Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Актуальность исследований характеристик и контроля показателей качества новых функциональных материалов приборостроения 14
1.1 Особенности разработки и применения новых функциональных материалов приборостроения 14
1.2 Анализ состояния исследований характеристик и оценки показателей качества при испытаниях новых функциональных материалов
1.2.1 Анализ существующих проблем разработки и применения новых функциональных материалов 16
1.2.2 Проблема оптимизации испытаний функциональных материалов
1.3 Показатели качества функциональных материалов 21
1.4 Концепция проведения экспертных испытаний функциональных материалов и оценка эффективности их проведения
1.4.1 Основные положения концепции проведения экспертных испытаний 29
1.4.2 Оценка эффективности проведения экспертных испытаний по методологии теории эффективности операций 31
Выводы к главе 1 36
ГЛАВА 2. Формирование технических требований к учебно исследовательскому комплексу и их реализация 38
2.1 Виды испытаний и требования к ним 38
2.2 Анализ требований нормативной документации к методам испытаний, выбранных для реализации в комплексе
2.2.1 Требования к методам механических испытаний материалов 39
2.2.2 Требования к методам электрических испытаний композиционных материалов 41
2.2.3 Требования к методам теплофизических испытаний композиционных материалов 45
2.3 Основное оборудование и вспомогательные элементы комплекса для проведения экспертных испытаний 47
2.4 Требования к программному обеспечению обработки результатов экспертных испытаний 56
2.5 Состав и структура учебно-исследовательского комплекса,
соответствующего установленным требованиям 59
Выводы к главе 2 60
ГЛАВА 3. Обоснование применимости методов исследований характеристик для проведения экспертных испытаний функциональных материалов 62
3.1 Последовательность обоснования применимости методов исследований 62
3.2 Описание разработанных методик исследований показателей качества материалов
3.2.1 Основные положения методик испытаний показателей качества и характеристик функциональных материалов 62
3.2.2 Методики исследований механических характеристик образцов соединений и материалов 63
3.2.3 Методика исследований электрических характеристик материалов 67
3.2.4 Методика исследований теплофизических характеристик материалов 3.3 Результаты калибровки основного испытательного оборудования 72
3.4 Отработка методик испытаний
3.4.1. Отработка методики механических испытаний материалов 81
3.4.2. Отработка методики электрических испытаний материалов 90
Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. Результаты исследований показателей качества образцов новых функциональных материалов 100
4.1 Общие сведения об образцах новых материалов диэлектрических покрытий 100
4.2 Оценка влияния дисперсности и структуры фазы наполнителя на значения характеристик композиционных материалов
4.2.1 Факторы, влияющие на показатели качества полимерных композиционных материалов 101
4.2.2 Анализ результатов исследований влияния дисперсности и структуры фазы наполнителя на свойства
4.3 Анализ результатов исследований материалов диэлектрических покрытий 112
4.4 Рекомендации разработчикам и пользователям функциональных материалов 119
4.5 Оценка эффективности проведения экспертных испытаний и оценки качества функциональных материалов на учебно-исследовательском комплексе 121
Выводы к главе 4 121
Заключение 123
Список литературы 125
- Проблема оптимизации испытаний функциональных материалов
- Требования к методам механических испытаний материалов
- Описание разработанных методик исследований показателей качества материалов
- Анализ результатов исследований влияния дисперсности и структуры фазы наполнителя на свойства
Проблема оптимизации испытаний функциональных материалов
При разработке и применении новых изделий в целом возникают типичные проблемы и трудности, связанные со сложностью рассматриваемых объектов. Применительно к рассматриваемым функциональным материалам приборостроения подобные проблемы, замедляющие их внедрение в производство, можно обобщить в виде четырех следующих групп: наличие нерешенных проблем по обеспечению требуемого качества и надежности материалов, находящихся в обращении на рынке; несоответствие характеристик материалов повышенным требованиям применения в современных и перспективных изделиях; недостаточность и невысокая достоверность данных о функциональных свойствах неразъемных соединений с применением новых марок припоев и клеев; необходимость проведения более глубоких исследований характеристик функциональных свойств на этапе разработки для более полного описания материала с точки зрения его применимости в изделиях.
Основной характеристикой, определяющей качество и надежность паяного и клеевого соединения в изделии, является его механическая прочность. В работе [6] представлены результаты анализа публикаций ведущих специалистов в области пайки материалов - С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, А.Н. Парфенова [7-10] по проблеме прочности паяных соединений. В частности, И.Е. Петрунин обращает внимание на недостаточность исследований, посвященных прочности паяных изделий, в том числе, в условиях внешних эксплуатационных воздействий. А. Н. Парфенов подробно рассматривает теорию прочности паяных соединений и показывает, что в большинстве случаев расчетных зависимостей недостаточно для оценки конструктивной прочности соединений изделий электроники, поскольку на нее влияют: соединяемые материалы, условия закрепления и направление действия внешних сил. Следует также отметить, что задача обеспечения требуемой прочности соединений усложнилась в связи с началом широкого применения бессвинцовых припоев и соответствующих изменений технологии пайки, согласованных с требованиями европейской директивы по экологической безопасности RoHS [11].
При этом следует различать конструкционную прочность паяных соединений и заявляемые в справочной литературе и рекламной информации производителей механические характеристики припоев. Это объясняется тем, что действительные значения прочности соединений зависят от многих факторов конструктивного и технологического характера, а также от характера протекания физико-химического взаимодействия при формировании конкретного соединения [12]. Таким образом, имеет место проблема описания характеристик прочности нового припоя таким образом, чтобы это имело отношение к конструктивной прочности соединений.
Что касается клеевых материалов, то их собственная прочность как характеристика их качества отдельно не рассматривается, однако проблема описания конструктивной прочности соединений с применением новых клеев также присутствует. Это связано с тем, что адгезионная прочность зон межфазного контакта материала клея зависит от склеиваемых материалов, состояния и свойств их поверхности и др. Поэтому исследования влияния различных факторов на механические характеристики клеевых соединений актуальны [13-15].
Оценка конструктивной прочности может быть проведена по результатам разрушающих испытаний соединений. Подобная объективная информация особенно важна для конструкторов в целях отбора припоя или клея для использования в конкретной конструкции при известных условиях эксплуатации. Для новых марок припоев и клеев информации о конструктивной прочности соединений недостаточно для обоснования их выбора для применения в конкретных конструкциях. Поэтому актуальной задачей является разработка методик испытаний и проведение исследований конструктивной прочности неразъемных соединений с использованием новых марок припоев и клеев для отбора и сравнения материалов по их качеству. При этом необходимо использовать ограниченный набор испытаний, позволяющих объективно оценивать характеристики соединений и материалов с приемлемой точностью и достоверностью и требования к проведению которых легко выполнимы.
Применение теплопроводящих заливочных компаундов направлено на обеспечение теплового режима работы ответственных узлов мощных электронных устройств. В определенных условиях заливка ответственного компонента является единственным способом обеспечить требуемый теплоотвод и уменьшить полное тепловое сопротивление на пути отвода тепла от кристалла [16]. Подобные меры являются важнейшим мероприятием по существенному повышению надежности проектируемых электронных устройств [17]. Находящиеся в обращении на рынке компаунды типа КТК и КПТД не в полной мере соответствуют современным требованиям по уровню теплопроводности (коэффициент теплопроводности не превышает 1,2 Вт/мК) [5, 18], поэтому актуальной является разработка материалов-аналогов с характеристиками, превышающими аналогичные показатели существующих материалов.
Подобные материалы представляют собой полимерные композиционные материалы, наполненные различными дисперсными (порошкообразными) наполнителями. Связующим, или матрицей, являются силиконовые каучуки, обеспечивающие уникальные эксплуатационные свойства (в частности, рабочую температуру длительного применения до 2000С и кратковременно – до 300-3500С) [19]. Введение наполнителей в матрицу позволяет существенно улучшить исходные свойства полимера и обеспечить требуемый уровень характеристик композиции [20- 23].
В соответствии с назначением, данные материалы должны обеспечивать электрическую изоляцию и герметичность покрытой зоны. Поэтому при разработке и контроле качества данных материалов нужно также оценивать их электрические и механические свойства, для чего необходима разработка методик, соответствующих требованиям стандартов.
Требования к методам механических испытаний материалов
В электрических испытаниях установлена двухэтапная процедура с наличием предварительной оценки и исключения образцов с дефектами и неоднородностями макроструктуры материала. Неоднородности в структуре диэлектрика, обусловленные природой исходного сырья, наличием включений и загрязнений, несовершенством процессов изготовления и обработки и пр., оказывают существенное влияние на механизмы пробоя, значительно искажая внешнее электрическое поле. Локальное увеличение напряженности электрического поля во включениях, а также электрическое старение и эрозия уменьшают эффективную толщину и электрическую прочность диэлектрика. Поэтому, перед тем как измерять удельные сопротивления исследуемых материалов, необходимо исследовать влияние присущей технологии изготовления материалов на электрические свойства. Критерием признания технологии изготовления образцов приемлемой является отсутствие в структуре материала дефектов, существенно влияющих на электрические свойства.
Подобная оценка наличия дефектов может быть проведена с использованием оборудования, применимого для измерений сопротивление электрической изоляции, которое в соответствии с требованиями стандарта [40] обеспечивает подачу на постоянного стабилизированного напряжения. В указанном стандарте зафиксировано положение, что по значениям сопротивлений изоляции возможно сравнивать материалы и оценивать их качество, что подтверждает правильность введения данного этапа в цикл электрических испытаний. В соответствии с [40], к оборудованию предъявляются следующие требования: схемотехнически в измерительном приборе должен быть реализован мостовой метод измерения сопротивления, величина подаваемого на образец постоянного напряжения – (500±10) В. Данным требованиям соответствуют приборы для измерения сопротивления изоляции – мегаомметры.
Испытания электроизоляционных материалов для определения удельного объемного электрического сопротивления производятся на основе прямых или косвенных методов измерения сопротивления образца. В качестве исходного для реализации в разрабатываемом учебно-исследовательском комплексе выбран прямой метод измерения мега- и тераомметрами [41]. Данный метод регламентирован требованиями стандарта ГОСТ Р 50499-93 [42], который по большинству элементов требований совпадает с традиционно применяемым для подобных материалов и на указываемым в ТУ на компаунды межгосударственный стандарт ГОСТ 6433.2 [43]. Важно отметить также, что основу ГОСТ Р 50499-93 составляют требования международного стандарта МЭК 93-80.
В соответствии с п.6.1 и п.6.2 стандарта для определения удельных сопротивлений испытуемый плоский образец может иметь практически любую удобную форму, позволяющую устанавливать его в трехэлектродной системе. Кондиционирование образца определяется материалом образца и должно быть указано в спецификации материала.
Электроды для электроизоляционных материалов (рис. 5) должны быть изготовлены из материала, позволяющего легко их использовать, обеспечивающего хороший контакт с поверхностью образца и не вносящего погрешность за счет сопротивления электрода или загрязнения образца. Материал электрода должен быть стоек к коррозии в условиях испытания. В стандарте также приведены требования к размерам электродов и другим конструктивным параметрам измерительной схемы и их взаимные соотношения. Требования к оборудованию для электрических испытаний можно обобщить следующим образом: предпочтительными являются значения постоянного напряжения хорошей степени стабильности из ряда 100, 500 и 1000 В; измерительное устройство должно обеспечивать определение значения неизвестного сопротивления с предельно допускаемой погрешностью не более ±10% для сопротивлений меньше 10 Ом и ±20% для более высоких значений.
При анализе требований [42] к методу определения удельного объемного сопротивления уточнены условия проведения испытаний и факторы, влияющие на точность, воспроизводимость и достоверность результатов испытаний. К их числу относятся: кондиционирование образцов и условия окружающей среды при испытаниях (температура, влажность);
Кондиционирование образцов предполагает их предварительную выдержку при определенных стандартных атмосферных условиях, которые должны совпадать с последующими условиями проведения испытаний. Условия проведения испытаний должны совпадать с условиями кондиционирования образцов. Для рассматриваемых материалов с учетом гидрофобности материала связующего (силикона) и цели проведения экспертных испытаний в качестве основных условий необходимо установить такие параметры окружающей среды, которые не требуют применения дополнительного оборудования (например, климатической камеры). Необходимо также обеспечить контроль значений температуры и влажности в испытательном помещении. Необходимость приведения образца в диэлектрически устойчивое состояние обусловлена наличием нескомпенсированных свободных зарядов в материалах. Наиболее простым способом достижения подобного состояния является короткое замыкание электродов поле установки образца в измерительную камеру. Обеспечение надежного электрического контакта необходимо для уменьшения погрешности измерений электрического сопротивления образца. В соответствии с [42] для этой цели могут применяться смазка, масло, металлическая фольга и др.
При приложении постоянного напряжения к электродам ток, протекающий через образец, изменяется во времени вследствие наличия поляризационной составляющей, которая снижается до нуля по экспоненциальному закону [44]. В зависимости от вида преобладающего процесса поляризации материала образца время установления значения тока, соответствующего закону Ома, может варьироваться от 1 минуты до 24 часов и более (у материалов с высоким удельным сопротивлением, более 1012) [42]. Для установления приемлемой длительности измерений необходимо найти способ, позволяющий определять установившееся значение сопротивления образца на временной базе, когда ток утечки еще не достиг установившегося (асимптотического) значения.
Описание разработанных методик исследований показателей качества материалов
Более критичным является второй фактор, поскольку минимально рекомендуемое производителями клеев время выдержки было соблюдено при склеивании всех образцов. Разброс образцов по толщине обусловлен тем, что образцы склеивались без вспомогательных приспособлений, позволяющих выдержать требуемую толщину шва для всех образцов. Для проведения дальнейших испытаний клеевых соединений необходимо разработать специальное приспособление, обеспечивающее воспроизводимость геометрических параметров образцов клеевых соединений (ширины нахлестки, толщины шва) и усилий прижима плоских деталей при выдержке. В частности, с увеличение толщины клеевого шва прочность снижается [13].
По итогам отработки методики экспертных испытаний механичесских характеристик неразъемных соединений можно сделать следующие выводы: получены приемлемые характеристики прочности образцов соединений; подтверждено различие характеристик соединений и материалов, с применением которых они были изготовлены; установлена важность соблюдения технологии изготовления образцов и обеспечения воспроизводимости геометрических параметров швов соединений (отклонение от рекомендуемой технологии приводит к существенному снижению прочности соединений); точность определения прочности неразъемных соединений достаточна для анализа характеристик соединений и соответствующих материалов.
C точки зрения правильного выбора нового материала неразъемных соединений для применения в конкретном изделии конструктору важно, что имеет место разница между конструктивной прочностью и прочностью материала, указываемой в справочных или рекламных источниках. Подобная разница определяется в экспертных испытаниях припоев и клеев.
На предварительном этапе отработки методики механических испытаний композиционных материалов произведены испытания образцов материалов с известными значениями прочности на разрыв и относительного удлинения - силиконового каучука СКТН Д и пластины силиконовой (ТУ 2500-281-00152106-98). Результаты оценок указанных характеристик по результатам испытаний, приведенные в [64], согласуются с соответствующими нормативными и справочными значениями TS и E. В качестве образцов были использованы полоски постоянной толщины. Данная конфигурация образцов признана неподходящей для испытаний подобных материалов вследствие их выскальзывания из стандартных зажимов разрывной машины. Поэтому была разработана конструкция образцов с наплывами, представленная на рис. 19. Это улучшило повторяемость результатов и уменьшило разброс, так как образец уже не выскальзывал из зажима и рвался в рабочей области, а не в зажиме. Непосредственно отработка методики механических испытаний композиционных материалов произведена на образцах, предоставленных ООО «Центр химических технологий» (г. Санкт-Петербург). Образцы изготовлялись из композиционных дисперсно-наполненных материалов на основе силикона тапа СКТН А (ГОСТ 13835-73, [65]) с различными порошковыми наполнителями с добавлением полиметилсилоксана ПМС-50 ГОСТ 13032-77 [66]. Для целей отработки использовались следующие мелкодисперсные наполнители:
Для заливки применялась форма, профиль которой обеспечивает получение зон наплывов на образцах. Образцы изготавливались из пластин путем отреза участка нужной ширины в соответствии с типовым чертежом образца. Экспериментальные данные обобщены в табл. 16. При обозначении составов указаны массовые проценты.
Анализ результатов исследований влияния дисперсности и структуры фазы наполнителя на свойства
Изучение по определению наличия и закономерностей влияния выявленных факторов на характеристики материалов основывалось на следующем подходе: для образцов материалов, прошедших теплофизические и механические испытания, производилось исследование срезов (поверхностей излома) с применением подсистемы цифровой обработки изображений. Для получения изображений использовались 2 микроскопа:
При изучении закономерностей влияния дисперсности фазы наполнителей на теплофизические свойства установлено наличие подобного эффекта для материалов с двумя наполнителями - порошками BN и AlN. По результатам исследований микрофотографий срезов образцов с нитридом бора при различных увеличениях установлено, что низкая дисперсность фазы таких наполнителей, может приводить к образованию крупных агрегатов частиц наполнителя (размерами до 1 мм), эффективная теплопроводность которых практически на порядок ниже, чем теплопроводность кристаллического материала. Это приводит к существенному уменьшению теплопроводности образцов с подобными агрегатами в отличие от образцов того же состава с гораздо более однородным распределением фазы наполнителя по объему образца.
Для выявления влияния дисперсности фазы нитрида алюминия на теплопроводность были исследованы образцы с 30 об.% AlN (серый порошок), о = 1,11 Вт/мК и с 22,5 об.% AlN (белый порошок), о = 1,32 Вт/мК. Как видно, второй образец при меньшем содержании нитрида алюминия имел более высокую теплопроводность, что согласуется со степенью дисперсности наполнителя в этих образцах: в образце с наполнителем - AlN (серый) наблюдались включения в основном округлой формы размером от 50 до 250 мкм, причем, основную долю составляли включения размером 70 - 80 мкм; в образце с наполнителем - AlN (белый) размеры включений в целом меньше - от 30 до 150 мкм, а основная доля - это включения размером 30 - 50 мкм. По совокупности исследованных образцов с различным содержанием наполнителя (более 30 об.%) теплопроводность образцов с "белым" нитридом алюминия выше, чем с "серым" в 1,5 и более раз.
При оценке влияния отмеченных факторов на механические характеристики композитов рассмотрены «модельные» образцы материалов, специально изготовленных для данных исследований ООО «СТОЛП», с четырьмя следующими порошкообразными наполнителями:
В качестве связующего использовали низкомолекулярный диметилсилоксановый каучук СКТН А с добавлением ПМС-50, в который добавляли наполнители в диапазоне между максимально возможным содержанием (по технологическим аспектам) и минимальным с точки зрения сохранения остальных показателей качества материла на приемлемом уровне. Подобным образом для каждого из четырех наполнителей получены от 2 до 4 вариантов составов.
В табл. 22 обобщены результаты обработки данных, полученных при испытаниях образцов композиционных материалов [70]. Для каждой группы образцов идентичного состава рассчитаны средние значения условной прочности и удлинения при разрыве, а также разброс значений, определенный как разность между максимальным и минимальным значениями характеристик в группе.
Следует отметить, что наилучшими механическими характеристиками обладает композит с наполнителем в виде кварца (от 70% по массе), а наименьшая прочность соответствует нитриду алюминия (30% по массе). Подобные составы могут быть использованы не только в исходном виде при условии подтверждения необходимых значений остальных показателей качества, но и как основа для создания многокомпонентных составов, прочность которых будет несколько ниже, но при этом будут оптимизированы значения теплофизических характеристик.
Также для образцов с кварцем выявлено существенное уменьшение (более чем на 1 МПа) прочности при уменьшении содержания наполнителя. Значения TS материалов с тремя другими наполнителями не превышают 1 МПа и находятся на близком уровне. Для всех типов образцов характерно снижение прочности при уменьшении массовой доли наполнителя, которая стремится к уровню прочности связующего – 0,1 МПа [72].
Исследование срезов образцов проведено с целью изучения особенностей микро- и макроструктуры образцов. При изучении микроструктуры рассмотрены элементы фазового строения материалов и дефекты, соизмеримые с размерами частиц наполнителя (до 100 мкм), а по особенностям макроструктуры определен характер и содержание более крупных дефектов (размерами более 500 мкм).
Микрофотографии поверхностей обрыва образцов свидетельствуют о повышении концентрации дефектов в виде пор и трещин при увеличении содержания наполнителя, что вызвано возрастанием энергетической неустойчивости системы [69, 73]. Фотографии срезов образцов были получены на микроскопе МЕТАМ РВ-21-2, в режиме темного поля с применением объективов, обеспечивающих увеличение 80х и 300х.
