СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ И СОСТАВ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ Российский патент 2012 года по МПК H05K3/28 

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.

Известен способ формирования защитного покрытия электронных элементов по пат. РФ 2296439. Зазор между установленными элементами заполняют клеем с вязкостью (15-20)10^-6 м²/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.

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^-6 м²/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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в способе формирования защитных покрытий электронных компонентов, размещенных на плате с использованием предложенного состава для такого покрытия. Способ включает установку платы с подготовленной поверхностью в эластичную кассету, имеющую возможность совершать пространственные перемещения, которую поворачивают монтажом вниз, погружают на определенную глубину в емкость с силиконовым компаундом на 30-40 сек, переворачивают в исходное состояние, и проводят нагрев при температуре 40-50°С до полного отверждения компаунда. Применяемый в способе формирования покрытия компаунд имеет следующий состав, в 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. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

1. Способ формирования защитного покрытия на электронных элементах, установленных на печатной плате, включающий подготовку обрабатываемой поверхности и нанесение материала защитного покрытия на высокие участки платы, отличающийся тем, что плату, установленную в кассете, соединенной с системой, способной придавать ей вращательно-колебательные движения и обеспечивать поворот на горизонтальной оси, переворачивают в емкость с силиконовым компаундом, выдерживают 30-40 с, полностью извлекают из компаунда, выдерживают еще 30-40 с, переворачивают в исходное положение и экспонируют при комнатной температуре и вращательно-колебательном движении до полной потери текучести компаундом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция нанесения может быть проведена вторично.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кассета выполнена из эластичного материала.

4. Состав для защитного покрытия, 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