СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ПРИ ПОМОЩИ СШИТОГО ПОЛИМЕРА НА ОСНОВЕ КОМПАУНДА Российский патент 2024 года по МПК H05K3/28 H01L23/29 C09K3/10 C08K3/36 C08L83/04 C08L63/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области герметизации электротехнических изделий при помощи полимерных композиций, в частности к способам обработки или приготовления композиций высокомолекулярных веществ, в том числе для герметизации печатных плат (C09K 3/10, C09D 5/34, C08K 3/00).

Уровень техники

Из уровня техники известен СОСТАВ ЭПОКСИПОЛИУРЕТАНОВОГО КОМПАУНДА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ RU2559442C2, опубл. 10.08.2015 характеризующийся тем, что способ получения эпоксиполиуретанового компаунда путем смешения составных частей основы и катализатора компаунда, отличающийся тем, что при интенсивном перемешивании готовят основу эпоксиполиуретанового компаунда путем последовательного добавления к полиэпоксиду технологической добавки при температуре 20°C, нагретого до 110°C полиола, предварительно термообработанного 2 часа при 200°C; нагретого до 80°C молотого цеолита, предварительно термообработанного 2 часа при 400°C; нагретого до 125°C кварцевого песка, предварительно термообработанного 2 часа при 200°C, и красителя воздушной сушки, состоящего из окислов железа и/или окислов титана, после чего к полученной жидкой, низковязкой реакционной смеси основы добавляют при температуре 20°C катализатор, содержащий уретанобразуюшую полифункциональную мономерно-олигомерную смесь полиизоцианатов на основе метилендипарафенилендиизоцианата и дихлорангидрида метилендипарафенилендикарбамидовой кислоты, полученной частичной блокировкой метилендипарафенилендиизоцианата хлористым водородом.

Основными недостатками указанного технического решения является то, что уменьшенная вязкость и большая жизнеспособность, выражаемая в возможности состава дольше оставаться в жидком состоянии, заявленные как технический результат, будут способствовать тому, что технологические добавки дисперсного минерального наполнителя под действием силы тяжести будут оседать в следствие чего на нижней части получаемого изделия будут создаваться агломераты препятствующие прохождению тепла, а верхняя часть будет отличаться недостаточным содержанием минеральных добавок, что вызовет локальные перегревы и снизит теплопроводность. Это приводит к недостаточному уровню отвода тепла от герметизируемого изделия и способствует перегреву компонентов герметизируемого устройства и выходу их из строя.

Также из уровня техники известен КОМПАУНД «ГАММА» [https://chameleon.ru/catalog/electrical-insulating-materials/kompaund-gamma/] выполненный в виде двухсоставного полимера, содержащего основу из эпоксидных смол и катализатор. В состав полимера может быть добавлен кварцевый песок фракции 0,1-0,6 мм. Перед применением материал выдерживают при температуре выше 15°С в течение суток. Убеждаются, что основа материала хорошо перемешана и однородна по всему объему тарного места. Для приготовления композиции отвердитель смешивают с основой в соотношении, указанном в документе о качестве на каждую партию материала, и тщательно перемешивают не менее 10 минут. Для увеличения прочности покрытия и его экономичности в компаунд добавляют до 70 % кварцевого песка.

В качестве прототипа заявителем рассматривается КОМПАУНД ЭК-115П И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ [https://gostost.com/kompaund-ek-115p/], характеризующийся тем, что компаунд ЭК-115П содержит основную часть, выполненную, например, в виде смолы эпоксидной К-115, катализатор, выполненный, например, в виде полиэтиленполиамина, пылевидный кварцевый песок. Компоненты в компаунде содержатся в следующей пропорции, частей:

Основная часть 100;

Катализатор 15;

Пылевидный кварцевый песок 100-250.

Приготовление компаунда ЭК-115П начинают с проверки гарантийных сроков хранения компонентов, визуальной проверки внешнего вида компонентов на отсутствие посторонних включений и примесей. Кварцевый песок отвешивают и прогревают в шкафу ШС-80-01 СПУ при температуре (80-90)°С в течение 30-40 минут. Основную часть взвешивают в стеклянную тару после чего прогревают в шкафу ШС-80-01 СПУ при температуре (80-90)°С в течение 30-40 минут, затем тщательно перемешивают шпателем. Вносят предварительно нагретый кварцевый песок в основу и тщательно перемешивают шпателем 10-15 мин. Выдерживают смесь в вытяжном шкафу ТРМ-1,25 20-40 мин. В полученную смесь вводят катализатор и перемешивают шпателем до получения однородной массы в течение 10-15 мин.

Общими недостатками вышеуказанного аналога и прототипа является использование мелкофракционного кварцевого песка, который склонен к агломерации (слипанию), что может создавать тепловые барьеры, при этом пылевидные частицы обладают большей объёмной площадью поверхности, что увеличивает количество тепловых сопротивлений на границах частиц, в связи с чем известные компаунды обладают сниженной теплопроводностью. Это также приводит к недостаточному уровню отвода тепла от герметизируемого изделия и способствует перегреву электронных компонентов герметизируемого устройства и, в частности, выходу их из строя.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является устранение недостатков прототипа и создание способа герметизации печатной платы при помощи сшитого полимера на основе компаунда с повышенной теплопроводностью и возможностью отвода тепла.

Заявленное изобретение представляет собой способ герметизации печатной платы, включающий установку печатной платы с припаянными проводами в совпадающий по форме и размерам корпус одна сторона которого открыта, смешивание компонентов кремнийорганического компаунда в соотношении компонентов (м.ч.) основа : кварцевый песок : катализатор 25-30:20-25:1 и распределение готовой смеси кремнийорганического компаунда по корпусу с платой, осуществление полимеризации кремнийорганического компаунда, отделение загерметизированной печатной платы от корпуса, проверку работоспособности платы до заливки и после окончания полимеризации.

В частном случае, перед установкой в корпус печатной платы в него устанавливают картонную прокладку.

В частном случае, после установки в корпус печатной платы его размещают на подставке.

В частном случае, при смешивании кремнийорганического компаунда осуществляют заливку основы в тару, ее перемешивание, внесение в основу кварцевого песка, катализатора и перемешивание смеси до получения однородной массы.

В частном случае, при смешивании вышеуказанного кремнийорганического компаунда компоненты в основу добавляют при постоянном её перемешивании.

В частном случае, готовую смесь кремнийорганического компаунда распределяют в разные точки корпуса.

В частном случае, полимеризацию компаунда осуществляют при температуре окружающего воздуха 20-25°С в течение 20-28 часов.

В частном случае, фракция кварцевого песка составляет более 0,6 мм.

В частном случае, кварцевый песок просеивают перед добавлением его в основу.

В частном случае, после смешивания готовую смесь вышеуказанного кремнийорганического компаунда перемещают в тару меньшего объёма относительно тары, в которой происходило перемешивание.

Указанное изобретение обеспечивает решение указанной технической проблемы и обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении теплопроводности компаунда. Также заявителем был обнаружен неожиданный технический результат, заключающийся в повышении стойкости компаунда к радиочастотным помехам (RFI).

Повышение стойкости компаунда к радиочастотным помехам (RFI) характеризуется снижением напряжения помех на электронном компоненте, покрытым компаундом, находящимся в области воздействия внешних радиочастотных помех.

Осуществление изобретения

Способ герметизации печатной платы содержит этапы, на которых устанавливают печатную плату с припаянными проводами в совпадающий по форме и размерам герметичный корпус одна сторона которого открыта, после чего корпус размещают на подставке. Производят смешивание компонентов кремнийорганического компаунда в соотношении компонентов основа : кварцевый песок : катализатор 25-30:20-25:1. Готовую смесь кремнийорганического компаунда распределяют по корпусу и осуществляют полимеризацию. До заливки и после окончания полимеризации проводят проверку работоспособности печатной платы.

Важным условием для достижения технического результата является равномерное распределение частиц кварцевого песка в объёме компаунда, поскольку в случае образования областей со сниженным содержанием частиц наполнителя, через эти участки будут проникать радиоволны, а также на этих участках будет снижен теплообмен.

Неравномерная заливка платы приводит к образованию в некоторых местах платы слоя полимера тоньше среднего значения, что способствует неравномерному отводу тепла и перегреву платы в местах с истончённым слоем. Также истончённые места будут пропускать радиочастотные помехи. Наличие совпадающего по форме и размерам корпуса, позволяет при заливке достичь равномерного распределения компаунда за счёт формы корпуса. В таком случае слой сшитого полимера окажется одинаковым со всех сторон печатной платы, что обеспечит защиту всех точек платы от радиочастотного излучения и отведение тепла от всех точек платы.

Кварцевый песок обладает высокими диэлектрическими свойствами и способен поглощать электромагнитное излучение, в том числе радиочастотные помехи [Крошка, Е. С. Широкополосная диэлектрическая спектроскопия почв и пористых горных пород : специальность 01.04.03 "Радиофизика" : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Крошка Елена Сергеевна, 2022. - 156 с.]. При добавлении в компаунд, он выполняет роль изоляционной капсулы вокруг проводников, подавляя радиочастотные помехи, что особенно важно для электронных устройств, работающих в условиях повышенной электромагнитной активности. При этом отсутствие кварцевого песка делает компаунд проницаемым для электромагнитного излучения и значительно снижает его теплопроводность, поскольку компаунд не обладает изолирующими свойствами, при этом его теплопроводность значительно ниже теплопроводности кварцевого песка.

На заявленном диапазоне соотношений компонентов кремнийорганического компаунда технический результат достигается за счёт того, что основа находится в соотношении с кварцевым песком и катализатором как 25-30:20-25:1 (м.ч.), чем обеспечивается максимальная равномерность распределения частиц песка. При этом добавление основы более 30 м.ч. или добавление кварцевого песка менее 20 м.ч. вызовет образование пустот, со сниженной теплопроводностью и свободных для прохождения радиочастотных помех, что обуславливается малым содержанием кварцевого песка, а добавление основы менее 25 м.ч. или добавление кварцевого песка более 25 м.ч. вызовет слипание частиц, образование агломератов, в следствие чего так же будут образовываться пустоты, которые так же будут снижать теплопроводность и стойкость к радиочастотным помехам ввиду отсутствия в пустотах кварцевого песка.

Количество катализатора обусловлено тем, при добавлении 1 м.ч. катализатора скорость полимеризации достаточно низкая, чтобы это не вызывало затруднений при распространении частиц кварцевого песка и при этом не позволяло частицам песка оседать под силой собственной тяжести, образовывая пустоты в верхней части сшитого полимера приводящих к снижению теплопроводности и уровня защиты от радиочастотных помех. Соответственно, применение иного количества катализатора относительно заявленного (более или менее 1 м.ч.) ведёт к появлению описанных негативных эффектов.

Достижение технического результата на заявленном диапазоне соотношений компонентов подтверждено экспериментальными исследованиями, результаты которых приведены ниже.

Полимеризация компаунда позволяет образовываться сшитому полимеру, который закрепляет все частицы кварцевого песка равномерно в объёме и обеспечивает равномерный отвод тепла и защиту от радиопомех.

Смешивание компаунда осуществляют следующим способом. Основу компаунда заливают в сухую тару и перемешивают в течение определённого времени до получения однородной массы, после чего, перемешивая основу, равномерно добавляют в неё кварцевый песок, затем добавляют катализатор и перемешивают до получения однородной массы. Готовый к заливке компаунд равномерно распределяют по корпусу дозируя состав в разные точки корпуса.

Использование сухой тары для замешивания компаунда может обеспечить отсутствие влаги в составе смеси, которая может вступить в реакцию с отвердителем нейтрализуя его в следствие чего полимеризация не пройдёт должным образом и образовавшийся сшитый полимер достигнет сниженной твёрдости, что может способствовать проникновению радиоволн и сниженной теплопроводности.

Равномерное распределение частиц в том числе обеспечивается предварительным перемешиванием основы перед смешиванием компаунда, а также тем, что компоненты добавляются в состав компаунда во время перемешивания основы.

В качестве основы приоритетно используются силиконовые полимеры (силиконовые смолы). Также могут быть использованы эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные смолы. Например, бифенольные эпоксидные смолы (диглицидил эфир бисфенола А), новаковые эпоксидные смолы (полиглицидиловые эфиры эпоксидированных растительных масел).

Среди серийно производимых в качестве основы может быть использована основа (компонент А) компаундов марок «Пентэласт-727», «Пентэласт-711» произведённых в соответствии с ТУ 2513-267-40245042-2010 и основная часть герметиков марки "Пентэласт-722" выполненная в виде пасты «П-3» (ТУ 2513-011-40245042-99), а также другие основные части двухкомпонентных электротехнических компаундов. Предпочтительная кажущаяся вязкость основы при 20°С составляет не более 20000 СПз.

Представленные основы обладают достаточной вязкостью, необходимой для обеспечения возможности литья компаунда, и при этом препятствующей оседанию частиц наполнителя под собственным весом в основе, что способствует равномерному распределению частиц, которое обеспечивает высокую теплопроводность и степень защиты от радиочастотных помех, которая может возникнуть за счёт участков в которых в следствие осаждения будет значительно снижено содержание кварцевого песка. При этом превышение представленного выше значения вязкости будет затруднять распространение частиц наполнителя в объёме основной части, что снизит равномерность распределения и создаст области избыточного и недостаточного содержания наполнителя.

В качестве катализатора полимеризации используются платиновые соединения. Также могут быть использованы для силиконовых основ - органические перекиси и органические кислоты, для эпоксидных компаундов – амины и аминовые комплексы, а также борфториды.

Среди серийно производимых в качестве катализатора может быть использован катализатор «Пента-68О» и катализатор № 21 (ТУ 38.303.-04-05-90), а также другие катализаторы возможность использования которых установлена заводом изготовителем.

Описанные катализаторы позволяют обеспечить высокую скорость полимеризации, что не допускает оседание частиц наполнителя и возникающую в связи с этим неравномерность его распределения снижающую теплопроводность и уровень защиты от радиочастотных помех.

Полимеризацию компаунда при температуре окружающего воздуха 20-25°С осуществляют в течение 20-28 часов.

Приоритетно полимеризация осуществляется в течение 24 часов при температуре окружающего воздуха 23°С. После окончания полимеризации печатную плату с образовавшимся вокруг неё сшитым полимером вынимают из корпуса.

Описанные режимы полимеризации позволяют обеспечить высокую скорость полимеризации, что не допускает оседание частиц наполнителя и возникающую в связи с этим неравномерность его распределения снижающую теплопроводность и уровень защиты от радиочастотных помех.

Проверку работоспособности приоритетно производят при помощи измерительного устройства, например, мультиметра, посредством проверки проводимости контактов и отсутствия короткого замыкания. Проверку работоспособности могут проводить при помощи мультиметра или другого измерительного прибора посредством подачи напряжения на входные контакты печатной платы и измерения его на выходных контактах. Также проверку работоспособности печатной платы могут проводить при помощи подачи напряжения на печатную плату и визуального контроля работоспособности смонтированных на ней элементов, например, светодиодов.

Размер фракции кварцевого песка может быть более 0,6 мм.

Крупные частицы менее склонны к агломерации (слипанию), что может создавать тепловые барьеры. Однородное распределение крупных частиц может способствовать более равномерной теплопроводности.

Перед установкой печатной платы в корпус могут устанавливать картонную прокладку.

Повреждения, при отделении загерметизированной печатной платы от корпуса могут вызвать снижение толщины образованного при полимеризации компаунда сшитого полимера, что в свою очередь может снизить стойкость к радиочастотным помехам и теплопроводность за счёт уменьшения количества материала, обладающего заявленными свойствами. Наличие картонной прокладки может снизить адгезию компаунда и корпуса, что может способствовать более лёгкому разделению загерметизированной печатной платы и корпуса и предотвратить повреждение образованного сшитого полимера.

Способ герметизации печатной платы может включать просеивание кварцевого песка перед добавлением его в основу.

Это обусловлено тем, что содержание примесей может ухудшить электрические свойства компаунда, снижая его изоляционные характеристики, за счёт их непроводимости и ухудшают теплопроводность за счёт более низкой теплопроводности самих примесей относительно кварцевого песка.

Способ герметизации печатной платы может включать дополнительное перемещение подготовленного к заливке компаунда в тару меньшего объёма, относительно тары, в которой происходило перемешивание.

Использование тары меньшего объёма может обеспечить меньшую толщину струи и меньшую скорость заливки при дозировании компаунда, что повышает равномерность его распределения и позволяет обеспечить низкую скорость заливки компаунда в корпус, что предотвращает попадание пузырьков воздуха в объём сшитого полимера, которые вызывают снижение теплопроводности за счёт малой теплопроводности воздуха и необходимости прохождения теплом границы фаз.

Для обоснования достижения технического результата были проведены экспериментальные исследования по определению изменения теплопроводности и степени стойкости компаунда к радиочастотным помехам в зависимости от соотношения компонентов компаунда. Исследовался компаунд, компоненты которого брались в различных соотношениях, состоящий из основы в виде компонента А компаунда марки «Пентэласт-727», катализатора «Пента-68О» и кварцевого песка. Теплопроводность измерялась после достижения составами полной полимеризации через 24 часа после окончания смешивания компонентов. Способ изготовления, форма для изготовления и окружающие условия для всех исследуемых образцов были одинаковые.

Измерения стойкости к радиочастотным помехам производились согласно ГОСТ 30804.4.3-2013 (IEC 61000-4-3:2006) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитному полю. Требования и методы испытаний». Значения уровня помех определялись в мкВ/м и сравнивались с предельно допустимым значением после чего делался вывод о допустимости уровня помех. Для определения значений использовался измерительный прибор датчик которого герметизировался при помощи заявленного способа с использованием компаундов с различным соотношением компонентов в составе. Предельно допустимым уровнем согласно ГОСТ Р 51317.2.5-2000 (МЭК 61000-2-5-95) "Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств" считается 37 мкВ/м.

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований

Номер варианта Основа, м.ч. Кварцевый песок, м.ч. Катализатор, м.ч. Теплопро-водность,
Вт/(мК) Напряжение помех, мкВ/м Допустимость
уровня помех, допустимый/
недопустимый 1 25 25 1 1,04 29 Допустимый 2 26 24 1 1,04 29 Допустимый 3 27 23 1 1,04 29 Допустимый 4 28 22 1 1,04 29 Допустимый 5 29 21 1 1,04 29 Допустимый 6 30 20 1 1,04 29 Допустимый 7 31 19 1 0,94 38 Не допустимый 8 32 18 1 0,94 38 Не допустимый 9 24 26 1 0,94 38 Не допустимый 10 23 27 1 0,94 38 Не допустимый 11 25 25 0,6 0,9 41 Не допустимый 12 25 25 0,8 0,9 41 Не допустимый 13 25 25 1 1,04 29 Допустимый 14 25 25 1,2 0,9 41 Не допустимый 15 25 25 1,4 0,9 41 Не допустимый

Таким образом, на основании экспериментально полученных данных очевидно, что технический результат, заключающийся в повышении теплопроводности компаунда и повышении стойкости компаунда к радиочастотным помехам (RFI) достигается при осуществлении данного способа только при заявленном соотношении компонентов.

Изобретение относится к области герметизации электротехнических изделий при помощи полимерных композиций. Предложен способ герметизации печатной платы, включающий установку печатной платы с припаянными проводами в совпадающий по форме и размерам корпус, одна сторона которого открыта, смешивание компонентов кремнийорганического компаунда, для чего основу заливают в тару, перемешивают, при постоянном перемешивании основы вносят кварцевый песок и катализатор и перемешивают получившуюся смесь до однородной массы, причём компоненты кремнийорганического компаунда берут в соотношении основа : кварцевый песок : катализатор 25-30:20-25:1 мас.ч., причём фракция кварцевого песка составляет более 0,6 мм, и распределение готовой смеси кремнийорганического компаунда по корпусу с платой, осуществление полимеризации кремнийорганического компаунда, отделение загерметизированной печатной платы от корпуса, проверку работоспособности платы до заливки и после окончания полимеризации. Технический результат – повышение теплопроводности компаунда и повышение стойкости компаунда к радиочастотным помехам (RFI). 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 15 пр.

1. Способ герметизации печатной платы, включающий установку печатной платы с припаянными проводами в совпадающий по форме и размерам корпус, одна сторона которого открыта, смешивание компонентов кремнийорганического компаунда, для чего основу заливают в тару, перемешивают, при постоянном перемешивании основы вносят кварцевый песок и катализатор и перемешивают получившуюся смесь до однородной массы, причём компоненты кремнийорганического компаунда берут в соотношении основа : кварцевый песок : катализатор 25-30:20-25:1 мас,.ч., причём фракция кварцевого песка составляет более 0,6 мм, и распределение готовой смеси кремнийорганического компаунда по корпусу с платой, осуществление полимеризации кремнийорганического компаунда, отделение загерметизированной печатной платы от корпуса, проверку работоспособности платы до заливки и после окончания полимеризации.

2. Способ герметизации печатной платы по п. 1, отличающийся тем, что перед установкой в корпус печатной платы в него устанавливают картонную прокладку.

3. Способ герметизации печатной платы по п. 1, отличающийся тем, что после установки в корпус печатной платы его размещают на подставке.

4. Способ герметизации печатной платы по п. 1, отличающийся тем, что готовую смесь кремнийорганического компаунда распределяют в разные точки корпуса.

5. Способ герметизации печатной платы по п. 1, отличающийся тем, что полимеризацию компаунда осуществляют при температуре окружающего воздуха 20-25 °С в течение 20-28 часов.

6. Способ герметизации печатной платы по п. 1, отличающийся тем, что кварцевый песок просеивают перед добавлением его в основу.

7. Способ герметизации печатной платы по п. 4, отличающийся тем, что после смешивания готовую смесь кремнийорганического компаунда перемещают в тару меньшего объёма относительно тары, в которой происходило перемешивание.