CC BY
206Компоненты и технологии, № 2'2002
Технология влагозащиты и электроизоляции изделий РЭА полипараксилиленом
В современном производстве РЭА и вычислительной техники специального назначения важная роль в обеспечении надежности их работы при воздействии различных климатических факторов принадлежит методам влагозащиты. Для электронных модулей до III поколения РЭА включительно существующие лаковые материалы на основе эпоксидных, уретановых и силиконовых связующих в основном соответствовали требованиям обеспечения влагозащиты. Однако с появлением современной высокоинтегрированной элементной базы области применения традиционных лаков резко сократились, вплоть до полного отказа от их применения. Увеличение насыщенности радиоэлементами, в том числе бескорпусными, применение безвыводных пассивных и активных компонентов, высокоомных ИЭТ, особенно чувствительных к токам утечки, новых миниатюрных мощных ИС с большим количеством выводов, монтируемых на печатные платы с шагом меньше 0,625 мм, а также использование миниатюрных многоконтактных соединений приводит к необходимости использовать новые принципы влагозащиты изделий, эксплуатируемых в особо жестких условиях воздействия факторов окружающей среды.
Texi
гии
Валентина Ширшова
Уникальным способом обеспечения надежной защиты электронных устройств различного назначения является технология нанесения полимерных покрытий из газовой фазы в вакууме. Покрытия, получаемые вакуумным осаждением, имеют существенное отличие по структуре и свойствам от покрытий, получаемых из жидких сред, и реализуют свои защитные свойства при толщине 8-12 мкм.
Основными их преимуществами являются высокие электроизоляционные свойства, низкая газо- и влагопроницаемость, возможность формирования покрытия при нормальных температурах, однород-
Димеры
Полип pa кс и лены (Парилен)
N -(CH^JbCH2t
__/С1
с 1сн/ VcH2k
D -(СН2-<^^СН2^
а
Лаковое покрытие
Полипараксилиленовое покрытие
Рис. I
ность покрытия по толщине на изделиях очень сложной конфигурации, отсутствие токсичности.
Наиболее хорошо изученными и нашедшими широкое промышленное применение являются поли-параксилиленовые покрытия (ППКП), получаемые вакуумпиролитической полимеризацией из цикло-ди-п-ксилиленов, химические формулы которых приведены на рис. 1.
Для защиты изделий с электронными компонентами такое покрытие под общим названием «Парилен» (в трех модификациях N, C, — рис. 1) впервые применила фирма Union Carbide (США). Парилен и в настоящее время широко используется в передовых западных технологиях авиакосмической, военной и промышленной техники, в изделиях радио- и электротехнического назначения. Покрытие соответствует требованиям стандарта США MIL-i-46058C. Ведущей зарубежной компанией в области синтеза ППКП и конструирования установок для их нанесения является фирма NOVA TPAN Corp. (США) с ее многочисленными филиалами в разных странах мира.
ППКП наносятся на специальных вакуумных установках (рис. 2).
Покрытие толщиной 5-10 мкм не содержит точечных отверстий и благодаря низкой паро- и газопроницаемости характеризуется исключительно высокой влагостойкостью и устойчивостью к проникновению коррозирующих жидкостей и газов. Кроме того, толщина наносимого слоя получается равномерной, исключается образование натеков, оголение острых кромок, непокрытых мест, например под элементами сложных электронных схем, в узких каналах (рис. 1).
В отличие от лаковых покрытий, когда для обеспечения требуемых защитных свойств покрытие осуществляется методом многократного нанесения материала толщиной 50-80 мкм, при использовании
Компоненты и технологии, № 2'2002
Технологии
Рис. 2
ППКП эквивалентное по защитным свойствам покрытие наносится за одну операцию. Важной особенностью ППКП является отсутствие внутренних напряжений, так как осаждение идет из газовой фазы, минуя жидкую.
В настоящее время в России освоено производство исходных продуктов ди-пара-кси-лилена (ТУ6-14-50-96) и ди-хлор-ди-пара-ксилилена (ТУ6-14-88-96). Данные материалы введены в отраслевые стандарты: ОСТ В 107.460007.008-2000 «Аппаратура радиоэлектронная. Сборочно-монтажное производство. Покрытия на основе параксилилена и хлорпараксилилена», 0СТ107.9.4003-96 «Покрытия лакокрасочные. Технические требования к технологии нанесения», РД107.9.4002-96 «Покрытия лакокрасочные. Номенклатура, свойства, область применения» и в ОСТ5.9221 «Покрытия лакокрасочные. Выбор покрытий. Технические требования».
Влагозащита электронных модулей бортовых, корабельных и наземных радиоэлектронных комплексов, а также транспортных средств, работающих в условиях повышенной влажности, с использованием указанных материалов соответствует требованиям групп эксплуатации 2.1-2.5 ГОСТ РВ 20.57.306-98.
Стоимость 1 дм2 покрываемой поверхности составляет от 0,5 до 3 $ и зависит от размеров изделий, их конструктивного исполнения, необходимой толщины покрытия и от количества одновременно покрываемых изделий.
Кроме того, для каждого конкретного применения решаются вопросы, связанные с очисткой поверхности от ионных и жировых загрязнений, специальной подготовкой поверхности (аппретирование), защитой мест, не подлежащих покрытию, технологией ремонта изделий.
При решении вопроса о целесообразности применения ППКП в каждом конкретном случае исходят из условий эксплуатации изделия, конструктивно-технологического исполнения, экономических показателей, требований к чистоте и экологии процесса.
Весьма целесообразно применение ППКП в электронных модулях с высокой плотностью монтажа, в том числе БИС, ГИС и т. п.
Перспективно также применение ППКП для создания дополнительной защиты изделий микроэлектронной техники и резистивно-пленочных элементов, герметизированных в металлические или металлокерамические корпуса. В этом случае обеспечивается защита непосредственно каждого элемента конструкции, в том числе ИС, полупроводниковых приборов, резисторов и т. д., что в 3-5 раз повышает влагоустойчивость изделия в целом, а в ряде случаев может быть исключе-
Таблица1
Параметр
на общая герметизация изделия в корпусе, составляющая до 30 % от общей трудоемкости и стоимости изделия.
В табл. 1 приведены свойства полипаракси-лиленов. Покрытия характеризуются исключительно низкой влагопроницаемостью, высокими диэлектрическими свойствами, термостабильностью, хорошими физико-механическими свойствами.
На наших предприятиях в основном применяются полипараксилиленовые покрытия, в то время как в западных технологиях (~80 %) — полихлорпараксилилен. Последний имеет более высокие технико-экономические показатели процесса (уменьшение времени нанесения покрытия до 2-3 часов и не требует охлаждения камеры осаждения). В то же время для получения полипараксилилено-вого покрытия толщиной 10-15 мкм необходимо 4-5 часов с применением охлаждения. Это связано с различными критическими температурами «конденсации» паров мономеров при формировании покрытия, которые составляют 30 °С и 70 °С соответственно. По-лихлорпараксилиленовые покрытия более прозрачны, эластичны и имеют более высокие значения термостабильности, а также значительно более низкую газопроницаемость (Ы, 02, И28, С02, 802, С1), однако уступают ППКП по электрической прочности примерно в 2 раза.
Несмотря на достаточно низкую диэлектрическую проницаемость применяемых
Значение параметра полипараксилилен полидихлорпараксилилен
Диэлектрическая проницаемость
60 Гц 2,65 3,15
Ю‘Гц 2,65 2,95
Электрическая прочность, кВ/мм 260 145
Объемное удельное сопротивление, Омтм
при 50 % ф 1х1017 8х106
при 90 % ф 1013 1014
Тангенс угла диэлектрических потерь
60 Гц 0,0002 0,020
10‘ Гц 0,0006 0,013
Предел прочности при растяжении, кг/см2 600 910
Относительное удлинение при разрыве, % 30-200 200
Плотность, г/см3 1,11 1,29
Коэффициент трения
статический 0,25 0,29
динамический 0,25 0,29
Температура плавления, °С 405 280
Водопоглощение за 24 часа, % 0,01 0,06
Термический коэффициент линейного расширения 10-5/°С
6,9 3,5
Таблица 2
Диэлектрическая проницаемость 1 МГц 2,35
Тангенс угла диэлектрических потерь 1 МГц <0,001
Объемное сопротивление Омхсм (23°С) 5,3х10 6
Поверхностное сопротивление Ом (23°С) 1,3х1014
Диэлектрическая прочность кВ/мм 250
Разрывное удлинение % 20
Разрывное напряжение Мпа 45
Влагопоглощение % <0,1
Термостабильность °С >450
е
Компоненты и технологии, № 2'2002
ППКП (2,65 — для незамещенного полимера,
3,1 — для монохлорзамещенного полимера и 2,82 — для дихлорзамещенного полимера), их термическая стабильность ограничена 150-200 °С, что не позволяет использовать такие покрытия, например, в микроэлектронике в качестве межслойной изоляции для полупроводниковых приборов (чипов). В настоящее время основным материалом для этой цели является 8Ю2, характеризующийся, однако, наряду с высокими термическими свойствами, весьма высокой диэлектрической постоянной (= 4,0). Его замена на другие материалы с существенно более низкими значениями (2,0-2,4) позволит значительно повысить частотный диапазон чипов.
Texi
ГИИ
Одним из наиболее привлекательных материалов в этом плане является поли-ф, ф, ф', ф'-тетрафтор-п-ксилилен, имеющий диэлектрическую постоянную 2,35 и термостабильность более 450 °С. Что немаловажно, технология нанесения его на поверхность аналогична применяемым для производства чипов вакуумным твердотельным технологиям.
Некоторые характеристики пленок поли-ф, ф, ф', ф'-тетрафтор-п-ксилилена приведены в табл. 2.
Работы по получению поли-ф, ф, ф', ф'-тет-рафтор-п-ксилилена, изучению его свойств и практическому применению активно начали проводиться только в последние годы как за рубежом, так и в России (ГНЦ РФ НИФХИ
им. Л. Я. Карпова, г. Москва). В настоящее время большой интерес к этому новому уникальному полимерному материалу проявляют ведущие западные микроэлектронные фирмы: Texas Instruments, IBM, Eastman Kodak Company и др. На Западе этот полимер известен также под торговой маркой Parylene AF-4 (Разработчик — Specialty Coating Systems, США).
Благодаря уникальному сочетанию свойств и преимуществу метода полимер используется в самых различных областях: оптика, химия, медицина, фармакология, библиотеки, архивы, музеи и т. д., что позволяет говорить о большом будущем применения этого материала.
е-
