Роль покрытий при изготовлении и эксплуатации радиоэлектронных средств
Лакокрасочные покрытия имеют существенные преимущества перед другими видами защитных и защитно-декоративных покрытий. Они в большинстве случаев более просты по методу нанесения и более экономичны по сравнению с неорганическими покрытиями. В производстве РЭС применяется свыше 200 марок лакокрасочных материалов (ЛКМ), в том числе 80% содержащих органические растворители, 10% водо-разбавляемых и порошковых полимерных материалов (ППМ) и 10% композиций с содержанием растворителей менее 5 %. Основными методами нанесения данных материалов являются пневматическое распыление (удельный вес метода составляет 80 % от общей площади окрашиваемой поверхности), окрашивание в электростатическом поле (10%), окунание и налив (9%) , электро-осаждение (0,4%), ручные и прочие методы (0,6%). В производстве РЭС регламентирована естественная, горячая (конвективная, терморадиационная), фотохимическая и редко радиационно-химическая сушка ЛКП. По удельному весу и трудоемкости получение ЛКП в общем объеме работ по изготовлению РЭС составляет в среднем 2—3 %.
Лакокрасочные материалы и покрытия на их основе используются для защиты деталей и узлов аппаратуры от разрушающего воздействия внешней среды и технологических факторов при изготовлении изделий, а также для декоративной отделки и получения маркировочных обозначений.
В процессе пленкообразования ЛКМ на поверхности изделия могут формироваться как свободные пленки, так и адгезированные. Термин „пленка” означает состояние ЛКМ в виде тонкого непрерывного сплошного слоя. Адгезированные пленки на поверхности изделия представляют собой лакокрасочные покрытия.
Лакокрасочное покрытие является структурно-неоднородной системой и чем оно тоньше, тем больше влияние материала изделия и внешней среды на процессы пленкообразования. В случае аморфных полимеров ЛКП имеет три слоя: первый, находящийся непосредственно у покрываемой поверхности, состоит из ориентированных молекулярных цепей пленкообразователя; второй, находящийся на наружной стороне пленки, - из неориентированных цепей; третий промежуточный слой содержит частично упорядоченные цепи. Такое специфическое строение ЛКП обусловлено особенностями пленкообразования из растворов полимеров.
Термореактивные (превращаемые) пленкообразователи (полиэпоксидные, полиуретаны и др.) образуют при сушке трехмерные полимеры. На первой стадии пленкообразования происходит испарение органического растворителя со свободной поверхности жидкого слоя ЛКМ и возникновение в нем градиента концентраций, что приводит к диффузии молекул растворителя из глубинных слоев к наружному. При этом раствор застудневает и образуется поверхностный слой вязкого геля, вследствие чего молекулы растворителя должны дополнительно преодолевать сопротивление этого гелеобразного слоя, плотность которого постоянно возрастает во времени.
На второй стадии пленкообразования происходит дальнейшее физическое удаление из покрытия так называемого „остаточного” растворителя, содержание которого составляет обычно 5—10% от первоначального содержания растворителя в ЛКМ и молекулы которого достаточно прочно связаны с молекулами пленкообразователя. Чем сложнее строение пленкообразующих веществ ( в частности, разветвленность и длина молекулярной цепи), тем медленнее протекает эта стадия и тем больше растворителя остается в покрытии. Ориентировочно можно считать, что в ЛКП остается около 1 % растворителя, в определенной степени влияющего на их эксплуатационные свойства. Косвенным подтверждением наличия остаточного растворителя в покрытии является то, что оптимальная степень отверждения эпоксидных пленкообразователей достигает примерно 94%, уретановых 91%. Формирование пространственной сетки в результате химических реакций пленкообразователя приводит к увеличению сцепления ЛКП с поверхностью изделия, определенной ориентации структурных элементов полимера и возникновению в покрытии внутренних напряжений, которые всегда направлены против сил адгезии и в некоторых случаях могут вызывать отслаивание ЛКП.
В процессе эксплуатации РЭС (электронные модули, печатные платы, шкафы, антенно-волновые устройства, обтекатели, каркасы, пульты, стойки, рамы и другие изделия) подвергаются воздействию высокой и низкой температуры, тепловых ударов, повышенного и пониженного давления, высокой влажности, морской воды, радиации, плесневых грибов, механических нагрузок, вибрации, а также разного рода загрязнений из окружающей среды. Как правило, многие из этих факторов действуют одновременно. Надежность и долговечность РЭС при эксплуатации в разнообразных климатических зонах обеспечиваются противокоррозионной и электроизоляционной защитой лакокрасочными покрытиями. При этом в составе и структуре ЛКП происходят различные изменения. Эксплуатационная стойкость ЛКП определяется длительностью сохранения свойств покрытия или их изменением в допустимых пределах.
Статистика отказов РЭС при эксплуатации показывает, что нестабильность технических параметров изделий, вызванная разрушением ЛКП в результате совместного действия температуры, влажности и других факторов, составляет 95—98% от общего числа отказов.
Особенно тяжелые условия при эксплуатации РЭС на открытом воздухе создает повышенная влажность. Проникновение влаги к поверхности изделий вызывает коррозионные разрушения материалов, снижение объемного электрического сопротивления изоляции, возникновение диэлектрических потерь и т. д.Влагостойкость РЭС является одним из основных показателей качества их изготовления и эксплуатационной надежности. Обеспечить надежность и достаточный срок службы РЭС можно только при правильном взаимосвязанном подборе конструкции РЭС и вида технологии получения ЛКП.
Современное производство РЭС основывается на дискретно-интегральной базе с широким использованием пленочной и полупроводниковой технологии, устройств на физических принципах функционирования, что соответствует III—IV поколениям аппаратуры. В качестве основного элемента конструкции, предназначенного для размещения технических средств различного функционального назначения, используются электронные модули первого и второго уровней (ЭМ1, ЭМ2) на основе базовых несущих конструкций (БНК). При этом каждому поколению РЭС соответствует определенный арсенал технических средств. С точки зрения влагозащиты ЭМ производству РЭС I—III поколений, например, удовлетворяли традиционные ЛКМ и известные методы их нанесения. С усложнением конструкций РЭС и элементной базы совершенствовались качественные характеристики ЛКМ и аппаратурное оформление технологии их нанесения и сушки. В производстве ЭМ1 и ЭМ2 в настоящее время применяются лаки с малым содержанием органических растворителей, лучшей адгезией к блестящему никелю и золоту, с более высокими тиксотропными свойствами (ЭП-9114, ЭП-919) и фото-полимериэующиеся композиции (УРМ-2312). Интенсифицируются методы нанесения ЛКМ: окунание с последующим центрифугированием, комбинация пневматического распыления и окунания, использование модернизированных краскораспылителей. Внедряются химические, физические и другие методы контроля качества поверхности ЭМ и очищающих составов.
Переход к производству РЭС IV поколения требует совершенствования методов нанесения ЛКМ. Для РЭС IV поколения характерно широкое применение поверхностного монтажа ЭМ, бес корпусных микросборок, плоских ленточных кабелей и волоконно-оптических линий связи, специальных конструкционных материалов (сплав 47НД, титан) и новых диэлектриков для оснований печатных плат IV—V классов точности. ЛКМ и покрытия должны быть инертными к элементной базе, иметь минимальные внутренние напряжения и близкие с конструкционными материалами температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Кроме того; для бес корпусных изделий они должны выполнять роль корпуса. Указанным требованиям удовлетворяют тонкослойные органические покрытия (ОП), наносимые из газовой фазы, и толстослойные покрытия на основе ППМ. Традиционные ЛКМ не всегда пригодны дня РЭС IV—V поколений по следующим причинам:
1) трудно получить равномерные по толщине покрытия одновременно на горизонтальных и вертикальных поверхностях, на металлах и диэлектриках с различным краевым углом смачивания;
2) приходится наносить многослойные покрытия за несколько технологических приемов, а это вызывает рост внутренних напряжений в покрытии и создает значительные трудности при автоматизации процесса;
3) невозможно получить вертикальные стенки „окон” защитных масок, что необходимо при поверхностном монтаже ЭМ.
Анализ тенденций развития РЭС показывает необходимость разработки новых методов лакокрасочной технологии с пооперационным контролем, высокопроизводительного прецизионного оборудования. Поскольку элементы конструкции РЭС не могут надежно работать без защитных покрытий в жестких атмосферных условиях различных климатических зон, в конструкторской документации на изделие или технических требованиях чертежа всегда указывают покрывные ЛКМ или системы ЛКП. Таким образом ЛКП можно рассматривать как элемент конструкции РЭС.
Наиболее важные области применения ЛКМ в производстве ППи ЭМ: защита металлов и сплавов от коррозии (проводники ПП, детали дискретных электро-радиоэлементов и микросборок);селективное нанесение специальных покрытий (защитные маски, локальная изоляция отдельных поверхностей) ; маркирование и покрытие гравировки; влагозащитная ЭМ1 и ЭМ2;лакирование деталей и изделий для придания им специальных свойств (герметизация сварных швов микросборок, обеспечение спиртобензостойкости маркировочных обозначений);изолирование поверхности металлических деталей и узлов от электрического контакта.
Применяемые для получения ЛКП и маркировочных обозначений материалы и композиции являются дефицитными и дорогостоящими. Развитие их производства связано с крупными капиталовложениями в сырьевую базу синтетических полимеров, пигментов и растворителей. В связи с этим очень важно эффективно использовать ЛКМ в процессе их нанесения. С этой целью следует широко внедрять современное оборудование и прогрессивные технологические процессы окрашивания, лакирования и маркирования (получение покрытий из газовой фазы, электро-каплеструйная технология, применение композиций фотохимической сушки, лазерная гравировка и т. д.). автоматизировать операции подготовки поверхности перед окрашиванием (лакированием) и сушки ЛКП. Хорошие результаты дает использование робото-технологических комплексов и гибких производственных модулей.
Ниже указаны основные направления совершенствования технологии получения лакокрасочных покрытий и маркировочных обозначений в производстве РЭС.
1. Экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов, сокращение доли ручного труда в результате: а) создания мало- или безотходной ресурсосберегающей технологии; б) применения гибких производственных модулей и робото-технологических комплексов.
2. Защита окружающей среды путем: а) внедрения лакокрасочных материалов и композиций с малым содержанием растворителей или без них (порошковые и водоразбавляемые материалы, фото-полимеризующиеся и радиационно-отверждаемые композиции и т. д.); б) 100%-го использования ЛКМ с созданием замкнутых технологических циклов (улавливание, регенерация и возврат в производство материалов).
3. Повышение качества и надежности ЛКП посредством: а) разработки и внедрения в производство наиболее совершенных методов получения ЛКП („сухая” и бесконтактная технология — получение покрытий из газовой фазы, лазерная гравировка, электро-каплеструйная технология, радиационная полимеризация и т. д.); б) улучшения качества и расширения ассортимента ЛКМ, применения кристаллических полимеров.
4. Сокращение производственного цикла получения ЛКП за счет:
а) полимеризации мономерной или мономерно-олигомерной системы в полимерное покрытие непосредственно на поверхности изделия;
б) исключения из цикла промежуточных операций или совмещения ряда операций с использованием ультразвука, магнитного поля, вакуумной техники и т. п.