Электроизоляционные материалы, их свойства и применение

Категория:
Производство радиоаппаратуры


Электроизоляционные материалы, их свойства и применение

Обычно для электрической изоляции в электронике используются пластмассы, керамика и керамопласты. Наиболее широко применяются пластмассы, поскольку к свойствам материалов, используемых для сборки и герметизации электронных приборов, предъявляются относительно низкие требования по температурным характеристикам в широком диапазоне температур, а именно до 260 или до 320 °С. Большинство пластмасс, даже те, которые имеют наилучшую термостабильность, не могут длительно эксплуатироваться при температурах выше указанных. При этих температурах пластики испытывают механическое и тыловое старение. Во многих случаях керамика обладает преимуществами перед пластмассами, однако ее’ использование связано с трудностями, обусловленными механической обработкой и изготовлением плат.

Между двумя этими классами материалов находятся керамопласты или композиции из слюды со стеклянным связующим составом. Существуют различные типы керамопластов. Они могут состоять из керамики или слюды в сочетании с органическим или стеклянным неорганическим связующим составом и обрабатываются, как пластмассы.

В данном параграфе обсуждаются основные характеристики типичных электроизоляционных материалов.

Керамопласты

Существуют материалы, предназначенные как для литья, так и для механической обработки. Типичными представителями таких материалов являются керамопласты, которые, как правило, хорошо формуются и отливаются под давлением, как и пластмассы; из них можно даже изготовить изделия сложной формы с различными вставками. Основные характеристики керамопластов следующие: высокая дугостойкость, высокая радиационная устойчивость, низкий коэффициент теплового расширения, хорошие электрические свойства, легкость механической обработки, хорошая стабильность размеров, возможность использования их для печатных схем, возможность переработки составов с высокой диэлектрической постоянной в изделия методом литья или механической обработкой.

Одним из наиболее важных свойств керамопластов и слюды со стеклянным связующим составом является относительно малый коэффициент теплового расширения. Подобно большинству электроизоляционных материалов некоторые важные свойства керамопластов и слюды со стеклянным связующим составом изменяются при изменении температуры и рабочей частоты приложенного напряжения.

Электроизоляционные материалы в герметичной и другой специальной аппаратуре

Органические пластики часто не могут быть использованы в герметизированных блоках с подвижными контактами: из них могут выделяться летучие продукты, которые осаждаются на контактах и вызывают отказы изделия. Прокладки реле, противодуго-вые перегородки, изоляторы и другие конструкционные детали герметизированных реле изготавливаются, главным образом, из литых или механически обработанных деталей из слюды со стеклянным связующим составом. Плоские разделительные прокладки обладают тем преимуществом, что их температурный коэффициент расширения согласуется с температурным коэффициентом расширения винтов креплений блока. Следовательно, даже при больших колебаниях температуры расстояние между контактами реле существенно не изменится. Керамопласты не выделяют летучие продукты, что облегчает их использование в виде различных деталей в очень сложных вакуумных лампах.

Важными для практики свойствами обладает материал, представляющий собой слюду со стеклянным связующим составом. Уникальной характеристикой слюды со стеклянным связующим составом является то, что ни один другой материал, в том числе керамика и пластмасса, не может обеспечить сочетания достаточной стабильности размеров, отсутствия выщелачивания и хороших немагнитных свойств с долговечностью порядка 25 лет.

Использование свинцового стекла в качестве связующего состава делает материал непроницаемым для влаги, что является особенно важным в тех с/учаях, когда может возникнуть электрический пробоД. Кроме того, введение свинца в стекло облегчает механическую обработку таких материалов.

К электроизоляционным материалам часто предъявляется требование выдерживать высокое напряжение при пониженном атмосферном давлении. Эта проблема возникает в некоторых видах аппаратуры в связи с появлением коронного разряда и нагрева при развитии ионизации, что обычно связано с использованием высоковольтных приборов при пониженном атмосферном давлении. Она может быть легко решена, если использовать проходные изоляторы из нержавеющей стали соответствующей формы, залитой композицией из слюды со стеклянным связующим составом.

Если существует даже очень небольшой зазор между электродом и изолятором, в нем может возникать нагрев от ионизации, который внешне проявляется как слабый жужжащий звук. В воздушном зазоре большей величины в таких случаях могут возникнуть частичные разряды, которые приводят к ухудшению качества изолятора. Металлические элементы, которые согласуются по коэффициенту температурного расширения с композицией из слюды со стеклянным связующим составом, могут быть размещены в форме при отливке изделия. При этом будет обеспечен хороший контакт с изолятором и коронный разряд или нагрев будут полностью отсутствовать.

Важным свойством электроизоляционных материалов является их способность сохранять свои параметры неизменными под воздействием радиации. Если изделия подвергаются облучению, то часто в качестве изоляторов в них используются керамика и керамо-пласты. В экспериментах, проводившихся при высоких уровнях облучения, было установлено следующее:
— в вакууме все детали на основе фторсодержащих материалов стали хрупкими, хотя электроизоляционные свойства они, по-видимому, и не потеряли;
— вне вакуумной камеры акриловые соединения обесцветились и из прозрачных превратились в желто-коричневые, а нейлоновые (полиамидные) детали полностью разрушились;
— радиация не оказала значительного влияния на металлические детали или детали из слюды со стеклянным связующим составом.

Слюда со стеклянным связующим составом выделяет очень незначительное количество летучих продуктов и поэтому хорошо подходит для применения в условиях вакуума. Как материал керамического типа, эта композиция является относительно нечувствительной к действию радиации и не теряет под ее воздействием механическую прочность.

Некоторые рекомендации по проектированию и изготовлению деталей из слюды со стеклянным связующим составом, обеспечивающие повышенную надежность изделий, сводятся к следующему:
— для облегчения выема изделия из формы предусмотреть скос в 2°. Такой допуск может быть впоследствии устранен механически, если это необходимо;
— использовать минимальные радиусы, за исключением линий разъема;
— обеспечить хорошее крепление вставок в форме;
— для надежного крепления вставки ее поверхность должна иметь насечки или зарубки;
— использовать стенки оптимального сечения;
— в тех случаях, когда требуется нанесение выемок на поверхностях вытягивания литых деталей из форм, они могут быть выточены после отливки.

Кроме отливки в формы, слюда со стеклянным связующим составом и другие керамопласты могут легко механически обрабатываться при использовании стандартного промышленного оборудования. В этом случае рекомендуется режущий инструмент с карбидными наконечниками.

Большинство диэлектрических материалов легко металлизируется. Следовательно, эти материалы могут быть использованы как подложки для схем, изготавливаемых методом травления, в тех случаях, когда они обладают соответствующими температурными характеристиками, радиационной устойчивостью, отсутствием летучих продуктов, стабильностью размеров и некоторыми другими свойствами. Однако при нанесении покрытий на керамопласты или слюду со стеклянным связующим составом необходимо принимать определенные меры предосторожности. Трави-тель взаимодействует главным образом со стеклянным наполнителем, обнажая частицы слюды. Отношение количества Стекла к количеству слюды, размер и ориентация частиц слюды влияют на прочность связи металла с подложкой так же, как и условия травления. В целом, при более сильном травлении сила сцепления увеличивается до максимального значения, а затем резко уменьшается. Частицы слюды на поверхности становятся настолько подтравленными, что их связь с подложкой ослабевает.

Огромное значение имеет также совместимость используемого стекла с растворами, применяемыми при обработке подложек. Если проанализировать те случаи, когда не удается осуществить осаждение металла на материал подложки, обычно обнаруживают, что стекло является сильно разрушенным обработкой в таких растворах и его поверхность оказывается покрытой продуктами химического разложения стекла, которые не обладают адгезией к материалу. Стекло может также «отравить» растворы и сделать их неэффективными. В любом из этих случаев металл нельзя осадить удовлетворительно. Если же процесс травления и подготовительных циклов для конкретного применения определен правильно, химическое осаждение металла (меди) проводится достаточно просто. В этом случае желательно слегка встряхивать детали и помещать их в такое положение, чтобы облегчить удаление пузырьков, образующихся в процессе реакции.

Для электролитического осаждения металла на пленку, образованную химическим осаждением, по тем же причинам важно правильно выбрать технологию гальванического осаждения, совместимую с конкретным видом слюды в материале, который использовался как подложка при химическом осаждении. Хотя химически осажденный слой является относительно плотным, гальванические растворы могут разрушать слюду под ним и нарушать адгезию этого слоя к подложке. В основном это наблюдается при использовании кислых ванн. По этой причине ванна с пиро-фосфатом меди дает значительно более удовлетворительные результаты.

Характеристики некоторых видов материалов (неорганические диэлектрики)

Волокнистая листовая слюда. Слюда является на-гревостойким электроизоляционным материалом. К сожалению, по своей природе слюда хрупка, что ограничивает возможность ее применения в деталях сложной формы, и значительные усилия были направлены на разработку хорошо обрабатывающихся и надежных материалов на ее основе.

Одним из последних достижений в этой области является разработка слюдяного материала в виде листа, изготовленного из чешуек слюды и органических волокон, которые путем нагрева связываются в гомогенный лист. Этот материал обладает отличными физическими и электрическими свойствами и относительно легко обрабатывается; его нетрудно пропитывать смолами и выпускать в виде гибких листов и лент.

Кроме того, он имеет высокое удельное электрическое сопротивление и обладает большой долговечностью.

Керамика, связанная кремнийорганическими составами. Детали из керамики, связанной кремнийорганическими составами, изготавливаются из прессмассы, подобной полимерным пресспорошкам, обычными методами литья пластмасс. Детали сложной формы могут изготавливаться без дорогостоящей механической обработки. Такие детали механически более прочны, чем изготовленные из обычных пластмасс, и обладают хорошей стабильностью размеров. Из керамики с кремнийорганическим составом можно изготовить любую литую деталь, имеющую толщину стенок менее 13 мм.

Пористость такой керамики составляет примерно 25%. Это свойство важно в тех случаях, когда необходимо обезгаживание готовых изделий (например, прокладок вакуумных ламп, в космических применениях) . Кроме того, такую керамику можно использовать для фильтрации жидкостей и газов. Все детали из керамики с кремнийорганическим составом являются огнестойкими в любых окружающих условиях. Их электрические свойства, которые ухудшаются при повышении влажности, могут быть существенно улучшены покрытием различными смолами. Однако работа деталей с такими покрытиями ограничена температурами до 340 °С. В большинстве случаев детали из такой керамики могут изготавливаться на существующем оборудовании, предназначенном для прямого и трансферного прессования пластмасс.

В некоторых случаях можно использовать другие тугоплавкие материалы, такие, как стеатит, кремнезем, карбид кремния, сподумен, карбид хрома, карбид вольфрама, сульфид или дисилицнд молибдена.

Окись бериллия. Все виды керамики, содержащие окись алюминия, включая керамику с силикатом магния и окисью бериллия, широко используются в качестве подложек для тонкопленочных и интегральных микросхем, герметизированных в плоском корпусе. Теплопроводность окиси бериллия примерно в 240 раз выше теплопроводности стекла, используемого для герметизации электронных приборов. Как правило, керамические подложки, в том числе из окиси бериллия, используются для монтажа фотоэлементов, резисторов, конденсаторов, а также полупроводниковых пленок и кристаллов. Они также применяются для гибридных толстопленочных микросхем в плоских корпусах и для мощных СВЧ транзисторов.

Окись бериллия уникальна в том смысле, что в этом материале сочетаются свойства чистого окисла, такие, как высокое удельное электрическое сопротивление и низкие диэлектрические потери, с хорошей теплопроводностью. Теплопроводность окиси бериллия в 8 раз выше теплопроводности хорошо очищенной окиси алюминия. Однако этот материал очень дорог. Тем не менее он используется для теплоотводящих радиаторов мощных транзисторов, а также в качестве подложек для микросхем. Поскольку окись бериллия, по существу, прозрачна для СВЧ излучения при высоких температурах, она используется для окошек мощных антенн, корпусов клистронов, а также для обтекателей антенн спутников и других космических снарядов.

Диапазон изменения диэлектрической постоянной составляет 6,5…50 для частот до 10 МГц и выше, а диапазон изменения удельной теплопроводности 60…90 Вт/(м-град) при 25°С. Для использования в полупроводниковых приборах существует бериллие-вая керамика с удельной теплопроводностью порядка 145… 150 Вт/(м-град) при комнатной температуре. Электрическая прочность этой керамики составляет 700 кВ/см. Материал с низкими диэлектрическими потерями содержит около 99,5% окиси бериллия.

Керамика из окиси алюминия. Первоначально этот вид керамики был предназначен для изоляторов-разрядников. Эта керамика значительно дешевле, чем бериллиевая. Однако ее коэффициент теплопроводности примерно в 10… 120 раз ниже. Вакуумплотные типы керамики из окиси алюминия обладают очень высокой прочностью. Их теплопроводность примерно в 20 раз выше теплопроводности фарфора, они имеют высокую температуру размягчения и прекрасные электрические свойства при комнатной и более высокой температурах.

Этот материал обычно используют для обеспечения высокотемпературной герметизации, а также для изготовления бобин, каркасов катушек, ламповых панелей и панелей коммутаторов. Алюминиевая керамика других типов с худшей температурной стабильностью размеров используется в подвесах гироскопов, в качестве компонентов датчиков и преобразователей, подложек печатных схем и для изготовления корпусов потенциометров.

Алюминиевая керамика, получаемая литьем под давлением. Обычный метод получения небольших деталей заключается в прессовании сухого порошка и последующего его спекания.

При литье под давлением, используемом для получения керамических деталей сложной формы, включая формирование резьбы и концевых дисков каркасов катушек индуктивности, применяют связующие составы, которые вводят в обычную порошкообразную смесь и которые действуют как смазка, чтобы обеспечить равномерность потока порошка в форму, а затем удаляют из смеси при нагреве. Прецизионные детали из алюминиевой керамики обычно изготавливают или путем литья под давлением или непрерывным прессованием.

Из составов, которые сохраняют хорошие электрические свойства при повышенных температурах, можно методом литья изготавливать компактные электрические и электронные детали, состоящие из керамических частей с металлизированными участками и выводами. В этом случае может быть использована либо алюминиевая, либо бериллиевая керамика.

Стеклянные подложки. Стекло до сих пор наиболее широко используется как материал для подложек благодаря гладкости его поверхности. Температура размягчения стекла обычно значительно ниже температуры размягчения различных видов керамики. Проводящие дорожки микросхем и гибридных толстопленочных схем осаждают на стеклянной подложке. Резисторы, конденсаторы и индуктивности напыляют через маски или наносят химическим осаждением. Контактирование полупроводниковых приборов осуществляется с помощью алюминиевых, серебряных или золотых проволочек.

Керамические изоляторы. Для радиоэлектронной промышленности необходимы материалы с хорошими электрическими свойствами, особенно стабильностью сопротивления при температурах до 1860°С. Из керамических материалов теплостойкими являются: окись циркония, которая становится почти проводящей при температурах более 540 °С; окись бериллия, сохраняющая высокие величины сопротивления до температур свыше 650 °С; нитрид бора, имеющий максимальную рабочую температуру 3030°С в инертной атмосфере (однако в окислительной атмосфере максимум рабочей температуры понижается до 980 °С для твердого и до 700°С для порошкообразного нитрида бора, причем чем выше температура, тем быстрее уменьшается его сопротивление).

Во многих случаях требуется применение литьевых компаундов для работы при температурах около 260°С. В настоящее время единственным материалом, который приближается к этому требованию, являются полиамиды. Эта смола имеет теплостойкость несколько выше 260 °С. При такой температуре и давлении 1820 кН/м2 она сохраняет свою структуру и электрические свойства.

Электроизоляционные материалы на органической связующей основе

Стеклоподобные смолы. Кремнийорганические соединения явились первыми из соединений, которые были использованы для разработки нагревостойких полимеров. Они имеют кварцеподобную структуру, которая сочетается с различными органическими группами. Недавно появились стеклоподобные смолы. Они представляют собой системы, в которых чередуются атомы крем,ния и кислорода.

Литые смолы имеют теплопроводность, сравнимую с теплопроводностью кремнийорганических смол с минеральным наполнителем. Однако их диэлектрические свойства обычно лучше, чем свойства кремний-органических компаундов и большинства пластмасс.

Фторсодержащпе смолы имеют теплостойкость около 120°С при давлении 1820 кН/м2. Однако при армировании их теплостойкость существенно повышается. Электрическая прочность этих материалов зависит от времени и быстро уменьшается при длительном приложении напряжения. Это, очевидно, связано с их низкой короностойкостью, поскольку в вакууме такой эффект не наблюдается.

Армированные пластмассы. Асбестовые волокна часто используются для повышения рабочей температуры термопластов и термореактивных компаундов. Например, один из кремшшорганических материалов, армированный хризолитовыми асбестовыми волокнами, сохраняет половину своей прочности на разрыв после 5-часовой выдержки при 650 °С. Другим видом армированных пластиков является пламягасящий материал на основе полиэфирного связующего состава, армированного стеклом, теплостойкость которого превышает 290 °С.

Материалы, армированные стекловолокном. Нейлон 6/6 (полиамид 6/6), армированный стекловолокном и содержащий от 40 до 50 весовых процентов стеклянных волокон, имеет теплостойкость свыше 260°С. У самогасящейся композиции на основе поликарбоната, армированной стеклом, соответствующая температура составляет около 150°С.

Среди нагревостойких литьевых компаундов необходимо отметить смолы на основе диаллилфталата, армированного коротким либо длинным -стекловолокном, теплостойкость которых составляет 230.. .280 °С, а также премикс из диаллилизофталата, у которого теплостойкость/несколько ниже (180.. .260 °С). Оба эти материала сохраняют высокое электрическое сопротивление при повышенных температурах.

Многие фенольные соединения могут выдерживать температуру 260СС в течение суток. Некоторые виды таких материалов, отверждение которых проведено специальным образом, выдерживают эту температуру в течение 300.. .400 ч без существенной потери электрических свойств. Определенные типы фенольных материалов с минеральными наполнителями, повышающими нагревостойкость материалов, в течение коротких промежутков времени могут выдерживать температуру до 230°С, хотя их теплостойкость составляет 180°С. Литьевые компаунды из этих материалов обычно предварительно тренируют в течение 72 ч при температуре 200 °С.

Огнестойкие пластмассы. При производстве аппаратуры и, в частности, ЭВМ требуются самогасящиеся материалы с улучшенными свойствами и нагрево-стойкостью. В ЭВМ второго поколения, в которых вместо вакуумных ламп применены полупроводниковые приборы, используются огнестойкие подложки для печатных плат. Кроме того, самогасящиеся материалы используются сейчас в тех устройствах, в которых требуется устойчивость к воздействию электрической дуги.

В ряде случаев поликарбонаты и найлон заменяются сейчас ацетатами и полиолефинами. В последних моделях интегральных схем керамические и стеклянные подложки и плоские корпуса заменяют пластмассовыми. При изготовлении гибких и плоских кабелей следует также использовать самогасящиеся материалы; в последнее время имеется существенный прогресс в получении огнестойких или не поддерживающих горение пластмасс.

Смолы для заливки и герметизации. Для заливки наиболее широко используются эпоксидные, кремний-органические, полиэфирные и полиуретановые смолы. Кремнийорганические смолы обладают наилучшим сочетанием электрических и физических свойств, однако они и наиболее дорогие.

Эпоксидные смШы. Новые типы эпоксидных смол имеют существенные преимущества по сравнению с обычными. Они характеризуются высокой дугостойкостью, малой вероятностью образования токопроводящих дорожек, а также обладают малым значением tg6, величина которого не возрастает до температур порядка 250°С. Эти виды эпоксидных смол имеют высокую рабочую температуру и способны удовлетворительно работать при высоких напряжениях в оборудовании, используемом в полевых условиях.

Полиуретаны. Изготовление уретанов низкой вязкости на основе рацинолеата стало возможным благодаря появлению жидких полиолов. Эластичные полиуретаны особенно пригодны для герметизации разъемов, компонентов и печатных плат, используемых при очень низких температурах, хотя они сохраняют достаточно хорошие электрические свойства и при относительно высоких температурах.

Пенополиуретаны. Очень хорошие электрические свойства, прекрасная сопротивляемость ударной и вибрационной нагрузкам, малое время отверждения и малый вес обеспечивают в будущем широкое применение жестких пенопластов для герметизации и заливки электронных компонентов. Эти пенопласты являются термореактивными ячеистыми компаундами, увеличивающимися в объеме за счет выделения газов. Они не имеют открытых пор, и контакт с водой при температуре до 50 °С даже в течение длительного периода для них безвреден. Пенополиуретаны не подвержены прорастанию грибков и поражению плесенью. Их температурный диапазон в зависимости от структуры составляет от —10 до 90 … 150 °С. Предпочтительнее использовать пенопласты, полученные в атмосфере СОг, так как они обладают хорошей пластичностью и стабильностью размеров.

Для окончательной заливки блоков некоторые фирмы используют двухкомпонентный модифицированный пенопласт, полученный на основе полиэфира в атмосфере С02 вместо компаундов на основе полистирола. Для смешивания двух жидких компонентов применяют специальное оборудование, компоненты реагируют в смеси за время меньше одной минуты. Отверждение происходит полностью через 10 мин без подвода тепла, а масса заливочного материала снижается на 75%.

Компаунды на основе полиуретана используются также для заливки кабельных разъемов в военной авиации, а пенопласты средней плотности — для герметизации трансформаторов.

При герметизации изделий необходимо учитывать возможность появления механических напряжений. При низких температурах необходимо учитывать механические напряжения, возникающие из-за усадки герметика. Некоторые ферромагнитные устройства, в том числе ферритовые сердечники запоминающих устройств, особенно чувствительны к напряжениям сжатия. Напряжение в результате усадки может также вызвать повреждения проволочных выводов в электронных модулях. Для уменьшения этих напряжений на практике используют инертные наполнители, такие, как окись кремния, вводимую в герметизирующие компаунды так, чтобы их температурный коэффициент расширения полнее согласовался с соответствующими коэффициентами компонентов. Введение наполнителей обеспечивает малое изменение температурного коэффициента расширения материала во всем диапазоне рабочих температур.

Синтетические смолы являются плохими проводниками тепла, но их теплопроводность можно значительно повысить, добавив такие наполнители, как керамика. В некоторых применениях вместо заливки схемы непосредственно смолой с наполнителем в заливочную форму с изделием загружают неорганический наполнитель и затем в вакууме ее заполняют смолой без наполнителя или смолой с тонко дисперсным наполнителем. В результате изделия имеют высокую теплопроводность и низкий температурный коэффициент расширения. Этот метод был использован для повышения теплопроводности герметика в модулях с высокой плотностью упаковки. Новые типы герметиков состоят из гранул окиси алюминия, смешанной с полнуретано-вым заливочным компаундом. В компаундах, предназначенных для работы при температурах ниже 150 °С, в качестве наполнителя используют микросферы окиси бериллия.

Некоторые смолы для заливки состоят из диэлектрического состава, содержащего 50 весовых процентов окиси бериллия, диспергированного в кремнийорганической смоле высокого качества. Для заливки и герметизации электронных компонентов в настоящее время используют также композиции на основе эпоксидной смолы с наполнителем из мелкодисперсной окиси бериллия (до 60%), предназначенные для литья.

В одном из типов низковольтного трансформатора обмотки и сердечник залиты компаундом на основе сульфата кальция, обладающего высокой теплопроводностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Этот неорганический состав наносится в виде водной эмульсии, которая затвердевает при спекании при температуре 125… 150 “С в течение 1 ч. Поскольку этот состав расширяется при затвердевании, трансформатор помещают в корпус из литой армированной фенольной пластмассы, а магнитные пластины сердечника жестко фиксируются.

Герметизация электронных компонентов и модулей пластмассами может быть осуществлена методами прямого и трансфер-ного прессования, которые быстро заменяют другие методы герметизации. В первую очередь, это относится к замене металлических корпусов с металлостеклянными спаями. Однако оборудование для трансферного прессования, использующее металлические формы, достаточно дорогое, и поэтому его использование экономично только при большом объеме производства, например при производстве резисторов, конденсаторов и полупроводниковых приборов. Современное оборудование для трансферного прессования, специально разработанное для герметизации электронных компонентов, позволяет герметизировать такие чувствительные приборы, как диоды, транзисторы, язычковые переключатели и интегральные схемы на стеклянных и керамических подложках.

При все более возрастающем применении технологии трансферного прессования многие традиционные герметизирующие материалы модифицируются для того, чтобы можно было уменьшить давление при прессовании и повысить скорость отверждения. Например, вместо дорогих эпоксидных смол для герметизации стеклянных язычковых переключателей используют фе-нольные смолы с диапазоном давления при отливке 345… …4140 кН/м2. Имеются также кремнийорганические литьевые прессматериалы с высокой текучестью, которые пригодны для прессования при более низких давлениях.

Существуют также эпоксидные пресс-порошки. Такие системы. имеют более низкую температуру отверждения и меньшее время отверждения, чем обычные жидкие системы, использовавшиеся ранее для заливки схем. Кроме того, в подобных системах содержание наполнителя может быть выше, чем в жидкой системе.

Катушки индуктивности также герметизируют методом трансферного прессования эпоксидными прессматериалами. При комнатной температуре эти смолы твердые, но они становятся относительно текучими при температурах прессования и быстро отверждаются.

Специально для герметизации электронных компонентов созданы новые самогасящиеся прессматериалы на основе крем-нийорганических соединений. Кроме того, имеются такие же компаунды на основе диаллилфталата.

В настоящее время методами трансферного прессования эпоксидными прессматериалами герметизируют кремниевые транзисторы и диоды, варисторы, интегральные схемы, тиристоры. Таким же способом герметизируют модули, содержащие подобные компоненты. Эпоксидные компаунды обладают хорошей текучестью и малой усадкой.. Кроме того, они обладают прекрасной адгезией к выводам, что предотвращает прохождение влаги по поверхности выводов.

Во многих случаях для герметизации кремниевых транзисторов мощностью до 25 Вт используют кремнийорганические литьевые прессматериалы. Объем такого пластмассового корпуса составляет примерно 0,03 объема обычного корпуса ТО-3, а стоимость его примерно в три раза ниже. Эти приборы работают при окружающих температурах до 150 °С и при температуре переходов до 200 “С. Они предназначены в основном для применения в телевидении и радиотехнике. В настоящее время имеются также тиристоры в пластмассовом корпусе с предельно допустимыми значениями тока 2 А и напряжения 200 В.

Порошковые покрытия. Электроизоляционные материалы, используемые для порошковых покрытий, как правило, состоят из полимерных смол, неорганических наполнителей и катализаторов. Когда они попадают на поверхность предварительно нагретых объектов, они расплавляются и образуют гладкую сплошную пленку. Тонкие однородные покрытия можно наносить псевдоожижением, распылением или получать их в электростатическом поле. Для получения тонких электроизоляционных покрытий термореактивные смолы более пригодны, чем термопласты, из-за отсутствия деформации и текучести при повышенных температурах.

Среди термореактивных порошковых смол наиболее широко применяются эпоксидные смолы, которые могут иметь самый различный состав, обеспечивающий разнообразие свойств, и способны образовывать очень жесткую и плотно облегающую электроизоляционную пленку. Эти смолы можно использовать для работы и при температурах до 130 “С. Они обладают также достаточной способностью противостоять деформации при действии нагрузки даже при высокой температуре. Для пропитки катушек индуктивности и обмоток методом псевдоожиженного слоя или распыления разработана серия эпоксидных смол в виде порошков. Расплавление и последующее отверждепне смолы производят разогревом этих обмоток. Имеются специально разработанные эпоксидные смолы в виде порошка, которые предназначены для покрытия распыленнием пазов роторов и статоров электродвигателей мощностью менее 1 л. с. Температура предварительного нагрева изделий составляет около 200 °С, полное отверждение наступает без последующего нагрева.

Ускоренная пропитка роторов и статоров. При струйной пропитке обмоток на верхнюю часть предварительно нагретого якоря или статора, который вращается со скоростью 300… . 2400 об/мин и расположен под углом к вертикали, тонкой струйкой или каплями подается быстро отверждающаяся смола. Под влиянием силы тяжести и под действием капиллярных сил эта смола проникает в обмотку и равномерно распределяется, заполняя всё пустоты. После полного заполнения обмотки смолой вращение изделия вокруг горизонтальной оси продолжается до тех пор, пока пропитывающий состав не потеряет текучесть. Успешное применение этого метода зависит от времени реакции, вязкости используемой смолы, температуры, скорости и угла вращения, от количества смолы и скорости ее подачи, а также от физических характеристик материала ротора или статора.

Для струйной пропитки можно также использовать и немоди-фицированную полиэфирную смолу. При этом пропитка и отверждение обмотки якоря могут быть достигнуты за время менее трех минут.

Нагревостойкие лаки. Применяемые в электродвигателях термореактивные лаки горячей сушки модифицируются для того, чтобы они удовлетворяли современным тенденциям повышения рабочих температур. Например, полиэфирный лак обеспечивает срок службы 20 000 ч при температуре 200 °С и хорошую цементацию при контакте с проводниками в полиэфирной оболочке в обмотке электромагнита. Этот лак разбавляют специальным составом. Для увеличения пластичности лак разбавляют обычным лигроином, что предотвращает растрескивание изоляции выводов. Однако рабочая температура такого лака не превышает 190 °С

Полиэфирный лак, предназначенный первоначально для использования при температурах менее 155 °С, был модифицирован для возможности использования полиэфирной изоляции в обмотках электромагнита при рабочей температуре 180 °С. Его обычно наносят холодным или горячим погружением, вакуумной пропиткой или пропиткой под давлением.

Гибкие электроизолирующие материалы. В связи с тенденцией к миниатюризации и компоновке все большего количества электронных компонентов в меньшем объеме возникает потребность r создании новых типов более тонких, прочных и нагревостойких гибких электроизоляционных материалов. Листовые и пленочные материалы наиболее часто используются как основная изоляция, например как гильзовая изоляция в пазах электродвигателей или межслоевая изоляция в трансформаторах. Поскольку эти материалы являются частью электроизоляционной системы, они должны быть совместимы с материалами, используемыми для изоляции проводов и обмоток, а также лаками и герметиками. Некоторые из новых материалов обеспечивают работу оборудования при температуре 155… 180 °C.

Ленточные материалы обычно используют не только как электроизоляционные, но и для защиты изделий и их крепления друг с другом. Поэтому прочностные параметры являются важными характеристиками этих материалов. Тип использованного в ленте связующего состава определяет класс ее нагревостопкости. Например, резиностеклоткань обугливается при температуре выше 200 °С, в то время как стеклолакоткань на основе кремнийорга-нического связующего состава разлагается при повышении температуры выше 300 °С.

В результате теплового старения электроизоляционные ленты па органической основе приобретают хрупкость и теряют механическую прочность. Ленты на основе неорганических материалов подвергаются тепловому старению в значительно меньшей степени. В этих случаях их электрическая прочность существенно не уменьшается и лента в процессе старения продолжает выполнять функцию диэлектрического барьера.

Бумага из целлюлозы и синтетического волокна. Все виды бумаг для электрической изоляции, такие, как крафт-бумага (изготавливаемая из неотбеленной древесной массы), бумага из очищенной макулатуры и пеньки, до сих пор производятся в больших количествах. Особенно широкое применение для производства ленты находит бумага из пёныси, поскольку она имеет наиболее высокую механическую прочность. Электроизоляционные материалы на основе целлюлозы постепенно заменяются синтетическими материалами или их сочетанием. Крафт-бумага много лет применялась для гильзовой изоляции пазов электродвигателей и межслоевой изоляции обмоток трансформаторов. Однако остатки химических соединении, используемых для выделения древесных естественных смол из целлюлозного волокна, могут оказывать коррозирующее действие на медные проводники.

Нагревостойкий нейлон. Бумага на основе ароматического полиамида сочетает два вида синтетических полимеров: частицы волоконного связующего (фибриды) и короткие волокна. Она может выпускаться с широким диапазоном параметров по массе, плотности и толщине. Этот материал можно успешно использовать при температурах более 200° С. Его диэлектрическая постоянная существенно не меняется при изменении относительной влажности в диапазоне 0 … 95%. Она совместима с различными видами электроизоляционных смол и эмалей, применяемых для изоляции проводов электромагнитов. Такая бумага используется в двигателях и генераторах в качестве межфазовой и гильзовой пазовой изоляции, для изготовления различных формованных изделий, для изоляции каркасов катушек, а также как межвит-ковая и межслоевая изоляция в трансформаторах. На основе нейлоновой бумаги могут быть изготовлены ленты, которые могут использоваться при температурах до 150…180 °С в зависимости от типа связующего состава.

Ткани. Хлопчатобумажная ткань — материал, вначале применявшийся для электроизоляционных лент, до сих пор широко используется для работы при температурах ниже 105 °С. При толщине 0,25 мм ее пробивное напряжение составляет около 3000 В. Ткань из целлюлозно-ацетатных волокон имеет то же пробивное напряжение, но при меньшей толщине. Эти материалы хорошо пропитываются смолами и лаками, но если их использовать в качестве липких лент, то связующий состав следует готовить на основе каучуков.

Ткани из ацетатных волокон имеют очень высокое электрическое сопротивление. Одним из последних материалов такого типа является нетканое полиэфирное полотно, которое значительно лучше противостоит воздействию влаги и обладает более высоким пределом рабочей температуры, чем хлопчатобумажные и бумажные ленты. Его структура похожа на структуру войлока, что обеспечивает глубокое проникновение лаков и смол в обмотанные этой лентой катушки. При добавлении полиэфирных нитей продольная прочность материала на растяжение увеличивается.

Липкая лента из стекловолокна (стеклоткань) имеет меньшую диэлектрическую прочность, чем хлопчатобумажная, однако значительно большее электрическое сопротивление (1000 и 65 МОм соответственно). Она сохраняет электроизоляционные свойства до температуры 150 °С, а ее пробивное напряжение увеличивается от 2500 до 4000 В при пропитке кремнийорганической смолой и до 6000 В при пропитке эпоксидной смолой. Сопротивление изоляции при пропитке эпоксидной смолой составляет 5000 МОм.

Стеклоткань, пропитанная ФЭП (фторэтиленполипропилен), может работать при температурах до 180 °С, ее электрическое сопротивление составляет 2-106 МОм, а пробивное напряжение 3500 В.

Пленки. Целлюлозно-ацетатная пленка представляет собой термопласт с хорошими диэлектрическими характеристиками и влагостойкостью и может быть использована для работы при температуре 105°С. Хотя электрическое сопротивление ацетатной пленки достаточно высокое, тем не менее она имеет меньшую прочность и большую хрупкость, чем хлопчатобумажная ткань или бумага. Предел прочности на растяжение этой пленки может быть существенно повышен, если ввести в нее стекловолокно или волокна искусственного шелка. Электрические свойства пленки сохраняются после выдержки при 150 °С, но если она выполнена в форме ленты, то при температуре свыше 120 °С наблюдается постепенное ухудшение эластичности и связующий состав становится хрупким. Ацетатная лента широко используется для крепления катушек из очень тонкого провода.

Из всех пластмассовых пленок наиболее прочна пленка из полиэфиртерефталата, имеющая значительную рабочую температуру 130 °С. Такая пленка и адгезивы, используемые для изготовления липких лент на ее основе, не подвержены химическим превращениям, но при температуре свыше 130 °С ленты становятся хрупкими. Длительная выдержка при этой температуре вызывает постепенное уменьшение силы сцепления подложки с адгезивом. Хотя через полиэфирную пленку плохо проникают жидкости, тем не менее тонкие нетканые полотна из полиэфирных волокон обеспечивают хорошее проникновение лаков или смол после нанесения их на катушки индуктивности.

Из всех известных .пластмасс наилучшие электроизоляционные свойства при криогенных температурах имеет парилен. Его электрические и физические свойства не изменяются под действием температурных циклов. Пленки из парилена (без подложки) толщиной 0,051 мм могут изгибаться до 6 раз при температуре —165 °С. На воздухе их термостойкость не очень высока, но она существенно повышается в инертных средах.

Поликарбонатные пленки обладают хорошей стабильностью размеров, высокой нагревостойкостью и стабильными электрическими свойствами в широком диапазоне окружающих условий. Пленки можно получать методами литья или экструзии. Очень тонкие пленки из этого материала используются в качестве диэлектриков в конденсаторах. Поликарбонатные пленки могут использоваться и в других случаях, например для пазовой изоляции электродвигателей.

Полиимидная пленка (в зарубежной литературе она часто обозначается как Н-пленка) сохраняет хорошие физические и электрические свойства в широком температурном диапазоне. Ее можно использовать в диапазоне температур —69…+400°С, хотя материал рекомендуют для применения при температуре до 200 °С (180°С для липких лент). Температурные свойства этого материала близки к свойствам политетрафторэтиленовых пленок (ПТФЭ). Он является огнестойким, но не расплавляется и не течет, как ПТФЭ.

Существуют два вида фторсодержащих пленок: фторэтилен-пропплен (ФЭП) и тетрафторэтилен (ТФЭ). Последний в поли-меризованном виде обозначается как ПТФЭ (политетрафторэтилен). Оба материала почти не изменяют диэлектрические свойства в широком частотном и температурном диапазоне. Они химически инертны. Пленка типа ФЭП может свариваться при воздействии нагрева. После обработки натриевым травителем или другими методами ее можно использовать в качестве основания для различных адгезивов и герметиков. Пластины из ФЭП можно получить, применяя обычные связующие составы. Рабочие температуры этого материала составляют 125… 200 °С. Материал является огнестойким, несмачиваемым, исключительно мало поглощает влагу и имеет высокую дугостойкость. К сожалению, он достаточно дорогой.

Ленты из ПТФЭ, покрытые кремнийорганическими связующими составами, имеют диапазон рабочих температур 100… 400 °С и выше. Растяжение необработанной при нагреве пленки ПТФЭ приводит к тому, что пленка становится клейкой и начинает слипаться. Затем она быстро спекается при температуре 620 … 700 °С и образует непроницаемое покрытие.

Ленты из пленки ТФЭ получают экструзией. На них наносят термореактивный кремнийорганический или акриловый связующий состав. Эти ленты не подвержены химическим превращениям. Другой тип лент — травленая ПТФЭ-пленка с кремний-органическим связующим составом. Нижний слой может быть химически стравлен, чтобы обеспечить адгезию пленки к лакам и герметизирующим смолам. Кремнийорганические связующие составы также наносят на ленты из стекловолокна, пропитанного ПТФЭ. Эти виды материалов обладают высокой прочностью на надрыв и малой холодотекучестью.

Другие материалы. Покрытые медной фольгой гибкие пластины применяются для автоматической печати, проявления и травления при создании токопроводящих дорожек печатных плат. В некоторых случаях, особенно для промышленных нужд, в качестве материала подложек используют полихлорвинил и фтор-этиленпропилен. Кроме того, используются некоторые композиционные материалы, например стеклолакоткань на основе эпоксидных смол.

Плоские кабели используются для получения соединений между отдельными модульными блоками, где количество проводов велико и требуется подвижность кабеля. Например, плоскими кабелями сейчас заменяют проводку в автомобилях. Полихлорвинил выбран в качестве основы благодаря его гибкости, долговечности и хорошим электрическим свойствам.

Полиэфирную пленку широко используют для создания гибких соединений схем и кабелей. Она может работать при температурах до 90 °С и выше. Пленка имеет повышенную жесткость, обладает хорошими диэлектрическими свойствами; она имеет очень малое удлинение при растяжении, малую усадку и не обладает холодотекучестью. Некоторые новые виды пленки обладают свойством самогашения (не поддерживают горение) и используются в ЭВМ. В последнее время появилась слоистая полиэфирная пленка. Она позволяет снизить габариты и массу ЭВМ и используется в тех случаях, когда от материала требуется способность к высокотемпературной пайке, стабильность размеров и хорошие электрические свойства. Применение в подобных случаях стеклолакоткэни соответствующей толщины было бы неэкономичным.

Для удовлетворения более жестких требований имеются огнестойкие неплавкие полиимидные подложки, максимальная рабочая температура которых составляет 260 °С. Для получения межсоединений в сложном устройстве в качестве изоляции для пленочной разводки используется ФЭП-пленка. Она обеспечивает высокую стабильность размеров, невоспламеняемость и достаточно высокие механические свойства, что делает возможным монтаж соединений на дверцах оборудования. Электрические свойства этой пленки позволяют размещать проводники близко друг к другу и снижать объем платы. Плоские пленочные проводники используются также для получения межсоединений в системах обработки данных. Пленка легко сваривается, а на специально подготовленную пленку могут быть нанесены эпоксидный, уретановый, полиэфирный или акриловый связующие составы. На стеклолакоткань на основе эпоксидной смолы наносят тонкий слой медной фольги, что обеспечивает хорошую гибкость схем или травленых плоских проводников. Эту подложку можно также использовать для образования многослойных схем. Длительная рабочая температура такого материала составляет 150 °С.

Аналогичный материал, выпускаемый в рулонах, — это покрытая слоем меди стеклолакоткань на основе эпоксидной смолы; его рабочая температура составляет 130° С. В этом случае пайку можно производить обычными методами.

Изготовление схем с утопленными проводниками

Если необходимо, чтобы на фольгированной медью пластине была создана схема, осуществляющая переключающие или коммутационные функции, то проводники этой схемы должны быть утоплены в подложку. Это достигается использованием очень высоких давлений и нагрева в процессе изготовления плат. Производится химическое травление платы, изготовленной из стеклолакоткани на основе эпоксидной смолы, и при травлении проводники формируются в углублениях подложки. Таким же образом можно обрабатывать подложки из стеклоткани с полиэфирной смолой. Подобный метод применим и для получения многослойных печатных схем.

Печатные платы с нанесенным на одну из поверхностей связующим составом совмещают с неотверж-денной подложкой. После этого пакет устанавливают под пресс и затем под давлением отверждают. Плату для производства подложек с тонкой разводкой пропитывают фенольной, меламиновой или эпоксидной смолой. Стеклоткань, пропитанную фенольными смолами, используют в тех случаях, когда нужно обеспечить высокую нагревостойкость материала для проведения последующей пайки. Если в качестве материала подложки используют пламягасящую бумагу из акрилового волокна, то из отдельных проводящих элементов, полученных вырубной штамповкой, можно образовывать многослойные структуры. При этом можно использовать широкий диапазон проводящих материалов.

Для приваривания выводов к печатным платам с помощью микросварки изоляционные пластины могут быть покрыты такими материалами, как никель или бериллиевая медь.

Изготовление многослойных печатных плат

Два и более слоев с различной топологией схем могут быть соединены вместе послойно при нагреве и давлении и образовать объемную структуру. Среднее число сдоев составляет от 4 до 8.

Многослойные платы позволяют снизить до минимума время считывания в быстродействующих ЭВМ, что определяется природой самих этих схем. Однако окончательную сборку таких плат следует проводить при монтаже всей системы в целом.

Пластмассы, используемые для изготовления многослойных плат, могут находиться в двух стадиях: в стадии В, в которой имеется некоторое количество пространственных связей, но отверждение не является полным, и в стадии С, в которой материал отвержда-ется полностью под действием тепла и давления. Листовые материалы типа В для многослойных плат характеризуются высоким содержанием смолы. Содержание летучих продуктов в них не должно превышать 0,5. ..0,75%. Для этих целей наиболее широко используется стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой. Используются также стеклоткани, пропитанные фенольными, полиамидными и кремнийорганиче-скими смолами.

Медное покрытие не должно иметь царапин, проколов или вмятин. Важным фактором здесь является чистота материала диэлектрика. Материалы самого высокого качества следует изготовлять в чистых помещениях с отфильтрованным деионизованным воздухом и высоким уровнем освещенности. Здесь при тщательном контроле температуры и давления соединяют фольгу и диэлектрические листы перед отверждением гибкого слоя. Загрязнение окислами меди можно устранить, если использовать свободную от окислов медь, покрытую специальными составами. В хорошей схеме материал, разделяющий проводящие слои, оптически прозрачен.

Большинство материалов, используемых в качестве подложек для гибких схем, можно использовать и для многослойных плат. Однако, как правило, для этих целей применяется стеклолакоткань со связующим на основе эпоксидной смолы, а не пластмассовые пленки без связующего состава.

Гильзовая изоляция

Гибкие гильзы с усадкой обеспечивают механическую защиту и электрическую изоляцию проводников в двигателях, трансформаторах и небольших кабелях. При испытании этих материалов на изменение электрической прочности в результате старения целесообразно применять криволинейные электроды, которые создают нагрузку на гильзы, вызывающие их растяжение па 2%. Этот метод аналогичен основному методу испытаний с помощью криволинейных электродов, который используется для оценки теплового старения гибких материалов.

Электроизоляционные гильзы, дающие усадку под действием тепла, используются, главным образом, для защиты проволочных изолированных выводов с припаянными к ним клеммами и штеккерами от механических и других внешних воздействий. Основным материалом для них обычно являются облученные полимеры, полнолефины, полиэфиры, простые эластомеры или кремнийорганические смолы. Если облученный материал растягивается и одновременно нагревается до температуры, превышающей температуру его кристаллизации, и затем охлаждается под нагрузкой, он будет сохранять полученную при растяжении форму. Повторный нагрев вызывает возвращение материала к первоначальному состоянию. Это свойство материала обозначается термином «упругая память». Типичная усадка этих материалов составляет 50%’. Одна из модификаций такой гильзовой изоляции состоит из внешнего слоя, который имеет большую тепловую усадку, и внутреннего, который расплавляется при нагреве и под давлением проникает в поры компонентов, находящихся внутри гильзы. Рабочий диапазон температур материала составляет —55 … … +125 °С.

В другом варианте материал, предназначенный для заземления экранированного кабеля, представляет со-бон гильзу с тепловой усадкой, содержащую внутри предварительно отформованный участок припоя с флюсом. Оба конца гильзы герметизированы термопластом. Усадку и герметизацию этой гильзы, а также расплавление припоя за время 1…2 с обеспечивает специальная инфракрасная тепловая установка. В этом случае важно, чтобы проводники или материал, с которым должен соединяться припой, были хорошо очищены.

Кремнийорганическая изоляция и износ щеток электродвигателей

О быстром износе щеток при наличии паров крем-нийорганических соединений при температурах порядка 180°С достаточно хорошо известно. Однако не всегда помнят, что износ щеток не бывает большим, если рабочая температура оборудования находится в допустимых пределах. Более того, в настоящее время имеются щетки, которые не подвергаются существенному износу при работе электродвигателей с крем-нийорганической изоляцией вплоть до температуры 150 °С.

Когда кремнийорганический лак впервые использовался в электродвигателях постоянного тока с вентиляцией, то не было отмечено его вредных воздействий. Однако при использовании лака в закрытых электродвигателях, работающих при температуре порядка 180 °С, отмечается повышенный износ щеток, который никогда не возникает при работе открытых электродвигателей с хорошей вентиляцией. Лишь эксплуатация открытых электродвигателей при 180°С в небольших помещениях или замкнутом пространстве, когда воздух постепенно насыщается парами кремнийорга-нических соединений, может привести к износу щеток.

Есть правила, которые необходимо соблюдать, чтобы предотвратить чрезмерный износ щеток закрытых двигателей с кремщшорганической изоляцией:
— кремнийорганический лак должен быть тщательно высушен в условиях длительной сушки при температуре 200 °С;
— необходимо избегать использования лент и кабелей из силастика. Они имеют сильную тенденцию к выделению летучих продуктов и ускоряют износ щеток;
— необходимо правильно выбирать угольные щетки. Хорошая щетка обладает длительным сроком службы в закрытом электродвигателе, если его эксплуатация осуществляется при температуре не более 130°С. Если рабочая температура электродвигателя составляет 130. ..150 °С, то необходимо использовать специальные щетки;
— электродвигатель не должен работать при температурах более 150 °С.

Специальные лабораторные исследования и испытания реальных изделий подтверждают приведенные рекомендации. Испытанию подвергались различные сорта щеток. Скорость их износа определялась в зависимости от рабочей температуры образца, которая измерялась термопарой, укрепленной на держателе. Опыты проводились на закрытых двигателях постоянного тока. У лучшего вида щеток (щетки типа Ф) скорость износа оказалась примерно в 1,5 раза меньше обычной при температуре 150 °С, в два раза — при 170 °С и в три раза —при 200 °С.

В одном из опытов закрытый электродвигатель мощностью 37,3 кВт был нагружен до 57,4 кВт. Он имел изоляцию класса нагревостойкости В и через несколько недель сгорел. Испытывалось около 25 таких электродвигателей. Для их охлаждения первоначально использовали вентилятор с кожухом. Однако этого оказалось недостаточно, и обмотки продолжали перегорать. Измерения показали, что общая температура электродвигателей достигала 150°С. Было решено один из двигателей с кремнийорганической изоляцией оборудовать щетками типа Ф. После семи месяцев работы, в течение которых нагрузка все время поддерживалась на уровне 57,4 кВт при температуре 150 °С, этот электродвигатель был разобран для изучения. Оказалось, что кремнийорганическая изоляция обмоток была еще эластичной, а износ щеток был меньше, чем принято по норме.

Коррозия проводников, покрытых серебром

Эта проблема длительное время затрудняла получение качественных соединений, и чтобы обнаружить причину коррозии, были предприняты интенсивные исследования.

В электронной промышленности широко используют провод с изоляцией из ПТФЭ или ФЭП, поскольку эти материалы хорошо противостоят действию высоких температур и имеют хорошие электрические свойства. Коррозия наблюдалась на изолированных указанными материалами медных проводниках, покрытых серебром. Продукты коррозии были красного цвета, и это явление получило название «красной чумы». Этот вид коррозии обнаруживался в процессе сборки многожильных кабелей и при контрольных испытаниях. Первоначально полагали, что это связано с применением ПТФЭ, но образование красных продуктов коррозии на посеребренном медном проводе, когда изоляцией служили поливинилхлорид и полиэтилен, отвело эти подозрения. Наиболее вероятными причинами коррозии могут быть: 1) образование электрохимического элемента, состоящего из окиси серебра и меди; 2) диффузия меди в серебряное покрытие в процессе спекания ПТФЭ; 3) образование гальванического элемента между серебром и медыо.

Специальные исследования, а также лабораторные испытания проводились для оценки каждой из приведенных выше причин возникновения коррозии. Задачей было определить причину коррозии и найти Цути ее устранения. На основе этого исследования было показано, что коррозия медного провода, покрытого серебром, возникает, главным образом, в результате образования гальванического элемента между серебряным покрытием и медным проводом и что скорость коррозии зависит от количества кислорода на катоде элемента (серебре). При коррозии образуются окислы меди, содержащие двухвалентную медь. При этом кислород играет двоякую роль. С одной стороны, он способствует образованию коррозии, реагируя на катоде, но в то же время и задерживает ее, образуя защитные пленки, содержащие кислород, на слоях продуктов коррозии. Таким образом, даже ограниченное количество кислорода на поверхности меди может создать условия, приводящие к более интенсивной коррозии, чем больше количество этого кислорода. Использование медных сплавов вместо меди типа ЕТР или свободной от кислорода высококачественной меди не обеспечивает дополнительной зашиты против коррозии, поскольку потенциал пары остается практически неизменным.

Окислы меди и двухвалентной меди являются обычными продуктами коррозии, причем окислы двухвалентной меди доминируют. Коррозия начинается на серебряном покрытии и разрастается дальше.

На основе этого исследования было сделано следующее заключение:
— коррозия посеребренного медного провода является результатом образования гальванического элемента между серебром и медью, который возникает на дефектах и порах в серебряном покрытии при наличии воды и кислорода;
— дефекты или несплошность серебряного покрытия, возможно, вызываются механическим истиранием провода в процессе изготовления;
— скорость коррозии зависит от количества кислорода, которое достигает катода гальванического элемента (серебра);
— окись меди (красная) является основным продуктам коррозии;
— если встречается черная окись меди, то это означаем что провод какое-то время находился при повышенной температуре;
— другие продукты коррозии образуются на экранной оплетке проводов, что, вероятно, обусловлено действием воды, используемой для охлаждения изоляции на основе ФЭП;
— коррозия не связана с наличием на проводниках электроизоляционных материалов типа ПТФЭ или ФЭП;
— коррозия не связана с возникновением электрохимического элемента, включающего окись серебра и медь;
— значительной диффузии меди в серебряное покрытие при спекании изоляции не наблюдается;
— использование других видов меди или сплавов вместо обычной меди не оказывает существенного влияния на подверженность этих соединений коррозии;
— значительное распространение коррозии может привести к ухудшению долговечности и снижению электропроводности провода;
— размер дефектов на серебряном покрытии и конструкция кабеля такие, что обычные методы нераз-рушающего контроля не могут быть использованы для проверки провода на наличие коррозии.

Кроме этого, были проведены дальнейшие исследования методов борьбы с коррозией. Работы велись в направлении увеличения толщины серебряного покрытия, использования провода с гальваническим покрытием, использования никелированного провода с последующим покрытием его серебром.

Дополнительное покрытие провода серебром снижает вероятность возникновения коррозии, по не устраняет ее причину, в то же время использова никелированного провода создает проблему получения качественной пайки. Поэтому наиболее практичное и надежное решение проблемы — использование серебряно-никелевой металлизации. Результаты оказались достаточно плодотворными. Медный провод, помытый слоем серебра толщиной 1 мкм, нанесенный поверх слоя никеля такой же толщины, оказался значительно более устойчивым к коррозии по сравнению с медным проводом, покрытым слоем серебра толщиной 1 мкм. Хорошие механические свойства никеля уменьшают вероятность механического повреждения покрытия в процессе изготовления провода и нанесения на него изоляции. Если используется катодная защита меди, можно снизить коррозию примерно на 70% по сравнению с посеребренной медью.

Проверялась и способность этих проводов к пайке. Методы их пайки несколько отличаются от методов пайки обычных посеребренных проводов. Однако успешно была проведена пайка твердым припоем образцов провода с двойным покрытием. Окисление меди, которая диффундирует через серебряное покрытие провода, полностью устраняется при двойном покрытии, поскольку скорость диффузии меди через никель существенно меньше. Поэтому рекомендуется использовать медный провод с покрытием никелем и затем серебром. Однако его использование в электрических схемах, где существуют внешние магнитные поля, может потребовать дополнительных исследований из-за магнитной восприимчивости никеля.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум