозащиты, концентрации влаги в среде, стоимости и объема конструкции.

4) Защита полимерными монолитными оболочками применяется для сравнительно небольшого времени влагозащиты (не более 30-40 суток) и при требовании низкой стоимости.

5) Герметизация полыми неорганическими оболочками обеспечивает большее время защиты, подороже и занимает больший объем.

6) Обычные свойства полых оболочек можно усилить использованием монолитных оболочек, необходимых уже на этапе производства компонентов.

                                             

Контрольные вопросы по главе 10.

 

1. Влияние влаги на различные металлы конструкции ЭС.

2. Влияние влаги на изоляционные материалы.

3. Влияние влаги на полупроводниковые материалы.

4. Последствия и результаты воздействия влаги на резисторы, конденсаторы, полупроводниковые и другие элементы конструкции ЭС.

5. Принципы и способы защиты ЭС от влаги.

6. Классификация способов.

7. Краткая характеристика защиты монолитными оболочками.

8. Краткая характеристика защиты полыми оболочками.

9. Защитные металлические покрытия.

10.    Защитные неорганические покрытия.

11.    Защитные органические покрытия.

12.    Пропитка и заливка изоляционными материалами

13.    Обволакивание и опрессовка в ЭС.

14.    Полная герметизация ЭС.

15.    Неполная герметизация узлов и блоков ЭС.

16.    Паяный шов.

17.    Выбор способа защиты ЭС от влаги.