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几种新工艺在军用电子设备中的应用探讨

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-14  浏览次数:780

生建友 王明月

(总参第六十三研究所,南京210007)

摘 要:高效热传导工艺、达克罗及氟涂料涂覆工艺、三元合金电镀工艺等是近几年在民用设备中使用比较广泛的新型工艺。详细介绍了这几种工艺的现状及特点,探讨了高效传热元件的传热效果、在设备中的使用情况;达克罗涂层和氟涂层的防腐效果,达克罗涂层上涂覆油漆及油漆层的硬度、耐冲击与附着力问题,提高氟涂层附着力的具体措施,以及铜锡锌三元合金电镀层的三防性能、导电性、可焊性、附着力等。试验、试用和使用结果证明,这几种新工艺对提高军用电子设备的可靠性和环境防护能力非常有效。

关键词:军用电子设备;新工艺;高效热传导;氟涂料;铜锡锌三元合金

中图分类号:TN805

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.022

文章编号:1001-893X(2011)02-0107-05

1·引 言

由于大规模(超大规模)芯片的运行速度越来越快,芯片的发热量成倍增加,设备内部聚集的热量越来越多,加上军用电子设备的结构越来越紧凑,且通常是密封型结构,设备内部的热流密度越来越高,使得设备的散热问题越来越突出。随着国际维和以及远洋反恐任务的增多,设备的全球环境适应性问题开始显现,特别是海洋环境中的高温高湿及盐雾腐蚀,采用传统工艺其防护效果不太理想。电子设备中经常要用的屏蔽盒、焊片等零件,一般是采用镀银工艺,如果镀银层上不涂覆DJB-823等固体膜保护剂,镀银层会很快变色发黑,从而影响外观与电性能等。所有这些促使人们进一步探索新工艺、新方法,从根本上解决军用电子设备的散热与环境防护难题。

2·工艺介绍

随着科学技术的不断发展,以及材料科学研究的不断深入,最近几年相继出现了很多新工艺,如:高效热传导工艺;达克罗、氟涂料涂覆工艺;三元合金电镀工艺等,它们在民用设备中已经广泛使用,经试验、试用和使用,这几种新工艺对解决军用电子设备的传热与表面防护有很好的效果。

2.1 高效热传导工艺

高效热传导工艺是利用无机传热技术将设备内部功率元器件耗散功率产生的热量远距离迅速传离热源的工艺。无机传热技术是类似于热管的高效传热技术[1],由美国人在20世纪90年代发明,并迅速在余热回收、太阳能集热等领域广泛应用,其良好的传热性能深受人们的青睐。无机传热技术的核心是高效无机传热元件,其结构形式和传热机理与热管相似[1],只是管芯结构、工艺及工质不同,管芯分为沟槽芯、网状芯、纤维芯和粉末金属烧结芯,其中粉末金属烧结芯传热效率最高,厂家出于保密,具体的工质未见介绍。

该工艺的特点是:能够远距离传递热量,且传热速度快;可以使分散安装的电子元器件均匀散热;传热无方向性,传热元件在设备中可灵活布置,可以进行定点散热;传热无需动力,可消除或取消散热器的动力消耗;结构紧凑、重量轻;无噪音,免维修;尤其适用于密闭设备的散热问题等。国内已开发成商品的无机传热元件有微型传热元件和柱形传热元件两类,其横截面可以是圆形也可以是方形,外形可以是直的也可以弯曲。现在,民用电子设备中已普遍使用的柱管散热器、镶管式散热器、穿管式散热器等散热模块都是以无机传热元件为核心结合金属散热片与直流风机而做成的。

2.2 达克罗涂覆工艺

达克罗涂覆工艺是将达克罗涂料涂覆于金属/非金属表面,形成完整、坚固防腐层的涂装工艺。达克罗涂料是一种锌和铝的铬酸盐为主要成份的无机防腐蚀水基锌铬涂料,系一种高分散性水基溶液,它的主要原料为微米级的磷片状锌粉和铝粉。

在发达国家,达克罗涂覆工艺已作为替代污染严重的电镀锌、电镀镉、锌基合金镀层等传统工艺的防腐处理新工艺,是一种从根本上减少环境污染的新工艺。达克罗涂层具有其它表面涂层(镀层)无法比拟的优点[2,3]:

(1)独特的防腐机理使其具有三重防护效果,即牺牲阳极保护基体阴极;锌铝浆由于高价铬盐的氧化直接与机体材料反应生成钝化膜;微米级锌铝片与铬酸钝化反应,经烘烤后层层叠加形成无数个钝化膜,因而其耐腐蚀性很好,尤其耐盐雾性好,是镀锌层的7~10倍,可长期用于沿海及海洋条件下;

(2)耐热腐蚀性极好,涂层的固化温度为300℃,可在高温下长期使用;

(3)附着力好,与金属(钢、铝等)基体以及油漆涂层均有良好的结合力,因此达克罗涂层上再进行油漆涂覆可满足各军兵种对设备的不同颜色的要求;

(4)无氢脆。生产工艺无需酸、碱清洗,避免与酸、碱及电解液作用接触,且在高温下固化,故没有氢脆现象;

(5)高渗透性。达克罗涂料是水溶性的,它有极强的渗透性和浸润性,在缝隙处和孔洞内都能形成膜,有效解决了盲孔、深孔、长管以及细缝的防腐蚀问题。

2.3 氟涂料涂覆工艺

氟涂料涂覆工艺是将氟碳树脂为主要成膜物质的涂料涂覆于金属/非金属表面,形成完整、坚固防腐涂层的涂装工艺。涂料中的氟碳树脂含有大量的C-F强力键,由于该键的化学能高(485 J/mol),在热、光(紫外线)、化学介质作用下,分子结构仍非常稳定,因此该涂料具有多种优异的性能,在涂料市场赢得了涂料王的美誉和涂料贵族的称号[4,5]:

(1)卓越的耐候性。由于氟碳树脂具有超强的热稳定性和化学惰性,在现有已知的涂料中,其耐候性性能是最好的,该涂层在海洋及沿海以及其它恶劣环境下可保持长期稳定,室外条件下可保持20年不失光、不粉化;

(2)高疏水性。水是重要的腐蚀介质,水的表面张力低于金属,故对所有金属均能润湿,在其它介质的共同作用下能加速金属的腐蚀及非金属的降解和溶涨变形,使设备寿命降低。而氟的表面张力低于水,因此水不能润湿氟涂层(水在其上呈珠状),使得氟碳涂层具有高疏水性,从而确保设备的防护性能;

(3)耐沾污、耐化学品、耐溶剂性能优良。氟原子极性很低,氟的表面张力在非金属材料中是最低的,同时具有自润滑表面,所以具有不粘性及平滑性,油脂等有机物不能很好地附着在氟涂层上,因此抗沾污性较强,即使污染了也容易清洗;

(4)由于涂料极低的摩擦系数,涂层的耐磨性比较好。

2.4 铜锡锌三元合金电镀工艺

合金电镀一直是电镀领域花大力气进行研发的工艺课题,特别是多元合金,包括三元合金、四元合金等。铜锡锌三元合金电镀工艺就是在材料基体或高导电性的电镀层上覆盖铜锡锌合金薄层的电镀工艺,3种金属成份的比例通常为铜45%~55%、锡25%~30%、锌10%~15%,有时根据零件的使用要求,适当调整3种金属的成份比例,镀层的外观与不锈钢相似。合金镀层综合了单金属镀层的优点,且具有单金属镀层无法达到的新特性[6]:耐腐蚀性好,能经受恶劣大气环境及人体汗渍等腐蚀物的影响而长期保持光亮的外观,而镀银层通常环境下会迅速变色;导电性好,铜锡锌三元合金镀层与镀银层电导性相近,经测试,在10 GHz的范围内其交调特性等与银镀层一致;镀层表面硬度高,对刮擦、磕碰不敏感,避免了镀银层表面易损伤的缺陷;镀层易于焊接(锡铅焊)。

多元合金电镀作为一种新工艺,由于其独特的优点越来越受到人们的重视,其应用范围也越来越广。

3·在设备中的应用探讨

按照质量管理体系中“三新”(新技术、新器材、新工艺)的要求,也为新工艺在军品的应用获取最大有效数据,结合产品特点,对这几种工艺的应用效果进行了探讨与验证。

3.1高效热传导工艺应用

为获取较为精确的传热效果数据,设计了管径分别为Φ6、Φ8,长度均为180 mm的U形无机传热元件和带散热器(散热面积约为0.14 m2)的铝质密封盒体以及能使盒体内部温度达到硅芯片最高结温(170℃)的热源(200 W)。实验时,热源安装在印制板上,保证与发热芯片的实际安装情况相同,用电子温度计实时测量热源的表面温度,在环境温度为15℃和40℃的条件下,分别对Φ6、Φ8单独应用以及两个传热元件同时应用的传热效果进行了试验,并与空载(未安装传热元件)的情况进行了比较,其传热效果参见图1和图2。从图1和图2可以看出,传热元件能迅速地将热源的热量传递到散热上,在保证一定散热面积的情况下,能显着降低热源的表面温度,无论是在环境温度较高的情况下,还是在盒体内部趋于热平衡时,热源表面的温度都能显着降低。

某电子设备由于设备的功耗比较大,设计时采取了所有常规散热措施,包括传导、自然对流、辐射换热以及强迫风冷、机箱上开通风孔、增加散热面积等,然而,夏天做野外试验时,设备经常开机时间不长就停止工作。经检查、分析,发现是由于屏蔽盒内的几个芯片因为温度太高停止工作而造成的。鉴于此,采用了高效热传导工艺,通过高效传热元件将芯片产生的热量直接传递到散热面积较大的机箱壁和盖板上,再通过它们和周围环境进行热交换,从而将热量散出去,进而降低盒体内部的温度。高效传热元件的结构形式参见图3。如果发热芯片数量比较多,可增加传热元件两端的接触面积,将它们的热量集中传递到机箱侧壁上,并在相应位置安装风扇,再利用强迫风冷对其进行散热。采用高效热传导工艺后,很好地解决了设备内部芯片的散热问题,再没有出现以前的故障。

需要注意的是,芯片与传热元件的蒸发段之间以及冷凝段与机箱壁之间需要均匀涂导热硅脂,减小热阻,同时,传热元件的安装方向有严格的限制,其蒸发段必须低于冷凝段[1]。另外,设备内部由于传热路径比较复杂,相应增加了高效传热元件结构外形的复杂程度,如图3所示,为保证传热元件二维方向6个安装尺寸的精度,需要设计专门模具进行加工,会相应增加一定成本。

3.2 达克罗涂覆工艺应用

20世纪80年代末期,美国将此工艺在陆、海、空军装备上广泛使用。我国在20世纪90年代中期引进了该项技术,起初主要是在汽车上使用,现在逐步应用到了军品的研发中。

因为达克罗涂层是牺牲阳极与阴极保护为一体的防护涂层,所以它的防腐性能与膜的厚度成正比,对于有配合精度要求的零件,如螺钉等,控制在5~8μm之间;没有配合精度要求的零件,一般控制在10μm左右。资料表明[2,3]:按GJB150.11-1986《军用设备环境试验方法:盐雾试验》要求进行试验,1 000 h后涂层表面完好如新;在野外暴露试验半年后,涂层表面无任何锈蚀,而镀锌及其它电镀件已严重腐蚀,显示出超强的防腐蚀性能。在300℃加热12 h后,涂层表面无任何变化,而镀锌层则严重起泡,显示出达克罗涂层很好的耐热腐蚀性。达克罗涂层的主要成分是微米级的片状锌、铝及铬酸盐,均为导电物质或电解质,使得涂层具有一定的导电性,确保了电子设备对金属零件的导电性要求,导电性的高低取决于达克罗涂料的配方。试验表明,达克罗涂层的导电性比镀锌层的导电性要好。

达克罗涂层的外观为亚光银灰色,与银粉漆相似,比较单一。而军用电子设备由于使用环境的不同,对其外观颜色往往有不同的要求,如机载设备通常要黑色,舰载设备为海灰、中绿灰色,地面及海防设备为草绿、褐绿色,因此,在达克罗涂层上必须要再涂覆油漆,油漆层的性能指标是否合乎要求,尤其是高温高湿条件下的性能,影响着该工艺能否作为整个设备的表面防护措施,为此,进行了在达克罗涂层上涂装草绿色丙烯酸油漆的高温高湿(RH=95%,60℃~30℃交变、120 h)试验,并按照相关国家标准对其外观、硬度、附着力、耐冲击等指标进行了检测,检测结果表明两种样件的油漆性能与钢/铝基材上直接涂覆油漆完全相同,能满足各军兵种电子设备外观不同颜色的要求。

达克罗涂覆工艺被誉为可持续发展清洁生产技术,是“绿色电镀”技术,该技术列为1999年国家重点环境保护实用技术推广项目。该工艺在国内军用设备上试验应用多年,工艺成熟,效果明显,能有效解决舰载以及边海防电子设备防盐雾腐蚀难题。

3.3 氟涂料涂覆工艺应用

由于氟碳树脂的熔点多在180℃~380℃之间,在常温下呈固态,需经300℃以上的高温才能形成膜层,加上长期以来无论是国内还是国外,氟碳涂料价格奇高,被誉为贵族化产品,因而在很长时间内使用领域狭窄。直到20世纪80年代,美、日等国家成功研制了常温固化型氟涂料,使得氟涂料的应用领域进一步扩大,近年来我国也有多家单位相继成功开发了氟涂料,并实用化[4,5]。近年来,通过氟树脂与丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺等树脂进行化学改性的新涂料的不断出现,不仅使涂层的附着力、易施工性得到提高,而且进一步降低了价格,为其在军用电子设备中的推广应用提供了可能,尤其是恶劣环境、海洋环境使用的设备。

为验证其防腐蚀性能,进行了常温人工气候老化试验(2 400 h)和盐雾试验(1 000 h),试验完成后,涂层表面无起泡、剥落、裂纹现象,完好如新,达到保护10级水平。由于氟涂料涂层超越的耐腐蚀性,可实现一次涂装,终身免修的效果。值得注意的是,由于氟树脂表面张力小,润湿困难,对金属材料的结合性能很差,因此涂层对基材的附着力不是很好,为此,应采取以下工艺措施,提高涂层的附着力:

(1)粗化基材表面。将基材表面用物理或化学的方法粗化,产生锚定效应,然后涂氟树脂。常用的化学方法包括电解腐蚀和化学多孔膜法,常用的物理方法主要是表面机械处理,如滚花、拉丝等;或者采取喷砂(丸)工艺措施;

(2)底漆法。先在基材上涂覆一层底漆,根据需要可以涂两层或三层,使底漆对基材和氟树脂均有良好的黏结性能。铁质材料一般为磷化底漆;铝质材料为锌黄丙烯酸聚氨酯底漆。另外,喷面漆时,氟涂料应用专用稀释剂调配,控制好喷涂粘度,一般为15~18 s(涂-4粘度计,23℃±2℃),跟据设备的使用环境要求,确定是喷一道面漆还是两道面漆,通常一道漆的涂层厚度为23μm±3μm。氟涂料具体的涂装工艺及涂层质量检验可按照油漆涂覆工艺执行。

氟涂料是符合环保要求和国民经济可持续发展的新材料,在船用、边海防及野外固定电子设备应推广使用这种工艺,做到一劳永逸,大大提高设备的可靠性与环境适应性。

3.4 三元合金电镀工艺应用

众所周知,银镀层在大气中易受SO2等有害气体的腐蚀而发黄、变黑,虽然可以采用涂DJB-823等保护剂进行表面防护,但耐久性差,而且在高温高湿条件下表面防护层易起泡、剥落。而铜锡锌三元合金镀层常温下能长期保持不变色,只有在高于150℃环境下会出现变色现象[2]。试验结果表明,温度为150℃时,15 min后镀层由银白色变为青色,而屏蔽盒、焊接片等的焊接时间一般都是几分钟,单个焊点甚至还不到1 min,所以不会出现变色现象。按照GB/T5270-2005的要求对三元合金镀层的附着力进行了检测,镀层未出现剥离现象,符合标准要求。三元合金镀层的可焊接性对于电子设备中的金属焊接件来说非常重要,可焊性差,则易出现虚焊、焊接不牢等缺陷,而使设备的抗机械应力能力差、屏蔽盒的接地效果不好导致屏蔽效能差等。按照GB/T16745-97的要求对三元合金镀层的可焊性进行了测试,试样95%以上实验面的焊料覆盖层附着牢靠、光亮、平滑、均匀,符合标准要求。三元合金镀层的导电性的好坏会直接影响到屏蔽盒的电参数以及屏蔽效果,从而影响整个电路单元的性能。经检测,发现三元合金镀层的导电性与镀银层(表面涂保护剂)的导电性相近,属于同一数量级,约为0.080 mΩ,导电性比较好。

资料表明[6]:单一三元合金镀层的三防性能不是很理想,必须通过中间镀层来提高三元合金镀层三防性能。对于铁基体材料,先镀镍再镀三元合金;对于铜质基材,先镀铜再镀三元合金;对于铝质基材,先镀镍或镀铜再镀三元合金,镀层厚度一般为7μm以上。

电镀铜锡锌三元合金作为一种新的合金电镀工艺,其镀层具有漂亮的外观、良好的导电性、防护性、可焊性等一系列优点,且价格较镀银工艺低,现已广泛应用于各类电连接器、滤波器、波导和微波器件及其它射频元器件、结构件中。

4·结束语

经过几年的试验及在设备上的试用与使用结果证明,这几种工艺对提高军用电子设备的热可靠性和“三防”能力非常有效,解决了大功率电子设备单元盒内发热芯片的散热问题,以及设备中零部件、整机的表面防护问题。随着科学技术的不断发展,新的“绿色环保”工艺会不断出现,设计人员应及时吸收并应用到项目研制中,这样才能大大提高设备的可靠性和环境适应性能力。

参考文献:

[1]生建友.一种新型无机传热元件[J].电子工艺技术,2009,47(2):169-173.

[2]吴勇.达克罗涂覆工艺应用探讨[C]//军事电子装备“防护”技术交流会论文集.北京:中国机械制造工艺协会电子分会,2006:116-123.

[3]任清,刘书强,李晓庆,等.达克罗涂层技术在军民品上的应用[J].新技术新工艺,2008(11):28-30.

[4]胡志鹏.我国氟涂料市场发展综述[J].涂料与应用,2006(6):14-18.

[5]高延敏,王绍明,杨文杰,等.氟涂料存在的问题与对策及发展趋势[J].现代涂料与涂装,2006(6):15-17.

[6]吴勇.电镀铜锡锌三元合金应用探讨[J].通信与广播电视,2007(1):42-48.

作者简介:生建友(1968-),男,江苏泰兴人,硕士,高级工程师,主要从事军用电子设备结构、工艺、可靠性的研究与设计工作,已发表论文40余篇。

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