Janusz NOWACKI, Marek NAROŻNIAK O N P M P
Hermetyzacja układów hybrydowych na podłożach szklanych
i szklano-krystalicznych
Hermetyzacja elementów elektronicznych ¡est procesem mającym na celu z a b e z p i e - czenie ich przed szkodliwym wpływem otoczenia. Zastosowanie tworzyw sztucznych o odpowiednich własnościach umożliwia dorównanie własnościom niemal wszystkich znanych wcześniej materiałów u ż y w a n y c h do hermetyzacji, a ponadto elementy e l e k t r o - niczne obudowane w tworzywach sztucznych sq wielokrotnie tańsze od obudowanych w metalu lub ceramice. Z n a n y c h jest wiele metod hermetyzacji, jednak w ostatnich latach preferowana i najbardziej ekonomicznie uzasadniona jest hermetyzacja metodą prasowania przetłocznego tłoczywami niskociśnieniowymi. Jest orxi szczególnie k o r z y s t - na przy produkcji masowej i wysoko zautomatyzowanej, używającej wielogniazdowych form.
Przy niezbyt d ł u g i c h seriach hermetyzuje się często elementy elektroniczne metodą z a l e w a n i a , dogodną z tego w z g l ę d u , że występują wtedy duże możliwości wyboru k o m - pozycji zalewowych o odpowiednich właściwościach. Inne metody hermetyzacji stoso- wane są na mniejszą skalę i to z w y k l e dla wąskich grup wyrobów.
PRACE P R O W A D Z O N E W O N P M P
W ostatnich latach przemysł telekomunikacyjny importował na swoje potrzeby znaczne ilości tłumików z krajów z a c h o d n i c h . Zaistniała więc potrzeba podjęcia prac i z b a d a - nia możliwości hermetyzacji specyficznych elementów elektronicznych na podłożach szklanych i szklano-krystalicznych. D o t y c z y ł o to tłumików w y k o n a n y c h w postaci cienkowarstwowych układów hybrydowych, które przeznaczone są do dopasowania / r e - g u l a c j i / poziomu mocy lub napięcia w systemach telekomunikacyjnych - a u t o m a t y c z - nych, elektronicznych central telefonicznych wytwarzanych na licencji francuskiej.
Tłumiki /produkowane w dwóch wersjach H R Y 1083 i H R Y 1144R/ są c z w ó m i k a m i określorrymi poprzez swoją charakterystyczną impedancję na wejściu i wyjściu, a także poprzez uzyskiwaną tłumienność 1 i 3 dB.
Jako podłoża stosowane są płytki szklane lub s z k l a n o - k r y s t a l i c z n e , przy czym obecnie produkuje się tłumiki prawie w y ł ą c z n i e na podłożach szklano-krystalicznych /sital/.
Stosowano płytki o wymiarach ' , 5 x 6 , 5 oraz o grubości 0 , 8 - 0 , 9 mm w przypadku
płytek szklanych oraz 7 , 5 x 6 , 5 i grubofci 0 , 5 - 0 , 6 mm w przypadku płytek s z k l a n o - - k r y s t a l i c z n y c h ,
Własnoic! płytek podłożowych stosowanych do wytworzenia tłumików podano w tab. 1,
T a b e l a 1
Własności płytek podłożowych
Własności
Płytki szklane
Płytki
s z k l a n o - k r y s t a - liczne
C i ę ż a r objętościowy, g/cm 3
2 Wytrzymałość na z g i n a n i e , k G / c m
Współczynnik rozszerzalności liniowej, 1 / ° C
2 , 8 7 4 . l o ' ^
2 , 5 8 17 5 . 1 0 " ^
Przewodnictwo c i e p l n e , c m - c a l / C * cm • s Oporność skrośna, ^ . c m
Przenikalność dielektryczna, 1 M H z Wsp.stratności dielektrycznej tgó' , 1 M H z
0 , 0 0 3
10 5 • l O " ^
0 , 0 0 7
6 , 4 21 - l O " ^
Porównując budowę płytek z tworzyw szk lano-kry stal icznych z budową tworzyw c e r a - micznych można stwierdzić, że tekstura ceramiki jest niejednolita, spowodowana przez drobne wtrącenia gazowe lub defekty budowy kryształu. W tworzywach s z k l a n o - k r y s t a - licznych tekstura jest bardziej jednolita, g d y ż mikrokryształy / I jjm/ spojone sq cienką warstwą fazy szklistej - stąd tworzywa te można uważać za materiały o jednolitej b u d o - wie polikrystalicznej [ 1 j . Tworzywa szklano-krystaliczne wykazu ją wiele cennych
własności, nie ustępując niekiedy tworzywom ceramicznym, a przewyższając w ł a s n o ś - ciami znane szkła techniczne. Podłoża sitalowe wykazują porównywalne własności z c e - ramiką alundową w zakresie oporności skrośnej i współczynnika rozszerzalności liniowej, natomiast mają gorsze własności w zakresie wytrzymałości mechanicznej i p r z e w o d n i c - twa c i e p l n e g o . Właśnie te niskie wartości wytrzymałości mechanicznej i przewodnictwa cieplnego stanowiły największą trudność w dobraniu odpowiedniej metody hermetyzacji tłumików.
W celu dobrania optymalnych warunków hermetyzacji prowadzono w O N P M P badania w dwóch kierunkach. W pierwszym wariancie wykorzystano obudowy o kształcie p ł a s - k i c h pudełek z tłoczywa epoksydowego, w których następnie hermetyzowano tłumiki odpowiednią kompozycją z a l e w o w ą . W drugim wariancie tłumiki były bezpośrednio z a - prasowywane w formie przetłocznej metodą prasowania niskoctśnieniowego. W metodzie tej należało dobrać optymalne wartości procesu i skurczu samego tłoczywa. Z jednej strony istniało niebezpieczeństwo uszkodzenia p o ł ą c z e ń układu, a nawet samej płytki podłożowej / w przypodku zbyt dużego skurczu tworzywa/, z drugiej strony zbyt mały skurcz nie p o z w o l a ł na dokładne " o b c i ś n i ę c i e " u k ł a d u , a co za tym idzie mogłaby wtedy wystąpić niecałkowita hermetyczność elementu. W obu w a r i a n t a c h / z a l e w a n i e i p r a s o -
44
http://rcin.org.pl
w a n i e / wymagania dla poszczególnych typów tłumików i podłoży były jednakowe i z o s - tały podane w tob. 2 . / S q to wymagania jakimi powinny się charakteryzować tłumiki po procesie hermetyzacji - bez względu rxi zastosowaną metodę/.
T a b e l a 2
Wymagania dla zahermetyzowanych tłumików
Lp. O z n a c z e - nie p a r a - metru
N a z w a parametru Wartości dopuszczalne Lp. O z n a c z e -
nie p a r a - metru
N a z w a parametru
typ H R Y 1083R typ H R Y 1144R
1 T
max M a k s . t e m p . p r a c y , ° C 70 70
2 T .
min M i n . t e m p . pracy, " C - 4 0 - 4 0
3 V
m M a k s . napięcie pracy, V 10 2 0
4 F
m M a k s . c z ę s t . u ż y t k o w a , k H z 100 10 5 Temp.przechowywania, ° C M O T +70 - 4 0 f + 7 0
Wymagania te, jak również specyficzne podłoże, rzutowały na wybór materiałów do hermetyzacji zarówno metodą z a l e w a n i a , jak również metodą prasowania przetłocznego.
W obu przypadkach chodziło o dobranie materiału o odpowiednim skurczu liniowym i objętościowym ze względu na wytrzymałość mechaniczną podłoża. A n a l i z u j ą c własności poszczególnych tworzyw, do prób wytypowano tworzywo silikonowe 306 / D o w C o r n i n g / ,
tłoczywo epoksydowe Polyset 521 / M o r t o n Chemical C o . / oraz kompozycję zalewową E K - 5 , Tłoczywa D C - 3 0 6 i Polyset 521 charakteryzują się niskim ciśnieniem prasowa- n i a , krótkim czasem utwardzania, niezbyt wysokim skurczem i dobrymi własnościami elektrycznymi [ 2 ] . Kompozycja E K - 5 jest niskolepkościową k o m p o z y c j ą ^ p o k s y d o w ą o wysokiej czystości i małym skurczu [ 3 ] .
Hermetyzacja metodą prasowania niskociśnieniowego wymagała dobrania takich p a - rametrów, aby przy minimalnym ciśnieniu / z e względu na p o d ł o ż e / uzyskiwać możliwie d u ż ą płynność tłoczywa /opory przepływu/. Jednocześnie z e względu na zastosowanie
lutowia do łączenia wyprowadzeń / 1 8 3 C / , nie można było regulować płynności tempe- raturą w wyższych jej zakresoch.
O p t y m a l n ą płynność tłoczywa stosowanego do hermetyzacji tłumików - mierzoną metodą " s p i r a l i " - pokazuje rys. 1.
N a podstawie w y k o n a n y c h wielu prób ustalono, że do dalszych prac uż/wane będzie tłoczywo D C 306 z e względu na łagodniejsze warunki przetwórstwa, jak również z e względu na mniejszą pracochłonność przy obróbce końcowej zahermetyzowanych t ł u m i - ków /łatwość odchodzenia od formy/.
Ponieważ wykres płynności stanowi dość stromą k r z y w ą , już w d o l n y c h dopuszczalnych granicach ciśnienia przetłoku płynność jest zupełnie wystarczająca, aby tłoczywo " o b l a ł o "
m p.
180
m
m 90 60 30
w 20 30 40 50 60 70Płynność,cal R y s . l . Wykres zależności płynności od ciśnienia
prasowania dla tłoczywa D C 306 w f e m p e - raturze 185°C /metoda " s p i r a l i " /
w formie c a ł y u k ł a d .
O c z y w i ś c i e ciśnienie panujące w gniazdach formy ¡est odpowiednio mniejsze w p r z e - liczeniu na jednosri<ę powierzchni komory przetłocznej [ 4 j . Hermetyzację prowadzono na prasie firmy Daniels o stałej sile zamykającej 25 ton i ciśnieniu przetłocznym w z a - kresie O - 7 0 k G / c m ^ / w przeliczeniu rw jednostkę powierzchni komory przetłocznej/.
Prasa ta jest wyposażona w dwie płyty grzejne, a zakres osiąganych temperatur waha się w g r a n i c a c h 120 - 2 2 0 ° C .
Stabletkowane i wstępnie podgrzane tłoczywo D C 306 przetwarzane było na prasie w temperaturze bliskiej temperatury topnienia lutowia, W warunkach tych udało się uzyskać dobrą płynność t ł o c z y w a , a jednocześnie skrócić czas przebywania układu cienko- warstwowego w wysokiej temperaturze do 2 , 5 min.
N a j w a ż n i e j s z y m momentem w procesie hermetyzacji układów hybrydowych na p o d - łożu sitalowym było stwierdzenie, c z y zahermetyzowany układ nie ulega wewnętrznemu uszkodzeniu, a g ł ó w n i e c z y płytki podłożowe wytrzymują skoki temperatury i ciśnienie przetłoku. W y k ł a d n i k i e m tego były przeprowadzone badania elektryczne i klimatyczne /wykorwne w komorze przez 21 d ó b / , których pozytywne w y n i k i wskazywały rw dużą efektywność hermetyzacji.
Pozytywne w y n i k i badań nie w y k l u c z a ł y jednak możliwości mikropęknięć w podłożu szklano-krystalicznym, które nie powodowały zerwania połączeń cienkowarstwowych.
Ponieważ problem uszkodzeń mechanicznych przy hermetyzacji przetłocznej występuje prawie we wszystkich typach hermetyzowanych układów, celem pracy było sprawdzenie elementu już zaprasowanego metodą w i z u a l n ą .
Jak wiadomo, tłoczywa epoksydowe i silikonowe po procesie obróbki cieplnej są n i e - rozpuszczalne w normalnych warunkach w znanych ogólnie rozpuszczalnikach, a u s u - nięcie mechaniczne obudowy powoduje zawsze jednoczesne uszkodzenie elementu h e r - metyzowanego.
Ponieważ badania rentgenowskie nie dawały zadowalających wyników /obraz mało czytelny z e względu na tło wypełniaczy zawartych w tłoczywie/, z a c h o d z i ł a k o n i e c z - ność przeprowadzenia prób rozpuszczenia obudowy z tłoczywa. Badania prowadzone były z rozpuszczalnikiem zagranicznym Panasolve plus /Panacol L T D / jak również z różnymi mieszankami rozpuszczalników krajowych. Najlepsze w y n i k i osiągnięto z m i e - szaniną dwumetyloformamidu z chlorkiem metylenu. Zahermetyzowany układ poddawano
46
http://rcin.org.pl
działaniu rozpuszczalnika w temperaturze wrzenia /pod chłodnicą zwrotną/' przez okres kilku g o d z i n . Następnie pozostawiono układ w tej samej mieszaninie przez okres paru dni. Po tym c z a s i e , w bardzo prosty sposób i łatwo obudowa odchodziła od podłoża.
Badania te w y k a z a ł y , źe podłoża elementu hermetyzowanego nie miały mikropęknięć i s z c z e l i n , niewidocznych nawet przy dość dużym powiększeniu, tak w przypadku płytek szklanych jak i sitalowych. D z i ę k i wykazaniu braku uszkodzeń mechanicznych w meto- dzie zaprasowania przetłocznego, metoda ta - ze względu na swoje zalety - stała się dominującą w procesie hermetyzacji tłumików.
Ponieważ wszystkie inne badane parametry wykazały zgodność z warunkami na tłumiki - - p o wykonaniu badań wizualnych i upewnieniu się, że podłoża nie mają mikropęknięć uznano, że metoda hermetyzacji tłumików tłoczywami niskociśnieniowymi może zostać wdrożona do produkcji.
W N I O S K I
Prace prowadzone w Z a k ł a d z i e Tworzyw Sztucznych O N P M P w y k a z a ł y całkowitą przydatność prasowania przetłocznego do hermetyzacji cienkowarstwowych układów h y - brydowych na podłożach szklanych i szklano-ł<rystalicznych, co potwierdziły d o t y c h - czas nie stosowane badania rozpuszczalnikowe.
Hermetyczność układów w stosunku do stawianych wymagań była dobra, na co w s k a - zywały badania klimatyczne i elektryczne.
Badania tłumików potwierdziły zgodność wymagań wg tab.2. Przebadane płytki p o d - łożowe po usunięciu warstwy tłoczywa w y k a z a ł y , że płytki nie ulegają żadnym u s z k o - dzeniom.
N a podstawie tych prac wykonanych w O N P M P i PIE uzrxjno, że można podjąć p r o - dukcję wielkoseryjną tłumików w Dolnośląskich Z a k ł a d a c h Elektronicznych " D o l a m "
we W r o c ł a w i u .
L i t e r a t u r a
1. G o ł a j e w s k i Z . : Tworzywa s z k l a n o - k r y s t a l i c z n e na płytk! podłożowe do układów m i k r o e l e k t r o n i c z n y c h , M a t e r i a ł y Elektroniczne, 5 . 1 9 7 4
2 . N o w a c k i J . , N a r o ż n i a k M . : N i s k o c i ś n i e n i o w e tłoczywo epoksydowe N E - 4 , M a t e r i a ł y E l e k t r o n i c z n e , 3 / 1 1 / . 1975
3 . N o w a c k i J . , N a r o ż n i a k M . : N o w a kompozycja z a l e w o w a do elementów m i k r o e l e k t r o n i c z n y c h . M a t e r i a ł y Elektroniczne, 5 . 1 9 7 4
4 . M a t e r i a ł y firmy Dow C o r n i n g 1976
5. N o w a c k i J . , N a r o ż n i a k M . : Technologia hermetyzacji tłumików tworzywami s z t u c z n y m i . Sprawozdanie O N P M P 1976 r.
