Для сокращения времени отверждения в некоторых случаях можно использовать обработку адгезива ультрафиолетовым (УФ) излучением или сочетать обычный нагрев с УФ-излучением. Однако отверждение с применением УФ излучения при наличии на плате крупногабаритных компонентов невозможно, поскольку такие компоненты загораживают капли адгезива от попадания на них излучения. Единственной альтернативой этому является использование нагрева инфракрасным излучением;
∙усадка и выделение летучих веществ – во время отверждения и пайки. Применение современных адгезивов при оптимизации режимов их отверждения позволяет уменьшить вероятность этих явлений. Важно оптимизировать режим отверждения;
∙свойства адгезива после отверждения – должна быть обеспечена неповреждаемость заполненных компонентами плат во время их транспортировки при монтаже.
Материалы, режимы пайки и последующей очистки изделий с ПМ не должны отрицательно влиять на прочность сцепления адгезива с материалами платы и затруднять или исключать ремонт изделий. После пайки долговременная механическая прочность соединения компонента с платой должна обеспечиваться в основном за счет пайки, а не приклеивания. В отдельных случаях допустимо использование адгезивов с малым временем жизни (быстросхватывающихся), адгезионная способность которых заметно ухудшается после пайки изделий. Однако в ответственных случаях этого следует избегать, поскольку любая непредвиденная задержка в технологическом цикле потребует дополнительной очистки платы и повторного формирования адгезивного соединения на плате.
4.5.Технология клеевых соединений
4.5.1.Применение клеев в производстве радиоэлектронных средств
Клеи – растворы, иногда расплавы как природных, так и искусственных высокомолекулярных веществ, применяющихся в приборостроении для соединения деталей, изготовленных из разнообразных материалов: пластмасс, металлов, бумаги, ткани, керамики и т.д.
Могут быть соединены как однотипные, так и разнотипные материалы, например: при изготовлении тензодатчиков и при их наклейке, для склеивания каркасов катушек, приклеивания стекла в оправу и полюсных наконечников к магниту, в полупроводниках для присоединения металлических выводов и в других случаях. В приборостроении также широко применяют липкие ленты как электроизолирующие, герметизирующие и предохраняющие. Клеевые соединения по сравнению с механическими соединениями сваркой, пайкой, заклепкой и винтовыми соединениями имеют следующие преимущества: возможность соединения самых разнообразных материалов, относительная простота и дешевизна технологии склейки, стойкость к коррозии, хорошие диэлектрические свойства и т.д. В настоящее время применяется большое количество различных клеев, которые в той или иной степени удовлетворяют перечисленным требованиям. Состав клеев: пленкообразующие – основа клеевого слоя (термореактивные и термопластичные смолы, каучуки и эфиры целлюлозы), растворители – для получения клея определенной вязкости, отвердители – для получения твердой нерастворимой термостабильной пленки (перекись бензола), наполнители – для уменьшения усадки клеевой пленки и повышения теплостойкости (цемент, графит и др.), пластификаторы – для повышения эластичности пленки, стабилизаторы – для сохранения консистенции клеев или их клеющих свойств. Клеи классифицируют по пленкообразующим, типу отверждения и по состоянию. По составу пленкообразующих принято различать клеи на основе: термопластичных смол, термореактивных смол, каучуков и эфиров целлюлозы. По типу отверждения различают клеи холодного и горячего отверждения. По состоянию различают жидкие клеи и твердые. Смоляные клеи марок БФ-2, БФ-4 и другие представляют собой растворы фенольно-формальдегидных смол.
Эти составы полимеризуются, т.е. переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Эти клеи обеспечивают соединениям прочность на скалывание до 130 кг/см2, они устойчивы против влаги, кислот и температурных изменений, стойки против действия бензола, масла, грибка и при вибрациях. Применяют, главным образом, для склеивания металлических деталей между собой. Эпоксидные клеи в зависимости от состава разделяются на две группы: горячего и холодного отверждения. Клеи горячего отверждения
на основе эпоксидных компаундов Д-16, Д-22, Д-23, Д-26, Д-29 имеют температуру отверждения от 100 до 200 °С и могут быть применены для склеивания деталей из латуни, алюминия и его сплавов, стали и др. Компаунды клеи Д-16 и Д-29 отличаются ограниченным сроком использования, а компаунды клеи с отвердителем дициандимидом Д-23 и Д-22 сохраняют свои свойства при комнатной температуре в течение нескольких лет. Был разработан и применяется эпоксидный клей «Эпоксид 1001», поставляемый в твердых кусках, с весьма длительным сроком хранения. Технология склеивания этим клеем состоит в следующем: на нагретую до 150–180 ° С деталь прикосновением твердого куска клея наносят тонкую пленку, а затем детали зажимают в приспособлении и производят сушку в течение одного часа при t = 200 ° С. Эпоксидный клей широко применяется, например, для крепления полюсных наконечников к магнитам магнитоэлектрических приборов (рис. 85).
Рис. 85. Конструкция полюсных компонентов магнитоэлектрического прибора
Резиновый клей, который представляет собой раствор каучука в бензине, применяют для склеивания резины и прорезиненной ткани с деревом и кожей, он небензостоек. Для обеспечения прочности клеевого соединения необходимо точное соблюдение технологии склеивания: толщина слоя клея не должна превышать 0,154–0,25 мм, желательно, чтобы поверхность деталей была шероховатой, необходимо сжатие склеиваемых деталей до тех пор, пока клей не затвердеет. Примеры соединения деталей склеиванием даны на рис. 86.
Рис. 86. Процессы соединения склеиванием:
а– приклеивание втулок с кернами к рамке;
б– склеивание каркаса катушки
Прочность приклеивания увеличивается, если склеиваемые вещества имеют разветвленные поры. Проникающий в них клей затвердевает и образует как бы корневую систему, улучшающую условия сцепления. Тонкие пленки клея обеспечивают более прочное соединение, чем толстые слои, так как количество трещин в тонких пленках меньше, а молекулярное сцепление значительно сильнее. Поэтому толщина пленки клея не должна превышать 0,1–0,15 мм. Процесс склеивания состоит из следующих операций:
а) подгонка склеиваемых поверхностей; б) очистка поверхностей от загрязнений органическими рас-
творителями или механической обработкой; в) нанесение тонкого ровного слоя склеивающего вещества
кистью, поливом или пульверизацией; г) соединение склеиваемых поверхностей и выдержка их для
затвердения клея при заданных температуре и давлении. Применение клеев с каждым годом расширяется, чему спо-
собствуют как увеличение их производства и совершенствование
373
технологии склеивания, так и создание новых, более сложных приборов, сборка которых без клеев невозможна. Требования, предъявляемые к клеям, весьма разнообразны: это адгезия к самой широкой гамме материалов, в том числе трудносклеиваемых; способность работать под воздействием нагрузок, с одной стороны, и разъемность элементов, с другой; высокие электроизоляционные свойства и электропроводность; возможность получения слоя толщиной в несколько микрометров, так и заполнение зазоров между сопрягаемыми поверхностями величиной до нескольких миллиметров; оптическая прозрачность и непрозрачность клеев и многие другие.
Впоследнее время активно проводятся работы по созданию специальных клеев применительно к требованиям приборостроения, что позволило разработать клеи с принципиально новыми свойствами.
Вэтой связи целесообразно упомянуть клей ВК-26МФ с собственным ферромагнетизмом, обеспечиваемым структурой олигомерных составляющих; электропроводящие клеи, не содержащие драгоценных металлов; термостойкие клеи без растворителя, способные затекать в зазоры величиной в несколько микрометров и др.
Эффективность применения клеев в значительной мере зависит от способа их приготовления и нанесения. Создание специального оборудования (дозаторов) для этих целей имеет важное значение для приборостроения, поскольку обеспечивает применение клеев в условиях конвейерной сборки.
Большое значение в последние годы придается энергоемкости ТП, что нашло отражение при создании нетрадиционных способов отверждения клеев. Применение токов высокой частоты при склеивании магнитопроводов и ультрафиолетовых (УФ) лучей при создании оптических систем обеспечивает резкое сокращение продолжительности отверждения клеевых композиций.
Все перечисленные вопросы, имеющие важное значение для современного приборостроения, нашли отражение.
4.5.2.Применение термостойких клеев
Ктермостойким клеям, применяемым в приборостроении, предъявляются следующие основные требования: они должны обладать способностью склеивать различные материалы, такие, например, как металлы, керамику, стекло и другие в различных сочетаниях; выдерживать одновременное воздействие вакуума и повы-
шенной температуры; работать в соединениях материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения; не выделять газообразных продуктов в процессе работы при высоких температурах в вакууме.
Однако при создании термостойких клеев трудно удовлетворить все предъявляемые к ним требования, поскольку в некоторых случаях эти требования являются противоречивыми. Например, весьма сложно удовлетворить требования по выбору термостойких клеев для соединения материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения (КЛТР), поскольку термостойкие клеи, как правило, являются жесткими системами, а для компенсации различий в КЛТР от клея требуются хорошие эластические характеристики.
Создание вакуумно-плотных термостойких клеев также сопряжено с большими трудностями, поскольку известно, что все полимерные материалы при повышенных температурах подвержены термодеструкции, которая сопровождается выделением газообразных продуктов и образованием вследствие этого в клеевом шве пор.
Однако, несмотря на все эти трудности, сейчас разработан ряд термостойких клеев (ВК-26М и ВК-38), которые при рабочих температурах до 250 ºС не выделяют конденсационно-способных продуктов и благодаря этому позволяют создавать особо точные приборы. Разработан клей (фенолкаучуковый), обладающий наряду с высокой термостойкостью собственным ферромагнетизмом без введения в состав наполнителя, что позволяет при использовании его для склеивания пакетов магнитопроводов значительно улучшить выходные характеристики приборов, повысив при этом индукцию намагничивания и снизив потери на перемагничивание, а также в ряде случаев заменить дефицитные дорогостоящие магнитомягкие материалы (железокобальтовые сплавы) на дешевую и недефицитную электротехническую сталь с обеспечением необходимых магнитных характеристик (клей ВК-26МФ).
Разработан низковязкий, не содержащий наполнителя клей с теплостойкостью до 300 ° С, который благодаря способности проникать в зазоры размером в несколько микрон может быть использован как заливочный компаунд (клей ВК-64). Представляет определенный интерес клей холодного отверждения ВК-58, не содержащий растворителя, имеющий жизнеспособность не менее 5 ч и термостойкость до 500 ° С, который обеспечивает получение ваку- умно-плотного шва до температуры 200 ºС. Клеи ВКД-1 и ВКД-2
сочетают термостойкость до 400 ºС с высокой эластичностью (удлинение отвержденной пленки не менее 60 %) и могут быть использованы для склеивания материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения.
При изготовлении целого ряда приборов широко используются магнитные элементы, например, магнитопровода, которые изготавливают путем склеивания отдельных пластин из магнитных материалов. Клей в таком соединении выполняет роль изолирующего слоя, препятствующего образованию токов Фуко, которые ухудшают магнитные свойства магнитопровода. В то же время наличие слоя полимерного клея, не являющегося магнитным материалом, ухудшает свойства пакетов, и поэтому слой клея должен иметь минимально возможную величину (толщину) и при этом обеспечивать высокие прочностные характеристики соединения. Для склеивания магнитопроводов используют одноупаковочные низковязкие составы, в течение длительного времени не изменяющие свою вязкость и способные наноситься тонким слоем, не искажающим магнитных свойств пакетов, например, клеи фенолополивинилацетатные БФ-2 и БФР-2К; фенолокаучуковый ВК-26М; элементоорганический, модифицированный каучуком ВК-38.
Из приведенных клеев наименее токсичным является клей ВК-26М, поскольку используемая для его получения фенолоформальдегидная смола содержит небольшое количество свободного фенола (массовая доля составляет 1,5 % вместо 17 % для клеев БФ-2 и БФР-2К). Этот клей обеспечивает также получение клеевых соединений, обладающих наиболее высокими прочностными характеристиками, и позволяет склеивать магнитопроводы из магнитномягких материалов, не ухудшая магнитных характеристик последних, поскольку не требует высокого давления при склеивании.
4.5.3. Быстросхватывающиеся клеи для сборки изделий на печатных платах
Сейчас для крепления микросхем и проводов на ПП, шасси приборов и т.д. взамен токсичной и коррозионно-активной мастики ЛН преимущественно применяются клеи марки ВК-9, мастика У-9М, цианакрилатный клей КМ-203, клеи ГИПК-23-16 и ГИПК-23-12. Все указанные композиции за исключением клея КМ-203 многокомпозиционны, нередко требуют длительного времени отвержде-
ния, большинство содержит в своем составе растворители, что затрудняет их использование в автоматизированных производственных процессах. Клей КМ-203 характеризуется высокой скоростью отверждения, однако клеевые соединения на его основе обладают недостаточными ремонтопригодностью и влагостойкостью. Наряду с этим в последние годы для склеивания различных материалов находят применение термопластичные клеи (клеи-расплавы) и клеи УФ-отверждения, что обусловлено такими их преимуществами, как высокая скорость образования клеевых соединений («быстросхватывающиеся» клеи), отсутствие растворителя в составе композиции, ремонтопригодность. Клеи-расплавы, применяющиеся в радиоэлектронике за рубежом, в качестве связующих содержат в основном полиамиды, а также полиэфиры и сополиэфирамиды. К ним относятся полиамидные клеи марки Versalon фирмы General Mills)США); полиамидные и полиэфирные клеи Macromelt фирмы
Henkel (ФРГ) и Eurelon фирмы Schering Industrie Chemikalism (ФРГ); адгезивы Hotmelt М-930 и М-975 фирмы Mitsui (Япония);
клеи-расплавы на основе сополиэфиров фирмы Atochimite (Франция). Большой интерес представляют клеи на полиамидной основе, обладающие низкой вязкостью расплава, быстрым схватыванием, возможностью склеивания без применения давления, высокой адгезией к различным материалам. В качестве полиамидной составляющей они обычно содержат продукты, получаемые конденсацией димеризованных ненасыщенных жирных кислот растительных масел с диаминами.
Разработан клей-расплав марки TK-15 на основе модифицированного полиамида, не содержащего сырья растительного происхождения.
Клей TK-15 предназначен для быстрого крепления на ПП проводов, жгутов и изделий электронной техники при сборочномонтажных работах. Нанесение расплава клея, нагретого до температуры 190–210 ° С, производится с помощью термопистолета, в который вставляются прутки клея.
Клей-расплав можно наносить в виде отдельных капель, линий или полос, для чего используют наконечники требуемой конфигурации. Склеивание происходит вследствие затвердевания расплава при охлаждении. Клеевой шов ремонтопригоден с помощью, например, повторного расплавления паяльником и т.п.
Клеевые соединения на ПП, выполненные клеем ТК-15, выдерживают не менее 20 циклов изменения температуры в диапазоне
от –60 до +120 °С, синусоидальную вибрацию частотой от 5 до 2500 Гц при ускорении 15, а также действие ударных нагрузок. Клейрасплав TK-15 совместим с лаками ЭП-730 и УР-231, не оказывает разрушающего воздействия на изоляцию проводов марок МШДЛ, МГШВ, МГТФ и др. К реакционноспособным композициям относится фоточувствительный эпоксиакриловый клей КУФО, способный быстро схватываться под воздействием УФ-облучения и, если надо, доотверждаться при нагревании с образованием нерастворимых и неплавких продуктов полимеризации.
Для крепления элементов электронной техники на ПП известно применение зарубежных УФ-отверждаемых клеев марок UV-300 (Япония), UVS-l0 (Япония), RO-38/6T (ФРГ). Зарубежные клеи, как правило, однокомпонентны, имеют срок годности 2–3 месяца.
Наиболее оптимальным сочетанием технологических свойств обладают фоточувствительные клеи, способные, как указано выше, к комбинированному отверждению. К ним относятся клеи марок ИВА-301 (Япония), UVS-50R (Япония). Данные клеи являются ремонтопригодными после стадии УФ-отверждения, а после термообработки при 150 ° С способны выдерживать условия пайки и другие технологические воздействия в процессе выполнения сборочно-монтажных работ. Клей КУФО двухкомпонентен. Жизнеспособность клея с введением отвердителя (фотоинициатора) не менее 8 ч. Отдельно компоненты могут храниться не менее четырех месяцев. Клей КУФО наносится на ПП с помощью автоматических дозаторов, например,
дозатора типа 1000Д фирмы Electron Fusion Devises Inc. (США) или установки для нанесения жидких, полимерных композиций.
Дозируемое количество должно быть достаточным для образования по краям прикрепляемого элемента небольшого выступа клея, который легко может контролироваться, так как клей окрашен в розовый цвет. УФ-отверждение производится в течение 30 с на конвейерных установках типа «Фотон-1» (НПО «Спектр» Москва) или МУФС-901М, снабженных двумя лампами излучения УФ 200–400 нм общей мощностью не менее 10 кВт. После УФ-от- верждения клеевой шов выдерживает воздействие технологических операций при сборке: при этом приклейка является ремонтопригодной (элемент может быть заменен). Окончательное отверждение происходит в ИК-сушилках в течение нескольких минут или при конвекционном нагревании при температуре 60–58 ° С в течение 4 ч. Крепления элементов на ПП, выполненные клеем КУФО, выдерживают условия механизированной пайки: температура 250±10 ° С,
воздействие вибрации, ударных нагрузок и обезжиривающих жидкостей. По сравнению с клеем марки RO-38/6T клей КУФО содержит летучих веществ в два раза меньше, а клеевой шов имеет более высокую термоударостойкость.
4.5.4. Клеи в тензометрии
Тензорезисторы применяют для изучения воздействия статических и динамических деформаций конструкций в диапазоне температур от –196 до +300 °С.
Для тензометрирования применяют клеи холодного отверждения Циакрин-ЭО, ВК-9 и ПИР-2. Максимальные рабочие температуры ТР составляют 80, 200 и 300 ° С соответственно, однако клей ПИР-2 имеет ограниченное использование вследствие его дефицитности.
Применяют также клей ВК-54М, который обладает хорошими свойствами по передаче деформаций от наследуемой поверхности к ТР при циклических нагрузках до температур выше 300 ° С.
Клей ЦВК-54М способен отверждаться при комнатной температуре. При приклеивании ТР клеевые соединения дополнительно термообрабатывают при 70–100 ° С. К недостаткам можно отнести малую жизнеспособность (20–30 мин). Кроме того, клей обеспечивает необходимый уровень показаний ТР только после первых двух нагревов до 200 ° С.
Недавно разработан клей холодного отверждения ВК-58, который предназначается для эксплуатации в малонагруженных узлах изделий при температурах выше 300 ° С для склеивания металлов (углеродистых и нержавеющих сталей, титановых сплавов) между собой и с теплостойкими неметаллическими материалами на основе кремнийорганических связующих.
Клей ВК-58М является модификацией клея ВК-58, обладает более высокими прочностными характеристиками клеевых соединений при повышенных температурах. Технологические свойства клея ВК-58М аналогичны свойствам клея ВК-58. Клеи ВК-58 и ВК-58М могут быть рекомендованы для приклеивания ТР марки ЕТ-86 для работы в диапазоне от –196 до +300 ° С, так как полностью отвечают требованиям, предъявляемым к клеям для тензометрии: являются технологичными, дают возможность получения тонкого клеевого шва, обеспечивают надежное крепление ТР к иссле-
