Выбор компаунда для заливки плат


Перед нашим КБ встала задача выбора заливочного компаунда для заливки печатных плат (ПП) низковольтных блоков аппаратуры, предназначенной для работы на околоземной орбите.

В описываемом случае основные требования предъявляются не к влагозащите ПП, а к повышению механической и электрической прочности, при сохранении свойств в широком диапазоне рабочих температур.

Так как в разрабатываемом блоке нет высоковольтных цепей, электрическая прочность компаунда отошла на второй план. Самыми важными параметрами для поставленной задачи становятся низкий коэффициент удельного расширения, низкая усадка при полимеризации (необходима чтобы не повредить дорожки проводников на ПП при заливке платы) и высокий коэффициент теплопроводности.

Для решения подобных задач в промышленности применяют несколько способов:
  • Заливка твердеющими компаундами на основе эпоксидных смол
  • Обработка печатных плат различными лаками
  • Реже применяют вязкие компаунды на основе каучуков и полимеров
  • Комбинация вышеописанных методов

Среди радиолюбителей был в ходу ещё один метод герметизации - заливка плат парафином, однако ввиду высоких температур окружающей среды нам этот метод не подходит.

Обработка лаком чаще применяется для повышения влагозащищённости ПП, и также несколько повышает механическую прочность платы, однако для надёжной работы в условиях высоких ускорений и повышенной вибрации (во время вывода на ракете-носителе) этого может оказаться недостаточно.

Стоит отметить, что в СССР долгое время для данных задач применялся полиуретановый лак Ур-231, на основе эпоксидной смолы. Однако, данный лак при полимеризации расширялся, что требовало дополнительных технологических операции при его применении.

В таблицу ниже сведены краткие характеристики подходящих нам материалов.

Приближённые характеристики эпоксидных смол
Сильно зависит от наполнителя
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)0.17-0.19
Удельная теплоёмкость, КДж/(кг К)0.8-1.2
Температурный коэф-т линейного расширения, 10-6/°C45-65
Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом·см1014-1016
Электрическая прочность, кВ/мм15-35
 
Теплопроводный заливочный силиконовый герметик-диэлектрик «Степ» (фирма Сурел)
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)0.6-0.8
Удельное объемное сопротивление, Ом·см1012
Электрическая прочность, кВ/мм18-20
 
Компаунд кремний-органический КЛТ-50 (фирма Сурел)
Условная прочность при растяжении, МПа>1.0
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·см>1012
Электрическая прочность, кВ/мм>15
 
Компаунд кремний-органический Виксинт
Условная прочность при растяжении, МПа>0.69
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)1-1.2
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·см>1013
Электрическая прочность, кВ/мм>13


По коэффициенту линейного расширения эпоксидная смола близка к стеклотекстолиту (15-50 10-6/°C в зависимости от направления), что неудивительно, учитывая технологию изготовления стеклотекстолита. Из этого следует, что по своим характеристикам материал вполне подходит для наших целей. Для силиконового герметика данный коэффициент не имеет смысла, ввиду эластичности материала.

При сходности прочих показателей, силиконовый герметик обеспечит меньшую механическую прочность, поэтому, в случае отсутствия необходимости отводить большое количество тепла на корпус, стоит выбрать эпоксидную смолу в качестве заполняющего компаунда для блока.

Единственный недостаток эпоксидной смолы это усадка\расширение при полимеризации. При отработке макетного образца была произведена заливка платы с одной стороны двухкомпонентной эпоксидной смолой. После отверждения смолы, плата выгнулась в противоположную заливке сторону. При заливке большого объёма смолой без дополнительных пластификаторов возможно повреждение проводников и компонентов на плате (особенно, если речь идёт о поверхностном монтаже). Ввиду описанных проблем необходимо использовать эпоксидную смолу с наполнителем: подходят хорошо просушенный кварцевый песок, мел или тальк. Объём наполнителя подбирается экспериментальным путём, обычно составляет 5-15% от общей смеси. Для повышения пластичности возможно добавить пластификатор, например дибутилфтолат. Если его нет, в качестве пластификатора использовать ацетон пополам с маслом (минеральное, либо лён), не более 5-9% от общего количества.

Дальнейшие изыскания требуют экспериментальной проверки. На данный момент, ввиду сложностей в приготовлении смесей эпоксидки и достижения стабильной повторяемости параметров готового изделия, в качестве основного варианта рассматривается использование силиконового компаунда "Виксинт". Предварительные вибро-испытания показывают работоспособность образцов, однако дополнительные испытания на термо-стендах не проводились.


Есть данные, что на каком-то производстве печатные платы заливали двухкомпонентным силиконовым герметиком (марка неизвестна). В итоге это приводило к браку: при понижении температуры до -40 отрывало контакты (от платы) у припаянных smd (tsop) микросхем. 1-2 контакта на плату с 10-20 микросхемами, не постоянно, но систематически.