eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
1.
ЧТО ТАКОЕ ТРИЗ
1.1.
Требуется ТРИЗ-специалист
1.2.
Родом из детства
1.3.
Противоречивая логика
1.4.
Листая страницы
1.4.1.
Сделать наоборот
1.4.2.
Использовать дробление
1.4.3.
Принцип перехода в другое измерение
1.4.4.
Использовать вред в пользу
1.4.5.
Использовать фазовый переход
1.4.6.
Универсальность объекта
1.4.7.
Дешевая недолговечность
1.4.8.
Сделать заранее
1.4.9.
Должна быть большой и должна быть маленькой…
1.5.
Психологическая инерция: за и против
Литература
2.
МАКРОЭЛЕКТРОНИКА
2.1.
С пафосом о ПАФОСЕ
2.2.
Наш ответ Чемберлену
2.2.1.
Цепочка противоречий
2.2.2.
Сверхэффект
2.3.
Граница должна быть и границы не должно быть
2.3.1.
На стыке интересов
2.3.2.
Адгезия
2.3.3.
Когезия
2.3.4.
И вновь полимеризационное наполнение
2.4.
Мойдодыр
2.4.1.
Тройная связка
2.4.2.
Сеть противоречий
2.4.2.1.
Мыть или не мыть?
2.4.2.2.
Огласите, пожалуйста, весь список
2.4.2.3.
Гидрофильно-гидрофобный баланс
2.4.2.4.
Гордиев узел
2.4.3.
А если противоречия не видны?
2.5.
Ориентир – идеальность
2.6.
Былое и думы
Литература
3.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
3.1.
Неотъемлемая часть
3.1.1.
Издалека
3.1.2.
Интегральные схемы – какие бывают
3.2.
Гонка за разрешением
3.2.1.
Свет в окне
3.2.2.
А как совместить?
3.2.3.
Травить – не травить
3.3.
Изоляция без изоляции
3.4.
Действие – антидействие
3.5.
Сделать наоборот
3.5.1.
Активные – вперед!
3.5.2.
Вверх ногами
3.6.
Вред в пользу
3.6.1.
Помехи
3.6.2.
Катод – анод
3.7.
В тесноте, да не в обиде
3.8.
Метрология
3.8.1.
Избыточность
3.8.2.
Показания свидетелей таковы…
3.8.3.
Резонанс
Литература
4.
В МИРЕ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1.
Вокруг трубы
4.2.
Как найти иголку в стоге сена?
4.3.
Использовать посредника
4.4.
Измерения без измерений
4.5.
Электронный блок должен сам…
4.5.1.
Вокруг другой трубы
4.5.2.
А если богатого дядюшки нет?
4.5.3.
В ответ на проклятья
4.6.
Шаг вперед, два шага назад
Литература
5.
ИГРЫ РАЗУМА
5.1.
Алгоритмы
5.1.1.
АРИЗ…
5.1.2.
Пример
5.2.
Программы
5.2.1.
Те, которых много
5.2.2.
Те, которые ближе всего
5.2.3.
Те, которые обещают больше всех
Литература
6.
ЭФФЕКТЫ
6.1.
Физические эффекты
6.1.1.
Что-то с памятью моей стало…
6.1.2.
Физический фейерверк
6.2.
Геометрические эффекты
6.2.1.
Устройства
6.2.2.
Способы и вещества
6.3.
Химические эффекты
6.3.1.
Делай как я
6.3.2.
Делай как мы
6.4.
Биологические эффекты
6.4.1.
Похвалят за эрудицию
6.4.2.
Биоэлектроника
6.4.3.
Классификация
6.4.3.1.
Обнаружение веществ и энергии
6.4.3.2.
Удаление веществ и поглощение энергии
6.4.3.3.
Накопление вещества
6.4.3.4.
Преобразование вещества и энергии
6.4.3.5.
Выделение веществ и генерация энергии
6.5.
Эффект – антиэффект
6.5.1.
В физике – это просто
6.5.2.
В химии – чуть сложнее
6.5.3.
У кого что болит
6.5.3.1.
Основные понятия
6.5.3.2.
Кто кого
6.5.3.3.
Капиллярные явления
6.5.3.4.
Поверхностно-активные вещества
Литература
7.
ИНВЕРСИЯ
7.1.
Исследовательские задачи
7.1.1.
Инверсия целей
7.1.2.
Реальная задача
7.2.
Диверсионный анализ
Литература
8.
УМНИЦЫ И УМНИКИ
8.1.
Если бы…
8.2.
Умные материалы
8.3.
Звездопад
8.4.
Умная одежда
8.5.
Умный дом
8.6.
Горе от ума
Литература
9.
ХИМИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
9.1.
Вопреки законам Мерфи
9.2.
Твердотельные технологии и закон Мура
9.3.
Чудеса остроумия и изящества
9.4.
Реальные технологии
9.4.1.
Изменчивость
9.4.1.1.
Качели
9.4.1.2.
Чистота
9.4.1.3.
Инверсия
9.4.1.4.
Возрастные изменения
9.4.1.5.
Дисбаланс
9.4.1.6.
Погоня за тенью
9.4.2.
Химики изобретают
9.4.2.1.
Буфер
9.4.2.2.
Крауны
9.4.2.3.
Микрокапсулирование
9.4.2.4.
Вечный двигатель
9.4.2.5.
Методом Карла Фишера
9.5.
Нанотехнологии
9.5.1.
Алхимикам на зависть
9.5.2.
Нанотрубки
9.6.
Химия – это самая сложная физика
Литература
10.
ВЗГЛЯД СО СТОРОНЫ
10.1.
ТРИЗ в радиотехнике
10.1.1.
Об универсальности
10.1.2.
Термостат
10.1.3.
Net
10.1.3.1.
Размышления о физическом смысле
10.1.3.2.
Размышления об идеальности
10.1.4.
Загадочное слово
10.2.
ТРИЗ в программировании
Литература
11.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХИРОМАНТИЯ
11.1.
Куда катится колесо?
11.2.
Печатные платы – линии развития
11.2.1.
Историческая справка
11.2.2.
Точка – линия – плоскость – объем – ?
11.2.3.
Динамизация
11.2.4.
Преодоление противоречий
11.2.5.
Переход на микроуровень
11.2.6.
Местное качество
11.2.7.
Повышение идеальности
11.2.8.
Дробление - объединение
11.2.9.
Согласование – рассогласование
11.2.10.
Где-то далеко
11.2.11.
А и Б сидели на трубе
Литература
12.
РАЗВИТИЕ ТРИЗ
12.1.
Развитие вглубь
12.1.1.
Не дождетесь…
12.1.2.
АРИЗ
12.1.2.1.
Мосты
12.1.2.2.
Универсализм
12.1.3.
Рождественская елка
12.2.
Развитие вширь
12.2.1.
Изучаем географию
12.2.2.
От техники к …
12.2.2.1.
Рекламное измерение
12.2.2.2.
Бизнес от лукавого
12.2.2.3.
Изобретаем неваляшку
12.2.2.4.
Жизнь за кадром
12.3.
Проблемы
12.3.1.
Разборы
12.3.1.1.
В технике
12.3.1.2.
В жизни
12.3.1.3.
Дорогу осилит идущий
12.3.2.
Real Engineering
12.3.2.1.
Правильный ответ
12.3.2.2.
О задачеклепательстве
Литература
13.
АЛЬТЕРНАТИВА
13.1.
Метод проб и ошибок
13.2.
Мозговой штурм
13.3.
Синектика
13.4.
Морфологический анализ
Литература
14.
ЗИГЗАГ
14.1.
У меня зазвонил телефон
14.2.
От улыбки станет мир светлей
14.3.
Физики и лирики
14.4.
Поехали?
14.4.1.
Сделать наоборот
14.4.2.
Другие приемы разрешения противоречий
14.4.3.
Комбинация приемов разрешения противоречий
14.4.4.
Игра слов
14.4.5.
Психологические приемы разрешения противоречий
14.4.6.
Психологическая инерция
14.4.7.
Оператор РВС
14.4.8.
Аналогия
14.5.
Надструктурные элементы юмора
14.6.
Черный юмор
14.7.
Изобретаем анекдот
14.7.1.
Алгоритм № 1
14.7.2.
Алгоритм № 2
14.8.
Интересные выводы
14.9.
Зигзаг в зигзаге
14.9.1.
Великий и могучий
14.9.2.
Международный
14.9.3.
С глаголом во рту
14.9.4.
Иероглифы
14.9.5.
Резюме
Литература
2. МАКРОЭЛЕКТРОНИКА
Принимайте факты такими, какие они есть. Затем можете искажать их, как вам понравится.
Марк Твен
2.1. С пафосом о ПАФОСЕ
Если слово электроника понимать в широком смысле, то в сферу ее интересов, несомненно, попадают печатные платы – основной конструктивный макроэлемент современной радиоэлектронной аппаратуры. В общем случае печатная плата - это пластина из электроизоляционного материала, на поверхности которой нанесены тонкие электропроводящие полоски (проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов [1].
У российских специалистов, имеющих отношение к производству печатных плат, сочетание двух слов «ИТМ и ВТ» и «Галецкий» вызывает глубокое уважение. Для института точной механики и вычислительной техники годы застоя в отличие от многих других не были годами застоя. А отделение этого института, возглавляемое Ф.П. Галецким, диктовало моду в области технологии изготовления печатных плат в «стране, которой уже нет». Не потерялось оно и в «стране, которая есть». Супер-ЭВМ, разработкой которых занимался институт, потребовали создания суперсложных многослойных печатных плат. Для реализации таких печатных плат и была разработана технология, названная ПАФОС (полностью аддитивное формирование отдельных слоев).
От субтрактивных методов, основанных на травлении фольги, этот метод отличается тем, что токопроводящий рисунок наносят [2]. Проводящий рисунок слоев формируется на временных носителях – листах из нержавеющей стали, поверхность которых покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2 – 5 мкм.
На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2 – 3 мкм) и меди (30 – 50 мкм) во вскрытые в фоторезисте рельефы. Затем пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в диэлектрик.
Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности временных носителей. В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением медной шины создаются межслойные переходы посредством металлизации отверстий с контактными площадками.
Чем же хорош этот метод? Дело в том, что проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и защищенный сверху слоем никеля, при удалении медной шины не подвергается травлению. Поскольку исключается операция травления, исключается и подтравливание проводников. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются рисунком рельефа, то есть процессами фотолитографии. А современные достижения в области фотолитографии и лазерного экспонирования позволяют совершить качественный скачок на пути повышения плотности печатного монтажа. Еще на рубеже восьмидесятых и девяностых годов прошлого века в ИТМ и ВТ научились делать двадцатислойные печатные платы размером полметра на полметра с шириной проводников и зазоров между ними менее 100 мкм!
2.2. Наш ответ Чемберлену
2.2.1. Цепочка противоречий
Судя по публикации [3], технология ПАФОС позволяет получать печатные платы с шириной проводников и зазорами между ними до 40 - 50 мкм. Но, нет в мире совершенства! По законам ТРИЗ улучшение одной характеристики технической системы неизбежно приводит к ухудшению какой-то другой ее характеристики. Так оно и получилось.
Суперсложные и супербольшие многослойные печатные платы, изготовленные методом ПАФОС, не соответствуют техническим требованиям по влагостойкости. Даже при изменении относительной влажности воздуха от 45% до 80 % (нормальные условия) сопротивление изоляции в их цепях изменяется на 3 – 4 порядка [4]. Образно говоря, такие печатные платы «дышат». Уменьшение зазоров между проводниками привело к тому, что уровень диэлектрических характеристик стеклотекстолита стал явно недостаточным.
Прошли годы. Изменилась элементная база, изменилась архитектура Супер-ЭВМ. Использование таких громадных печатных плат стало «признаком плохого тона». А проблема, увы, осталась. Колокольчик зазвонил вновь, но уже не в России, а за ее пределами. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита стали лимитировать дальнейшую микроминиатюризацию печатных плат. И традиционными методами решить эту задачу нашим «потенциальным друзьям» пока не удается [5].
Как же быть? Прекрасная задача для доказательства дееспособности ТРИЗ. Можно даже сказать, что это «вопрос на засыпку». Экзамен был сдан и не кое-как, а на оценку отлично!
Дефекты структуры стеклотекстолита, по словам некоторых специалистов, позволяют сравнить его с промокашкой. Чем больше воды в этой промокашке, тем хуже диэлектрические свойства. Для повышения влагостойкости печатных плат после монтажа радиоэлементов их покрывают лаком. При нанесении лаковых покрытий дефекты структуры стеклотекстолита частично устраняются (заполняются) полимером. Как повысить эффективность?
Сформулируем техническое противоречие задачи (ТП).
ТП 1. Если лак сильно разбавлен, из-за низкой вязкости он глубоко проникает в капиллярно-пористую структуру стеклотекстолита, но из-за небольшого содержания полимерного связующего коэффициент заполнения капилляров невелик.
ТП 2. Если лак содержит много полимерного связующего, то коэффициент заполнения капилляров увеличивается, но из-за высокой вязкости глубина его проникновения невелика.
Сформулируем физическое противоречие задачи (ФП).
ФП 1. Лак должен содержать много полимерного связующего, и лак должен содержать мало полимерного связующего.
Это противоречие легко разрешается с использованием стандартного приема разрешения физических противоречий «разделение противоречивых требований во времени». Для нанесения первого слоя лака следует использовать сильно разбавленный лак, а для нанесения последующих слоев лак с большим содержанием связующего. К сожалению, на практике это решение оказалось недостаточно эффективным.
При формулировке технического противоречия чтобы «обмануть» психологическую инерцию человека ТРИЗ рекомендует уходить от конкретных названий. Если слово «лак» заменить более широким понятием «жидкость», ФП можно сформулировать следующим образом:
ФП 2. Полимерное связующее в жидкости должно быть, и полимерное связующее в жидкости не должно быть.
Или:
ФП 3. Частицы полимера в жидкости должны быть большими, и частицы полимера в жидкости должны быть маленькими.
Или:
ФП 4. Частицы полимера в жидкости должны быть, и частиц полимера в жидкости не должно быть.
Для разрешения этих противоречий вновь можно использовать прием «разделить противоречивые требования во времени». Частицы полимера в жидкости должны быть на финише процесса и частиц полимера не должно быть на его старте.
Конкретное техническое решение можно найти в школьном учебнике по химии – реакция полимеризации. Молекулы мономеров соизмеримы по величине с молекулами воды. А молекулярная масса полимеров измеряется сотнями тысяч и даже миллионами у. е. (не подумаете о долларах). И, самое главное, полимеризация идет практически без изменения объема!
Специалисты, на то они и специалисты, умерят наш восторг и скажут: «Нет, не пойдет. Полимеризация обычно происходит при температуре выше 65 0С (стандартной температуры для сушки лаковых покрытий)». Можно, опустив руки, на этом остановиться. А можно и даже нужно продолжить решение.
Сформулируем техническое противоречие следующей задачи.
ТП 1. Если мономер наносится на печатную плату с радиоэлементами, то капиллярная пористость эффективно заполняется, но из-за повышенной температуры полимеризации «погибают» термочувствительные радиоэлементы.
ТП 2. Если мономер наносится на печатную плату до монтажа радиоэлементов, то термочувствительные радиоэлементы сохраняют работоспособность, но при этом мономер полимеризуется и на поверхности печатной платы, ухудшая качество пайки.
От ТП 2 переходим к формулировке физического противоречия.
ФП. Мономер должен полимеризоваться, и мономер не должен полимеризоваться.
На этот раз ТРИЗ предлагает использовать другой прием разрешения физических противоречий «разделить противоречивые требования в пространстве». Мономер должен полимеризоваться в объеме (в капиллярах) и не должен полимеризоваться вне объема (на поверхности). Для нахождения конкретного решения следует заглянуть уже в вузовский учебник по химии полимеров. Оказывается, мономерные композиции с такими свойствами существуют.
Итак, поставленная задача решена. Но, как это бывает в реальной жизни, на пути от принципиального решения до работающей технологии пришлось сформулировать и решить еще немало изобретательских задач. И очень удачным оказалось то, что ТРИЗ-специалист и просто специалист в данном случае объединились в одном лице. Технология, названная полимеризационным наполнением, оказалась способной повышать уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита в печатных платах не в разы, а в сотни, тысячи и более раз со всеми вытекающими из этого последствиями…
Вот вам и изобретение, сделанное при помощи ТРИЗ. И это не какое-то несущественное усовершенствование, а, по словам специалистов, прорыв в области технологии изготовления и влагозащиты печатных плат. В максимальном объеме информацию о технологии полимеризационного наполнения можно получить на сайте автора [6] или в книге [7].
2.2.2. Сверхэффект
Разработка технологии полимеризационного наполнения начиналась с решения «исправительной» задачи. Задача-минимум – устранение дефектов внешнего вида стеклотекстолита непосредственно в подложке печатной платы. Правильнее было бы решать более глобальную задачу – продолжать совершенствовать технологию изготовления стеклотекстолитов, тем более что за рубежом в этом направлении уже был достигнут значительный прогресс. Во всяком случае, о дефектах внешнего вида стеклотекстолита там давным-давно забыли. Но в данном случае отклонение от «генеральной» линии развития позволило получить неожиданные и в какой-то мере выдающиеся результаты.
В таблице 2.1. приведены результаты испытаний двухсторонних печатных плат, изготовленных в едином технологическом цикле в условиях серийного производства из базовых материалов СТФ-35-1,5 ТУ 16-503.161-83 (Россия) и FR-4 (изготовитель фирма Isola).
На первый взгляд ничего особенного в этой таблице нет. Но, если внимательнее вглядеться в эту таблицу, то можно увидеть замечательные результаты:
1. Полимеризационное наполнение приводит к повышению уровня сопротивления изоляции в цепях двухсторонних печатных плат в среднем на 1 – 2 порядка даже в нормальных условиях.
2. После проведения полимеризационного наполнения сопротивление изоляции повышается в цепях всех печатных плат. Но, если сравнивать конечные значения, то зарубежный стеклотекстолит уже проигрывает отечественному стеклотекстолиту, причем значительно! В «наших» в полном смысле этого слова печатных платах превалирует множитель 1012, а в иных печатных платах – всего лишь 1011.
Нелогичный, на первый взгляд, результат объясняется довольно просто. У отечественного стеклотекстолита хуже характеристики эпоксидной полимерной матрицы (частота и регулярность полимерной сетки, степень отверждения и др.). Эти характеристики отрицательно влияют на влагостойкость печатных плат, увеличивая диффузионную проницаемость стеклотекстолита для влаги. Эти же характеристики положительно влияют на увеличение диффузионной проницаемости полимерной матрицы стеклотекстолита для мономерной композиции.
Таким образом, при проведении полимеризационного наполнения печатных плат с заведомо худшими техническими характеристиками можно получить суперэффект – реализовать максимально высокий уровень сопротивления изоляции. С точки зрения ТРИЗ в данном случае реализовано два типовых приема разрешения технических противоречий: «использовать вред в пользу» и «использовать частично недостающее действие».
Суперэффект позволяет очень просто решить проблему на этот раз не отсталой России, а высоко развитых зарубежных стран. Уровень сложности современных печатных плат вырос многократно. Уже получены печатные платы с зазором между проводниками 8 – 10 мкм [8]! Обеспечить необходимый уровень сопротивления изоляции в таких зазорах ой как не просто.
Это оригинальное техническое решение получилось как бы само собой. Чуть позже аналогичное техническое решение было реализовано автором уже сознательно в технологии изготовления изделий из стеклопластиков с улучшенными физико-механическими свойствами [9], еще позже и в технологии полимеризационного наполнения влагозащитных полимерных покрытий [10].
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть
2.3.1. На стыке интересов
Эксперт (специалист) – это человек, который знает все больше и больше о все меньшем и меньшем [11]. Не правда ли, непростая проблема? Эта проблема в свою очередь рождает великое множество других проблем, чуть ниже своей прародительницы по рангу.
Полимеризационное наполнение подложек печатных плат стало решением проблемы, которая появилась на стыке интересов узких специалистов, занимающихся изготовлением базовых материалов для печатных плат и узких специалистов, занимающихся изготовлением из этих материалов печатных плат. На стыке интересов на этот раз изготовителей печатных плат и тех, кто занимается влагозащитой в общепринятом смысле этого слова (лакокрасочников), возникла другая проблема. С технической точки зрения эта проблема возникла также на стыке (границе раздела) стеклотекстолита и влагозащитного полимерного покрытия.
Большие (гигаомные) сопротивления всегда неуютно чувствовали себя на этой нейтральной полосе. При эксплуатации печатных узлов в условиях повышенной влажности паразитные токовые утечки по границе раздела: стеклотекстолит – полимерное покрытие становятся сопоставимыми с рабочими токами в высокоомных цепях. Переход на поверхностный монтаж серьезно усугубил эту проблему, значительно (многократно) уменьшив расстояние между ножками радиоэлементов.
Но использование в радиотехнике электрических цепей, в которых реализуются очень малые токи, не чье то желание, а необходимость. Например, без таких цепей, очень сложно, а порой и невозможно реализовать приборы измерительной техники. Неизбежность существования паразитных (шунтирующих) токов учитывается разработчиками радиоэлектронной аппаратуры. Обычно при проектировании закладывается кратность превышения уровня сопротивления изоляции нагрузки применяемых элементов, которая в зависимости от условий работы составляет от 20 до 1000 [12]. Но такие требования должны быть соизмеримы с реальными изоляционными характеристиками используемых материалов и реальными конструктивно-технологическими решениями. А реальное конструктивно-технологическое решение (печатная плата + влагозащитное покрытие) уж очень далеко от идеального решения. Как быть?
2.3.2. Адгезия
Поговорим об адгезии – зоне профессиональных интересов других узких специалистов на этот раз по клеям. Ключевое слово этих специалистов – адгезия. Адгезия (от латинского adhaesio – притяжение, сцепление, прилипание) – явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз [13]. Обычно соединяемые фазы (субстраты) – это твердые тела (металлы, полимеры, керамика и др.). А в качестве адгезивов (клеев) используются жидкости (растворы, расплавы, реже низкомолекулярные соединения).
Адсорбционная (молекулярная) теория рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими поверхностями адгезива и субстрата. С этой точки зрения очень важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами.
В термодинамической трактовке явления адгезии основное внимание уделяется поверхностному натяжению, смачиваемости и иным явлениям на поверхности раздела: субстрат – адгезив.
Для понимания доступнее всего теория адгезии, основанная на «механическом» подходе (учитывающая морфологию поверхности субстрата). Чем больше поверхность субстрата отличается от идеально ровной, тем это лучше для обеспечения надежного адгезионного соединения. Увеличение площади фактического контакта между адгезивом и субстратом в любом случае должно приводить к повышению адгезии.
В полимерах выделяют несколько типов структурных образований, определяющих своеобразие геометрии (неровность) поверхности: глобулы, ленточные и пачечно-фибриллярные структуры, кристаллы, сферолиты и их агрегаты. Для стеклотекстолитов характерно еще и наличие поверхностных пор, отличающихся по размерам: макропоры (более 100 нм), субмикропоры (до 20 нм), микропоры (до 2 нм) [14].
2.3.3. Когезия
Когезия – это сцепление, притяжение между частицами одного и того же тела, приводящие к объединению этих частиц в единое целое [15].
Систему стеклотекстолит – влагозащитное полимерное покрытие можно рассматривать еще и как часть (половину) адгезионного соединения. Субстрат – стеклотекстолит, адгезив – лаковое или, в общем случае, полимерное покрытие. Это очень даже удачный случай для получения прочного адгезионного соединения. Молекулы полимерных покрытий так же, как и молекулы эпоксидного связующего стеклотекстолита в большинстве случаев полярны. По той же причине стеклотекстолит очень хорошо смачивается. Пористость поверхностного слоя стеклотекстолита отрицательно сказывается на влагостойкости печатных плат, но одновременно способствует повышению адгезии полимерного покрытия по «механическим» причинам.
Но, несмотря на это, адгезия влагозащитного покрытия к стеклотекстолиту явно недостаточна. Адгезионная связь по своей прочности еще далека от прочности когезионной связи. Если бы было наоборот, то давление жидкости, проникающей под пленку покрытия, например, из-за осмотических явлений, не отрывало бы ее. А разрыв бы равновероятно происходил в объеме стеклотекстолита или в объеме полимерного покрытия.
В идеальном случае прочность адгезионного соединения должна быть равной когезионной прочности субстрата и/или адгезива. Идеальное может реализоваться в материальное лишь при условии, что исчезнет граница фаз. Если исчезнет граница раздела фаз, исчезнут и проблемы с нею связанные, в том числе и проблема нежелательных токовых утечек вдоль этой границы.
Как сделать так, чтобы граница раздела фаз исчезла? Подсказка – использовать явление диффузии. В некоторых случаях установление контакта между адгезивом и субстратом не ограничивается адсорбцией полимерных молекул на твердой поверхности. В работе [13] всерьез рассматриваются процессы диффузии макромолекул адгезива в объем субстрата. Оказалось, что макромолекулы адгезива, используя свою гибкость, могут проникать в полимеры на значительную глубину. Такие несколько неожиданные явления были зафиксированы преимущественно для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. В стеклообразные субстраты полимерной природы макромолекулы способны проникать в основном по системе внутренних пор, каналов и капилляров. Однако они оказываются для макромолекул слишком узкими. Поэтому диффузия полимеров в полимеры, находящиеся в стеклообразном (полимерная матрица стеклотекстолита) практически невозможна.
В той же работе, но уже в качестве недостатка рассматривается возможность перераспределения между двумя фазами низкомолекулярных составляющих адгезива и субстрата. Этот «недостаток» низкомолекулярных инградиентов можно превратить в достоинство (вред в пользу). Более того, он уже стал достоинством так называемых мономерных клеев [16]. Такие клеи практически на 100% состоят из низкомолекулярных соединений и вследствие этого способны проникать в поверхностные слои полимерного субстрата.
Однако, столь выдающиеся способности мономерных клеев не используются в должной степени. Причин – несколько. Чтобы проникнуть в полимерный субстрат на достаточную глубину мономеры должны иметь очень низкую вязкость, а сам процесс диффузии должен быть продолжительным. Низкая вязкость приводит к выдавливанию (вытеканию) адгезива из пространства между склеиваемыми субстратами и, как следствие, к уменьшению прочности адгезионного соединения. Процессы диффузии низкомолекулярных соединений в полимеры не могут осуществляться мгновенно. В то же время большое время от начала склеивания до его конца в технологиях склеивания не приветствуется. Приветствуются момент-клеи. Довольно узка и гамма мономеров, способных обеспечивать высокую адгезию.
2.3.4. И вновь полимеризационное наполнение
Но, если перейти к половине адгезионного соединения, то обо всех этих недостатках (противоречиях) можно забыть. Полимеризационное наполнение (базовая технология) основано на том, что жидкая композиция на основе бифункциональных мономеров заполняет дефекты структуры подложки печатной платы (стеклотекстолита), а затем при термообработке происходит полимеризация (отверждение) этой композиции в объеме подложки. Причем проникновение композиции происходит не только в макро-дефекты, но и внутрь полимерного субстрата. Таким способом осуществляется своеобразное наполнение одного полимера другим полимером. При этом происходят благоприятные во всех отношениях изменения в подложке печатной платы: уменьшение пористости, уменьшение водопоглощения, уменьшение диффузионной проницаемости и, наоборот, увеличение уровня сопротивления изоляции.
Базовая технология полимеризационного наполнения «усиливая» поверхностный слой стеклотекстолита и, вследствие этого, уменьшая токовые утечки через этот слой, уже в какой-то степени решает проблему. Кардинально решить эту проблему и не только эту проблему могут разработанные автором другие способы влагозащиты печатных плат, основанные также на полимеризационном наполнении [10,17].
Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного узла в базовой технологии и в способах 1 и 2 показано на рис. 2.1.
Как получается такое распределение при использовании базовой технологии, думаю, не требует особых пояснений.
Способ 1 может быть реализован следующим образом:
Первая стадия – заполнение полимеризационноспособной (мономерной) композицией дефектов структуры стеклотекстолита осуществляется так же, как и в базовой технологии. Далее на поверхность печатной платы (печатного узла) наносят лак, ламинат или даже компаунд. Через некоторое время проводят термообработку печатной платы (печатного узла).
При осуществлении этого способа композиция проникает не только в объем подложки печатной платы, но и в прилегающий к поверхности подложки материал покрытия. При термообработке происходит последовательное или совместное отверждение материала покрытия и композиции в зоне, прилегающей к подложке печатной платы. Поскольку композиция одновременно полимеризуется и в объеме подложки, и в объеме покрытия, а полимеризация происходит с образованием трехмерной полимерной сетки, подложка и полимерное покрытие связываются при этом в единое целое. Что и требовалось доказать!
Способ 2 отличается тем, что на печатной плате сначала в полном объеме реализуют влагозащитное покрытие (нанесение + отверждение). Далее полимеризационное наполнение осуществляют так же, как и в базовой технологии. Отличия лишь в режимах его осуществления. На финише, так же, как и в способе 1 композиция полимеризуется одновременно в полимерном покрытии и в подложке, связывая их своей трехмерной полимерной сеткой в единое целое. Отличие – иной профиль распределения полимера-наполнителя.
Эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита трехмерный полимер, полимерное покрытие в большинстве случаев трехмерный полимер, отвержденный полимер-наполнитель – также трехмерный полимер. Связывание подложки печатной платы и полимерного покрытия в обоих способах происходит с образованием топологических взаимопроникающих полимерных сеток, разорвать которые невозможно, не разрывая бесконечное множество очень прочных химических связей. Химических связей, связывающих полимерный субстрат (подложку печатной платы) и влагозащитное покрытие нет, и в то же время, чтобы влагозащитное покрытие «оторвать» химические связи нужно разорвать. Или же: граница раздела фаз есть и одновременно границы раздела нет! Не правда ли, красивое техническое решение?
Если посмотреть со стороны, то решение частной проблемы позволило реализовать новые способы влагозащиты печатных плат (узлов), превосходящие базовую технологию во многих отношениях. Так из рассмотрения рис. 2.1. следует, что новые способы влагозащиты кроме того:
- повышают эффективность «усиления» стеклотекстолита,
- «усиливают» еще и влагозащитное покрытие, уменьшая его диффузионную проницаемость.
2.4. Мойдодыр.
2.4.1. Тройная связка
А вот в области «мытья до дыр» дать ответ Чемберлену нам пока не удалось. Проблема отмывки печатных узлов от различных загрязнений и, в первую очередь, от остатков паяльных флюсов важна, сложна и многогранна. Важна потому, что с качеством отмывки однозначно связана надежность изделий электроники, особенно в тех случаях, когда эти изделия используются «на семи ветрах». Особенно опасны так называемые ионогенные загрязнения, способные спровоцировать ненужную проводимость. Тройная связка (ионогенные примеси, вода и электрический ток) обычно приводит к отказам изделий по механизму, основу которого составляет электрохимический процесс (смотрите рис. 2.2.).
Рис. 2.2. Модель электрохимического отказа.
В результате приложения разности потенциалов происходит процесс электролиза при котором положительно заряженный проводник (анод) растворяется, отдавая воде положительно заряженные ионы, которые, направляясь к отрицательно заряженному проводнику (катоду), восстанавливаются на нем до металла. При этом в изоляционном зазоре образуются проводящие перемычки, напоминающие морозные узоры на стекле – дендриты. При протекании электрохимических процессов очень быстро могут образовываться нитевидные кристаллы толщиной от 2 до 20 мкм и длиной до 12 мм! [18]. После замыкания проводников они утолщаются до 0,1 мм. К чему могут привести такие замыкания, не требует дополнительных пояснений: в лучшем случае это отказ изделия, в худшем – его самовозгорание.
Интересно, что аналогичные токопроводящие перемычки могут образовываться в печатных узлах и при приложении переменного тока. С постоянным током все ясно даже ученику седьмого класса. А вот как получаются эти перемычки в переменном токе, сложно понять не только семикласснику. Для решения этой «изобретательской» задачи матушка-природа использовала гораздо менее известный вентильный эффект, наблюдаемый при электролизе ряда металлов, в том числе и меди [19].
А решение достаточно простое. Электрический вентиль (от нем. Ventil – клапан) –название электрического прибора, обладающего в зависимости от направления электрического тока высокой (для токов прямого направления) или низкой (для токов обратного направления) проводимостью – так называемая односторонняя проводимость. Эта особенность вентилей обусловливает их широкое применение в качестве активного элемента выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, коммутирующих устройств и т.д. Эта же особенность приводит к тому, что на границе раздела металла и электролита переменный ток становится «похожим» на постоянный – вентильный эффект, со всеми вытекающими из этой постоянности неприятными последствиями.
2.4.2. Сеть противоречий
Для того, чтобы решить какую-то реальную техническую проблему чаще всего приходится решать целую серию изобретательских задач. При разработке технологии полимеризационного наполнения печатных плат автору пришлось решить множество изобретательских задач (более десятка). Эти изобретательские задачи чаще всего следовали друг за другом (своеобразная цепочка задач). Другой предельный случай – для решения проблемы необходимо решение нескольких параллельных задач. Но, чаще всего последовательные и параллельные задачи складываются в своеобразную запутанную сеть. Распутыванием такой противоречивой сети уже в течение многих лет занимаются технологи-разработчики и технологи-практики, работающие в области отмывки печатных плат и печатных узлов.
2.4.2.1. Мыть или не мыть?
Мыть или не мыть? Увы, на этот почти «шекспировский» вопрос универсальный ответ еще не найден. Универсальный ответ существуют пока лишь на уровне здравого смысла. Он определяется как техническими, так и экономическими факторами.
Первый фактор – активность используемого паяльного флюса, а именно остатки паяльного флюса составляют львиную долю загрязнений. Активные флюсы нужны, поскольку они гарантируют высокое качество пайки. Активные флюсы не нужны, поскольку, они, как правило, содержат чрезвычайно агрессивные химические соединения. В этой задаче явно прослеживаются противоречивые требования: флюс должен быть активным и не должен быть активным. Это интереснейшая изобретательская задача. Пока же существует один общий неизобретательский ответ – чем выше активность флюса, тем тщательнее и тем быстрее нужно отмывать печатные узлы.
Второй фактор – класс аппаратуры и соответственно предполагаемые условия ее эксплуатации. В данном случае ответ лежит в области компромисса. Для бытовой техники, используемой преимущественно в «тепличных условиях», операцию отмывки обычно исключают. И, наоборот, для специальной техники и, в первую очередь, для военной техники эта операция является обязательной. Все остальные случаи лежат внутри этой «вилки».
В частных случаях некоторые противоречивые требования уже разрешены. Одно из решений – использование паяльных флюсов с крайне малым содержанием твердого вещества (No-Clean). Содержание сухого остатка в таких паяльных флюсах составляет всего несколько процентов. Поэтому после испарения растворителя на поверхности печатной платы почти ничего не остается. А как бы хотелось, чтобы слово «почти» можно было заменить на слово «ничего»!
Другое решение – использование так называемых неудаляемых паяльных флюсов. В этом случае на поверхности печатного узла остается почти все. Идея этого решения заключается в том, что остатки паяльных флюсов сами собой или с дополнительной помощью человека (при термообработке) превращаются в защитную пленку, аналогичную по своим физическим (диэлектрическим) свойствам влагозащитному покрытию печатного узла. В основе такого превращения лежит обычная реакция поликонденсации. Неудаляемые паяльные флюсы зарубежного и отечественного производства (ФПС-6, ФПС-6НК) широко предлагаются ныне на нашем рынке [20]. К сожалению, создатели таких флюсов пока остановились на уровне «шаг назад от ИКР». Электроизоляционные свойства защитных пленок хуже, чем у традиционных влагозащитных покрытий. Как следствие, такое техническое решение без оглядки может быть использовано только для неответственных применений.
2.4.2.2. Огласите, пожалуйста, весь список
Основной «загрязнитель» поверхности печатных плат – остатки паяльных флюсов. Основной, но не единственный. При проведении «мокрых» операций (химическая металлизация, гальваническая металлизация, травление и др.) поверхностный слой печатных плат загрязняется химическими соединениями преимущественно неорганической природы (соли, кислоты и др.). При проведении «сухих» операций (сверление, механическая обработка) на поверхности печатных плат могут появиться смазки и охлаждающие эмульсии. Окружающая среда, особенно атмосфера промышленных районов, также вносит свой посильный вклад в загрязнение поверхности печатных плат. Очень активным загрязнителем является сам человек. «Отпечатки» его пальцев содержат большое количество водорастворимых и в большинстве своем ионогенных соединений [12]:
Натрий хлористый, г/л 3,6
Уксусная и пропионовая кислоты, г/л 0,5
Мочевина, г/л 0,5
Кальций хлористый, г/л 0,3
Глюкоза, г/л 0,2
Калий хлористый, мг/л 30
Мочевая кислота, мг/л 30
Натрий сернокислый, мг/л 25
Те же «отпечатки» всегда содержат и жировые загрязнения, а иногда еще и остатки кремов для рук, женской косметики и др.
Поэтому спектр химических соединений, загрязняющих поверхность печатного узла чрезвычайно широк. Но все эти загрязнения можно грубо разделить на две большие группы: гидрофобные и гидрофильные. Именно такая классификация играет определяющую роль при выборе оптимального моющего средства и/или оптимальной технологии отмывки печатных узлов.
2.4.2.3. Гидрофильно-гидрофобный баланс
В дословном переводе гидрофильность означает любовь к воде, а гидрофобность – страх, неприязнь по отношению к ней. Если молекулы вещества сильно взаимодействуют с водой, например, образуя водородные связи, то говорят о его гидрофильности, при слабом взаимодействии говорят о его гидрофобности [21]. Гидрофильность присуща веществам близким по химическому строению с водой и, наоборот, гидрофобными свойствами обладают вещества очень далекие от воды по своей химической структуре.
Известно, что подобное растворяется подобном. Термодинамика говорит, что при этом уменьшается изобарно-изотермический потенциал системы. Как следствие, для удаления гидрофильных загрязнений нужно использовать гидрофильные растворители, а для удаления гидрофобных загрязнений – гидрофобные растворители. Но, если мы будем отмывать печатный узел сначала в гидрофильном растворителе (этиловом спирте), а затем в гидрофобном растворителе (бензине), или наоборот, то ничего хорошего не получится. Дело в том, что индивидуальный растворитель после испарения вновь оставит на поверхности то, что он ранее в себя вобрал: бензин – жировые загрязнения, а этиловый спирт – остатки канифоли и некоторые неорганические соединения.
Изобретательское решение заключается в том, что если этиловый спирт и бензин объединить в соотношении 1:1, то растворяющая и, самое главное, очищающая способность такой смеси будет гораздо лучше. Такая смесь уже давным-давно используется для отмывки печатных узлов (приоритет и авторы изобретения неизвестны). Какой же физический эффект лежит в основе этого изобретения? Говорят [18], что азеотропные свойства такой смеси. Азеотропные (нераздельнокипящие) жидкие смеси характеризуются равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз. При кипении таких смесей образуется конденсат того же состава, что и исходный раствор. Это очень затрудняет разделение жидких смесей методом перегонки. В технологии отмывки печатных узлов это свойство азеотропных смесей, наоборот, очень помогает. Спирто-бензиновая смесь – одна из примерно 10000 известных азеотропных смесей. Она растворяет загрязнения и, благодаря азеотропности, эти загрязнения удаляются с поверхности печатного узла вместе с ее парами.
К сожалению, спирто-бензиновая смесь крайне малоэффективно удаляет активаторы флюсов (органические кислоты или галогенопроизводные), остатки флюсов с низким содержанием твердого вещества (No-Clean), ионные водорастворимые загрязнения. Гораздо более эффективным оказалось использование для отмывки печатных плат спиртосодержащих жидкостей, основу которых составляет изопропиловый спирт. Гидрофильно-гидрофобный баланс растворителя в данном случае реализован в пределах одной молекулы изопропилового спирта. Большая часть этих жидкостей обладает универсальными моющими свойствами. Например, жидкость на основе модифицированных спиртов Zestron FA+ способна удалять канифольные флюсы, флюсы с низким содержанием твердых веществ, флюсы на синтетической основе и водосмываемые флюсы.
2.4.2.4. Гордиев узел
Независимо от того, какого рода составы используются для отмывки печатных плат, до недавнего времени их объединял один общий принципиальный недостаток – накопление загрязнений в моющих составах в процессе отмывки. Как следствие срок жизни таких составов ограничен. На практике отмывка печатных узлов часто проводится в нескольких ваннах (отмывка спирто-бензиновой смесью). В каждой последующей ванне количество загрязнений уменьшается. Установить бесконечное множество ванн, гарантирующих нулевое содержание загрязнений на финише процесса отмывки печатных узлов, невозможно. Обычно из соображений экономии используют не более трех ванн, причем по мере загрязнения производится еще и ротация моющих растворов. Как следствие, об идеальной чистоте поверхности печатных узлов можно только мечтать. Технологи иногда шутят, говоря о том, что они занимаются не отмывкой печатных узлов, а размазыванием грязи на их поверхности.
Физическое противоречие этой задачи:
ФП. Загрязнения в промывочной ванне (промывочной жидкости) должны накапливаться и не должны накапливаться.
Это непростое противоречие было разрешено. «Гордиев узел» удалось разрубить благодаря разработкам фирмы Zestron [22]. Разработанная ее специалистами MPC (Micro Phase Cleaning) технология сочетает преимущества моющих средств на водной и спиртовой основах и, самое главное, промывочные жидкости, с помощью которых реализуются эти технологии, теоретически могут работать бесконечно. На практике срок службы таких составов без замены достигает 1 года. Принцип действия МРС-технологии показан на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Принцип действия МРС-технологии.
Активные компоненты, присутствующие в промывочной жидкости, имеют форму микроскопических капель (микрофаз). Микрофазы могут эффективно удалять с поверхности печатного узла жировые загрязнения, остатки флюсов и т.д. Затем частицы загрязнений самопроизвольно переходят из объема микрофаз в водный раствор. Таким образом происходит самоочищение (регенерация) микрофаз. Микрофазы не накапливают загрязнения, как, например, ПАВ или спирто-бензиновая смесь, а всего лишь работают в качестве их переносчика (посредника). Поскольку частицы загрязнений в промывочной жидкости полностью не растворяются, они могут легко удаляться из раствора фильтрацией или снятием с поверхности.
Процесс отмывки строится на замкнутом цикле. Длительное время жизни промывочной жидкости и стабильно высокое качество отмывки обеспечивается оснащением ванны отмывки двухступенчатой системой поглощения остатков флюса и других загрязнений (механические фильтры с размером ячеек префильтра – 20 мкм и основного фильтра – 5мкм). MPC-технология реализуется при отмывке печатных узлов промывочными жидкостями на водной основе Vigon US, Vigon A 200, Vigon A 300 и др.
Очень интересное техническое решение. К сожалению, конкретика этого технического решения неизвестна. Разработчики, так же, как и рецепт Кока Колы, сохраняют его в глубокой тайне. Известно лишь то, что сверхвысокая растворяющая способность такого рода составов, увы, не очень «нравится» печатным узлам, изготовленным из отечественных материалов. Вместе с загрязнениями удаляются и маркировочные краски и, даже, части
Принимайте факты такими, какие они есть. Затем можете искажать их, как вам понравится.
Марк Твен
2.1. С пафосом о ПАФОСЕ
Если слово электроника понимать в широком смысле, то в сферу ее интересов, несомненно, попадают печатные платы – основной конструктивный макроэлемент современной радиоэлектронной аппаратуры. В общем случае печатная плата - это пластина из электроизоляционного материала, на поверхности которой нанесены тонкие электропроводящие полоски (проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов [1].
У российских специалистов, имеющих отношение к производству печатных плат, сочетание двух слов «ИТМ и ВТ» и «Галецкий» вызывает глубокое уважение. Для института точной механики и вычислительной техники годы застоя в отличие от многих других не были годами застоя. А отделение этого института, возглавляемое Ф.П. Галецким, диктовало моду в области технологии изготовления печатных плат в «стране, которой уже нет». Не потерялось оно и в «стране, которая есть». Супер-ЭВМ, разработкой которых занимался институт, потребовали создания суперсложных многослойных печатных плат. Для реализации таких печатных плат и была разработана технология, названная ПАФОС (полностью аддитивное формирование отдельных слоев).
От субтрактивных методов, основанных на травлении фольги, этот метод отличается тем, что токопроводящий рисунок наносят [2]. Проводящий рисунок слоев формируется на временных носителях – листах из нержавеющей стали, поверхность которых покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2 – 5 мкм.
На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2 – 3 мкм) и меди (30 – 50 мкм) во вскрытые в фоторезисте рельефы. Затем пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в диэлектрик.
Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности временных носителей. В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением медной шины создаются межслойные переходы посредством металлизации отверстий с контактными площадками.
Чем же хорош этот метод? Дело в том, что проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и защищенный сверху слоем никеля, при удалении медной шины не подвергается травлению. Поскольку исключается операция травления, исключается и подтравливание проводников. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются рисунком рельефа, то есть процессами фотолитографии. А современные достижения в области фотолитографии и лазерного экспонирования позволяют совершить качественный скачок на пути повышения плотности печатного монтажа. Еще на рубеже восьмидесятых и девяностых годов прошлого века в ИТМ и ВТ научились делать двадцатислойные печатные платы размером полметра на полметра с шириной проводников и зазоров между ними менее 100 мкм!
2.2. Наш ответ Чемберлену
2.2.1. Цепочка противоречий
Судя по публикации [3], технология ПАФОС позволяет получать печатные платы с шириной проводников и зазорами между ними до 40 - 50 мкм. Но, нет в мире совершенства! По законам ТРИЗ улучшение одной характеристики технической системы неизбежно приводит к ухудшению какой-то другой ее характеристики. Так оно и получилось.
Суперсложные и супербольшие многослойные печатные платы, изготовленные методом ПАФОС, не соответствуют техническим требованиям по влагостойкости. Даже при изменении относительной влажности воздуха от 45% до 80 % (нормальные условия) сопротивление изоляции в их цепях изменяется на 3 – 4 порядка [4]. Образно говоря, такие печатные платы «дышат». Уменьшение зазоров между проводниками привело к тому, что уровень диэлектрических характеристик стеклотекстолита стал явно недостаточным.
Прошли годы. Изменилась элементная база, изменилась архитектура Супер-ЭВМ. Использование таких громадных печатных плат стало «признаком плохого тона». А проблема, увы, осталась. Колокольчик зазвонил вновь, но уже не в России, а за ее пределами. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита стали лимитировать дальнейшую микроминиатюризацию печатных плат. И традиционными методами решить эту задачу нашим «потенциальным друзьям» пока не удается [5].
Как же быть? Прекрасная задача для доказательства дееспособности ТРИЗ. Можно даже сказать, что это «вопрос на засыпку». Экзамен был сдан и не кое-как, а на оценку отлично!
Дефекты структуры стеклотекстолита, по словам некоторых специалистов, позволяют сравнить его с промокашкой. Чем больше воды в этой промокашке, тем хуже диэлектрические свойства. Для повышения влагостойкости печатных плат после монтажа радиоэлементов их покрывают лаком. При нанесении лаковых покрытий дефекты структуры стеклотекстолита частично устраняются (заполняются) полимером. Как повысить эффективность?
Сформулируем техническое противоречие задачи (ТП).
ТП 1. Если лак сильно разбавлен, из-за низкой вязкости он глубоко проникает в капиллярно-пористую структуру стеклотекстолита, но из-за небольшого содержания полимерного связующего коэффициент заполнения капилляров невелик.
ТП 2. Если лак содержит много полимерного связующего, то коэффициент заполнения капилляров увеличивается, но из-за высокой вязкости глубина его проникновения невелика.
Сформулируем физическое противоречие задачи (ФП).
ФП 1. Лак должен содержать много полимерного связующего, и лак должен содержать мало полимерного связующего.
Это противоречие легко разрешается с использованием стандартного приема разрешения физических противоречий «разделение противоречивых требований во времени». Для нанесения первого слоя лака следует использовать сильно разбавленный лак, а для нанесения последующих слоев лак с большим содержанием связующего. К сожалению, на практике это решение оказалось недостаточно эффективным.
При формулировке технического противоречия чтобы «обмануть» психологическую инерцию человека ТРИЗ рекомендует уходить от конкретных названий. Если слово «лак» заменить более широким понятием «жидкость», ФП можно сформулировать следующим образом:
ФП 2. Полимерное связующее в жидкости должно быть, и полимерное связующее в жидкости не должно быть.
Или:
ФП 3. Частицы полимера в жидкости должны быть большими, и частицы полимера в жидкости должны быть маленькими.
Или:
ФП 4. Частицы полимера в жидкости должны быть, и частиц полимера в жидкости не должно быть.
Для разрешения этих противоречий вновь можно использовать прием «разделить противоречивые требования во времени». Частицы полимера в жидкости должны быть на финише процесса и частиц полимера не должно быть на его старте.
Конкретное техническое решение можно найти в школьном учебнике по химии – реакция полимеризации. Молекулы мономеров соизмеримы по величине с молекулами воды. А молекулярная масса полимеров измеряется сотнями тысяч и даже миллионами у. е. (не подумаете о долларах). И, самое главное, полимеризация идет практически без изменения объема!
Специалисты, на то они и специалисты, умерят наш восторг и скажут: «Нет, не пойдет. Полимеризация обычно происходит при температуре выше 65 0С (стандартной температуры для сушки лаковых покрытий)». Можно, опустив руки, на этом остановиться. А можно и даже нужно продолжить решение.
Сформулируем техническое противоречие следующей задачи.
ТП 1. Если мономер наносится на печатную плату с радиоэлементами, то капиллярная пористость эффективно заполняется, но из-за повышенной температуры полимеризации «погибают» термочувствительные радиоэлементы.
ТП 2. Если мономер наносится на печатную плату до монтажа радиоэлементов, то термочувствительные радиоэлементы сохраняют работоспособность, но при этом мономер полимеризуется и на поверхности печатной платы, ухудшая качество пайки.
От ТП 2 переходим к формулировке физического противоречия.
ФП. Мономер должен полимеризоваться, и мономер не должен полимеризоваться.
На этот раз ТРИЗ предлагает использовать другой прием разрешения физических противоречий «разделить противоречивые требования в пространстве». Мономер должен полимеризоваться в объеме (в капиллярах) и не должен полимеризоваться вне объема (на поверхности). Для нахождения конкретного решения следует заглянуть уже в вузовский учебник по химии полимеров. Оказывается, мономерные композиции с такими свойствами существуют.
Итак, поставленная задача решена. Но, как это бывает в реальной жизни, на пути от принципиального решения до работающей технологии пришлось сформулировать и решить еще немало изобретательских задач. И очень удачным оказалось то, что ТРИЗ-специалист и просто специалист в данном случае объединились в одном лице. Технология, названная полимеризационным наполнением, оказалась способной повышать уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита в печатных платах не в разы, а в сотни, тысячи и более раз со всеми вытекающими из этого последствиями…
Вот вам и изобретение, сделанное при помощи ТРИЗ. И это не какое-то несущественное усовершенствование, а, по словам специалистов, прорыв в области технологии изготовления и влагозащиты печатных плат. В максимальном объеме информацию о технологии полимеризационного наполнения можно получить на сайте автора [6] или в книге [7].
2.2.2. Сверхэффект
Разработка технологии полимеризационного наполнения начиналась с решения «исправительной» задачи. Задача-минимум – устранение дефектов внешнего вида стеклотекстолита непосредственно в подложке печатной платы. Правильнее было бы решать более глобальную задачу – продолжать совершенствовать технологию изготовления стеклотекстолитов, тем более что за рубежом в этом направлении уже был достигнут значительный прогресс. Во всяком случае, о дефектах внешнего вида стеклотекстолита там давным-давно забыли. Но в данном случае отклонение от «генеральной» линии развития позволило получить неожиданные и в какой-то мере выдающиеся результаты.
В таблице 2.1. приведены результаты испытаний двухсторонних печатных плат, изготовленных в едином технологическом цикле в условиях серийного производства из базовых материалов СТФ-35-1,5 ТУ 16-503.161-83 (Россия) и FR-4 (изготовитель фирма Isola).
На первый взгляд ничего особенного в этой таблице нет. Но, если внимательнее вглядеться в эту таблицу, то можно увидеть замечательные результаты:
1. Полимеризационное наполнение приводит к повышению уровня сопротивления изоляции в цепях двухсторонних печатных плат в среднем на 1 – 2 порядка даже в нормальных условиях.
2. После проведения полимеризационного наполнения сопротивление изоляции повышается в цепях всех печатных плат. Но, если сравнивать конечные значения, то зарубежный стеклотекстолит уже проигрывает отечественному стеклотекстолиту, причем значительно! В «наших» в полном смысле этого слова печатных платах превалирует множитель 1012, а в иных печатных платах – всего лишь 1011.
Нелогичный, на первый взгляд, результат объясняется довольно просто. У отечественного стеклотекстолита хуже характеристики эпоксидной полимерной матрицы (частота и регулярность полимерной сетки, степень отверждения и др.). Эти характеристики отрицательно влияют на влагостойкость печатных плат, увеличивая диффузионную проницаемость стеклотекстолита для влаги. Эти же характеристики положительно влияют на увеличение диффузионной проницаемости полимерной матрицы стеклотекстолита для мономерной композиции.
Таким образом, при проведении полимеризационного наполнения печатных плат с заведомо худшими техническими характеристиками можно получить суперэффект – реализовать максимально высокий уровень сопротивления изоляции. С точки зрения ТРИЗ в данном случае реализовано два типовых приема разрешения технических противоречий: «использовать вред в пользу» и «использовать частично недостающее действие».
Суперэффект позволяет очень просто решить проблему на этот раз не отсталой России, а высоко развитых зарубежных стран. Уровень сложности современных печатных плат вырос многократно. Уже получены печатные платы с зазором между проводниками 8 – 10 мкм [8]! Обеспечить необходимый уровень сопротивления изоляции в таких зазорах ой как не просто.
Это оригинальное техническое решение получилось как бы само собой. Чуть позже аналогичное техническое решение было реализовано автором уже сознательно в технологии изготовления изделий из стеклопластиков с улучшенными физико-механическими свойствами [9], еще позже и в технологии полимеризационного наполнения влагозащитных полимерных покрытий [10].
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть
2.3.1. На стыке интересов
Эксперт (специалист) – это человек, который знает все больше и больше о все меньшем и меньшем [11]. Не правда ли, непростая проблема? Эта проблема в свою очередь рождает великое множество других проблем, чуть ниже своей прародительницы по рангу.
Полимеризационное наполнение подложек печатных плат стало решением проблемы, которая появилась на стыке интересов узких специалистов, занимающихся изготовлением базовых материалов для печатных плат и узких специалистов, занимающихся изготовлением из этих материалов печатных плат. На стыке интересов на этот раз изготовителей печатных плат и тех, кто занимается влагозащитой в общепринятом смысле этого слова (лакокрасочников), возникла другая проблема. С технической точки зрения эта проблема возникла также на стыке (границе раздела) стеклотекстолита и влагозащитного полимерного покрытия.
Большие (гигаомные) сопротивления всегда неуютно чувствовали себя на этой нейтральной полосе. При эксплуатации печатных узлов в условиях повышенной влажности паразитные токовые утечки по границе раздела: стеклотекстолит – полимерное покрытие становятся сопоставимыми с рабочими токами в высокоомных цепях. Переход на поверхностный монтаж серьезно усугубил эту проблему, значительно (многократно) уменьшив расстояние между ножками радиоэлементов.
Но использование в радиотехнике электрических цепей, в которых реализуются очень малые токи, не чье то желание, а необходимость. Например, без таких цепей, очень сложно, а порой и невозможно реализовать приборы измерительной техники. Неизбежность существования паразитных (шунтирующих) токов учитывается разработчиками радиоэлектронной аппаратуры. Обычно при проектировании закладывается кратность превышения уровня сопротивления изоляции нагрузки применяемых элементов, которая в зависимости от условий работы составляет от 20 до 1000 [12]. Но такие требования должны быть соизмеримы с реальными изоляционными характеристиками используемых материалов и реальными конструктивно-технологическими решениями. А реальное конструктивно-технологическое решение (печатная плата + влагозащитное покрытие) уж очень далеко от идеального решения. Как быть?
2.3.2. Адгезия
Поговорим об адгезии – зоне профессиональных интересов других узких специалистов на этот раз по клеям. Ключевое слово этих специалистов – адгезия. Адгезия (от латинского adhaesio – притяжение, сцепление, прилипание) – явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз [13]. Обычно соединяемые фазы (субстраты) – это твердые тела (металлы, полимеры, керамика и др.). А в качестве адгезивов (клеев) используются жидкости (растворы, расплавы, реже низкомолекулярные соединения).
Адсорбционная (молекулярная) теория рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими поверхностями адгезива и субстрата. С этой точки зрения очень важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами.
В термодинамической трактовке явления адгезии основное внимание уделяется поверхностному натяжению, смачиваемости и иным явлениям на поверхности раздела: субстрат – адгезив.
Для понимания доступнее всего теория адгезии, основанная на «механическом» подходе (учитывающая морфологию поверхности субстрата). Чем больше поверхность субстрата отличается от идеально ровной, тем это лучше для обеспечения надежного адгезионного соединения. Увеличение площади фактического контакта между адгезивом и субстратом в любом случае должно приводить к повышению адгезии.
В полимерах выделяют несколько типов структурных образований, определяющих своеобразие геометрии (неровность) поверхности: глобулы, ленточные и пачечно-фибриллярные структуры, кристаллы, сферолиты и их агрегаты. Для стеклотекстолитов характерно еще и наличие поверхностных пор, отличающихся по размерам: макропоры (более 100 нм), субмикропоры (до 20 нм), микропоры (до 2 нм) [14].
2.3.3. Когезия
Когезия – это сцепление, притяжение между частицами одного и того же тела, приводящие к объединению этих частиц в единое целое [15].
Систему стеклотекстолит – влагозащитное полимерное покрытие можно рассматривать еще и как часть (половину) адгезионного соединения. Субстрат – стеклотекстолит, адгезив – лаковое или, в общем случае, полимерное покрытие. Это очень даже удачный случай для получения прочного адгезионного соединения. Молекулы полимерных покрытий так же, как и молекулы эпоксидного связующего стеклотекстолита в большинстве случаев полярны. По той же причине стеклотекстолит очень хорошо смачивается. Пористость поверхностного слоя стеклотекстолита отрицательно сказывается на влагостойкости печатных плат, но одновременно способствует повышению адгезии полимерного покрытия по «механическим» причинам.
Но, несмотря на это, адгезия влагозащитного покрытия к стеклотекстолиту явно недостаточна. Адгезионная связь по своей прочности еще далека от прочности когезионной связи. Если бы было наоборот, то давление жидкости, проникающей под пленку покрытия, например, из-за осмотических явлений, не отрывало бы ее. А разрыв бы равновероятно происходил в объеме стеклотекстолита или в объеме полимерного покрытия.
В идеальном случае прочность адгезионного соединения должна быть равной когезионной прочности субстрата и/или адгезива. Идеальное может реализоваться в материальное лишь при условии, что исчезнет граница фаз. Если исчезнет граница раздела фаз, исчезнут и проблемы с нею связанные, в том числе и проблема нежелательных токовых утечек вдоль этой границы.
Как сделать так, чтобы граница раздела фаз исчезла? Подсказка – использовать явление диффузии. В некоторых случаях установление контакта между адгезивом и субстратом не ограничивается адсорбцией полимерных молекул на твердой поверхности. В работе [13] всерьез рассматриваются процессы диффузии макромолекул адгезива в объем субстрата. Оказалось, что макромолекулы адгезива, используя свою гибкость, могут проникать в полимеры на значительную глубину. Такие несколько неожиданные явления были зафиксированы преимущественно для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. В стеклообразные субстраты полимерной природы макромолекулы способны проникать в основном по системе внутренних пор, каналов и капилляров. Однако они оказываются для макромолекул слишком узкими. Поэтому диффузия полимеров в полимеры, находящиеся в стеклообразном (полимерная матрица стеклотекстолита) практически невозможна.
В той же работе, но уже в качестве недостатка рассматривается возможность перераспределения между двумя фазами низкомолекулярных составляющих адгезива и субстрата. Этот «недостаток» низкомолекулярных инградиентов можно превратить в достоинство (вред в пользу). Более того, он уже стал достоинством так называемых мономерных клеев [16]. Такие клеи практически на 100% состоят из низкомолекулярных соединений и вследствие этого способны проникать в поверхностные слои полимерного субстрата.
Однако, столь выдающиеся способности мономерных клеев не используются в должной степени. Причин – несколько. Чтобы проникнуть в полимерный субстрат на достаточную глубину мономеры должны иметь очень низкую вязкость, а сам процесс диффузии должен быть продолжительным. Низкая вязкость приводит к выдавливанию (вытеканию) адгезива из пространства между склеиваемыми субстратами и, как следствие, к уменьшению прочности адгезионного соединения. Процессы диффузии низкомолекулярных соединений в полимеры не могут осуществляться мгновенно. В то же время большое время от начала склеивания до его конца в технологиях склеивания не приветствуется. Приветствуются момент-клеи. Довольно узка и гамма мономеров, способных обеспечивать высокую адгезию.
2.3.4. И вновь полимеризационное наполнение
Но, если перейти к половине адгезионного соединения, то обо всех этих недостатках (противоречиях) можно забыть. Полимеризационное наполнение (базовая технология) основано на том, что жидкая композиция на основе бифункциональных мономеров заполняет дефекты структуры подложки печатной платы (стеклотекстолита), а затем при термообработке происходит полимеризация (отверждение) этой композиции в объеме подложки. Причем проникновение композиции происходит не только в макро-дефекты, но и внутрь полимерного субстрата. Таким способом осуществляется своеобразное наполнение одного полимера другим полимером. При этом происходят благоприятные во всех отношениях изменения в подложке печатной платы: уменьшение пористости, уменьшение водопоглощения, уменьшение диффузионной проницаемости и, наоборот, увеличение уровня сопротивления изоляции.
Базовая технология полимеризационного наполнения «усиливая» поверхностный слой стеклотекстолита и, вследствие этого, уменьшая токовые утечки через этот слой, уже в какой-то степени решает проблему. Кардинально решить эту проблему и не только эту проблему могут разработанные автором другие способы влагозащиты печатных плат, основанные также на полимеризационном наполнении [10,17].
Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного узла в базовой технологии и в способах 1 и 2 показано на рис. 2.1.
Как получается такое распределение при использовании базовой технологии, думаю, не требует особых пояснений.
Способ 1 может быть реализован следующим образом:
Первая стадия – заполнение полимеризационноспособной (мономерной) композицией дефектов структуры стеклотекстолита осуществляется так же, как и в базовой технологии. Далее на поверхность печатной платы (печатного узла) наносят лак, ламинат или даже компаунд. Через некоторое время проводят термообработку печатной платы (печатного узла).
При осуществлении этого способа композиция проникает не только в объем подложки печатной платы, но и в прилегающий к поверхности подложки материал покрытия. При термообработке происходит последовательное или совместное отверждение материала покрытия и композиции в зоне, прилегающей к подложке печатной платы. Поскольку композиция одновременно полимеризуется и в объеме подложки, и в объеме покрытия, а полимеризация происходит с образованием трехмерной полимерной сетки, подложка и полимерное покрытие связываются при этом в единое целое. Что и требовалось доказать!
Способ 2 отличается тем, что на печатной плате сначала в полном объеме реализуют влагозащитное покрытие (нанесение + отверждение). Далее полимеризационное наполнение осуществляют так же, как и в базовой технологии. Отличия лишь в режимах его осуществления. На финише, так же, как и в способе 1 композиция полимеризуется одновременно в полимерном покрытии и в подложке, связывая их своей трехмерной полимерной сеткой в единое целое. Отличие – иной профиль распределения полимера-наполнителя.
Эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита трехмерный полимер, полимерное покрытие в большинстве случаев трехмерный полимер, отвержденный полимер-наполнитель – также трехмерный полимер. Связывание подложки печатной платы и полимерного покрытия в обоих способах происходит с образованием топологических взаимопроникающих полимерных сеток, разорвать которые невозможно, не разрывая бесконечное множество очень прочных химических связей. Химических связей, связывающих полимерный субстрат (подложку печатной платы) и влагозащитное покрытие нет, и в то же время, чтобы влагозащитное покрытие «оторвать» химические связи нужно разорвать. Или же: граница раздела фаз есть и одновременно границы раздела нет! Не правда ли, красивое техническое решение?
Если посмотреть со стороны, то решение частной проблемы позволило реализовать новые способы влагозащиты печатных плат (узлов), превосходящие базовую технологию во многих отношениях. Так из рассмотрения рис. 2.1. следует, что новые способы влагозащиты кроме того:
- повышают эффективность «усиления» стеклотекстолита,
- «усиливают» еще и влагозащитное покрытие, уменьшая его диффузионную проницаемость.
2.4. Мойдодыр.
2.4.1. Тройная связка
А вот в области «мытья до дыр» дать ответ Чемберлену нам пока не удалось. Проблема отмывки печатных узлов от различных загрязнений и, в первую очередь, от остатков паяльных флюсов важна, сложна и многогранна. Важна потому, что с качеством отмывки однозначно связана надежность изделий электроники, особенно в тех случаях, когда эти изделия используются «на семи ветрах». Особенно опасны так называемые ионогенные загрязнения, способные спровоцировать ненужную проводимость. Тройная связка (ионогенные примеси, вода и электрический ток) обычно приводит к отказам изделий по механизму, основу которого составляет электрохимический процесс (смотрите рис. 2.2.).
Рис. 2.2. Модель электрохимического отказа.
В результате приложения разности потенциалов происходит процесс электролиза при котором положительно заряженный проводник (анод) растворяется, отдавая воде положительно заряженные ионы, которые, направляясь к отрицательно заряженному проводнику (катоду), восстанавливаются на нем до металла. При этом в изоляционном зазоре образуются проводящие перемычки, напоминающие морозные узоры на стекле – дендриты. При протекании электрохимических процессов очень быстро могут образовываться нитевидные кристаллы толщиной от 2 до 20 мкм и длиной до 12 мм! [18]. После замыкания проводников они утолщаются до 0,1 мм. К чему могут привести такие замыкания, не требует дополнительных пояснений: в лучшем случае это отказ изделия, в худшем – его самовозгорание.
Интересно, что аналогичные токопроводящие перемычки могут образовываться в печатных узлах и при приложении переменного тока. С постоянным током все ясно даже ученику седьмого класса. А вот как получаются эти перемычки в переменном токе, сложно понять не только семикласснику. Для решения этой «изобретательской» задачи матушка-природа использовала гораздо менее известный вентильный эффект, наблюдаемый при электролизе ряда металлов, в том числе и меди [19].
А решение достаточно простое. Электрический вентиль (от нем. Ventil – клапан) –название электрического прибора, обладающего в зависимости от направления электрического тока высокой (для токов прямого направления) или низкой (для токов обратного направления) проводимостью – так называемая односторонняя проводимость. Эта особенность вентилей обусловливает их широкое применение в качестве активного элемента выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, коммутирующих устройств и т.д. Эта же особенность приводит к тому, что на границе раздела металла и электролита переменный ток становится «похожим» на постоянный – вентильный эффект, со всеми вытекающими из этой постоянности неприятными последствиями.
2.4.2. Сеть противоречий
Для того, чтобы решить какую-то реальную техническую проблему чаще всего приходится решать целую серию изобретательских задач. При разработке технологии полимеризационного наполнения печатных плат автору пришлось решить множество изобретательских задач (более десятка). Эти изобретательские задачи чаще всего следовали друг за другом (своеобразная цепочка задач). Другой предельный случай – для решения проблемы необходимо решение нескольких параллельных задач. Но, чаще всего последовательные и параллельные задачи складываются в своеобразную запутанную сеть. Распутыванием такой противоречивой сети уже в течение многих лет занимаются технологи-разработчики и технологи-практики, работающие в области отмывки печатных плат и печатных узлов.
2.4.2.1. Мыть или не мыть?
Мыть или не мыть? Увы, на этот почти «шекспировский» вопрос универсальный ответ еще не найден. Универсальный ответ существуют пока лишь на уровне здравого смысла. Он определяется как техническими, так и экономическими факторами.
Первый фактор – активность используемого паяльного флюса, а именно остатки паяльного флюса составляют львиную долю загрязнений. Активные флюсы нужны, поскольку они гарантируют высокое качество пайки. Активные флюсы не нужны, поскольку, они, как правило, содержат чрезвычайно агрессивные химические соединения. В этой задаче явно прослеживаются противоречивые требования: флюс должен быть активным и не должен быть активным. Это интереснейшая изобретательская задача. Пока же существует один общий неизобретательский ответ – чем выше активность флюса, тем тщательнее и тем быстрее нужно отмывать печатные узлы.
Второй фактор – класс аппаратуры и соответственно предполагаемые условия ее эксплуатации. В данном случае ответ лежит в области компромисса. Для бытовой техники, используемой преимущественно в «тепличных условиях», операцию отмывки обычно исключают. И, наоборот, для специальной техники и, в первую очередь, для военной техники эта операция является обязательной. Все остальные случаи лежат внутри этой «вилки».
В частных случаях некоторые противоречивые требования уже разрешены. Одно из решений – использование паяльных флюсов с крайне малым содержанием твердого вещества (No-Clean). Содержание сухого остатка в таких паяльных флюсах составляет всего несколько процентов. Поэтому после испарения растворителя на поверхности печатной платы почти ничего не остается. А как бы хотелось, чтобы слово «почти» можно было заменить на слово «ничего»!
Другое решение – использование так называемых неудаляемых паяльных флюсов. В этом случае на поверхности печатного узла остается почти все. Идея этого решения заключается в том, что остатки паяльных флюсов сами собой или с дополнительной помощью человека (при термообработке) превращаются в защитную пленку, аналогичную по своим физическим (диэлектрическим) свойствам влагозащитному покрытию печатного узла. В основе такого превращения лежит обычная реакция поликонденсации. Неудаляемые паяльные флюсы зарубежного и отечественного производства (ФПС-6, ФПС-6НК) широко предлагаются ныне на нашем рынке [20]. К сожалению, создатели таких флюсов пока остановились на уровне «шаг назад от ИКР». Электроизоляционные свойства защитных пленок хуже, чем у традиционных влагозащитных покрытий. Как следствие, такое техническое решение без оглядки может быть использовано только для неответственных применений.
2.4.2.2. Огласите, пожалуйста, весь список
Основной «загрязнитель» поверхности печатных плат – остатки паяльных флюсов. Основной, но не единственный. При проведении «мокрых» операций (химическая металлизация, гальваническая металлизация, травление и др.) поверхностный слой печатных плат загрязняется химическими соединениями преимущественно неорганической природы (соли, кислоты и др.). При проведении «сухих» операций (сверление, механическая обработка) на поверхности печатных плат могут появиться смазки и охлаждающие эмульсии. Окружающая среда, особенно атмосфера промышленных районов, также вносит свой посильный вклад в загрязнение поверхности печатных плат. Очень активным загрязнителем является сам человек. «Отпечатки» его пальцев содержат большое количество водорастворимых и в большинстве своем ионогенных соединений [12]:
Натрий хлористый, г/л 3,6
Уксусная и пропионовая кислоты, г/л 0,5
Мочевина, г/л 0,5
Кальций хлористый, г/л 0,3
Глюкоза, г/л 0,2
Калий хлористый, мг/л 30
Мочевая кислота, мг/л 30
Натрий сернокислый, мг/л 25
Те же «отпечатки» всегда содержат и жировые загрязнения, а иногда еще и остатки кремов для рук, женской косметики и др.
Поэтому спектр химических соединений, загрязняющих поверхность печатного узла чрезвычайно широк. Но все эти загрязнения можно грубо разделить на две большие группы: гидрофобные и гидрофильные. Именно такая классификация играет определяющую роль при выборе оптимального моющего средства и/или оптимальной технологии отмывки печатных узлов.
2.4.2.3. Гидрофильно-гидрофобный баланс
В дословном переводе гидрофильность означает любовь к воде, а гидрофобность – страх, неприязнь по отношению к ней. Если молекулы вещества сильно взаимодействуют с водой, например, образуя водородные связи, то говорят о его гидрофильности, при слабом взаимодействии говорят о его гидрофобности [21]. Гидрофильность присуща веществам близким по химическому строению с водой и, наоборот, гидрофобными свойствами обладают вещества очень далекие от воды по своей химической структуре.
Известно, что подобное растворяется подобном. Термодинамика говорит, что при этом уменьшается изобарно-изотермический потенциал системы. Как следствие, для удаления гидрофильных загрязнений нужно использовать гидрофильные растворители, а для удаления гидрофобных загрязнений – гидрофобные растворители. Но, если мы будем отмывать печатный узел сначала в гидрофильном растворителе (этиловом спирте), а затем в гидрофобном растворителе (бензине), или наоборот, то ничего хорошего не получится. Дело в том, что индивидуальный растворитель после испарения вновь оставит на поверхности то, что он ранее в себя вобрал: бензин – жировые загрязнения, а этиловый спирт – остатки канифоли и некоторые неорганические соединения.
Изобретательское решение заключается в том, что если этиловый спирт и бензин объединить в соотношении 1:1, то растворяющая и, самое главное, очищающая способность такой смеси будет гораздо лучше. Такая смесь уже давным-давно используется для отмывки печатных узлов (приоритет и авторы изобретения неизвестны). Какой же физический эффект лежит в основе этого изобретения? Говорят [18], что азеотропные свойства такой смеси. Азеотропные (нераздельнокипящие) жидкие смеси характеризуются равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз. При кипении таких смесей образуется конденсат того же состава, что и исходный раствор. Это очень затрудняет разделение жидких смесей методом перегонки. В технологии отмывки печатных узлов это свойство азеотропных смесей, наоборот, очень помогает. Спирто-бензиновая смесь – одна из примерно 10000 известных азеотропных смесей. Она растворяет загрязнения и, благодаря азеотропности, эти загрязнения удаляются с поверхности печатного узла вместе с ее парами.
К сожалению, спирто-бензиновая смесь крайне малоэффективно удаляет активаторы флюсов (органические кислоты или галогенопроизводные), остатки флюсов с низким содержанием твердого вещества (No-Clean), ионные водорастворимые загрязнения. Гораздо более эффективным оказалось использование для отмывки печатных плат спиртосодержащих жидкостей, основу которых составляет изопропиловый спирт. Гидрофильно-гидрофобный баланс растворителя в данном случае реализован в пределах одной молекулы изопропилового спирта. Большая часть этих жидкостей обладает универсальными моющими свойствами. Например, жидкость на основе модифицированных спиртов Zestron FA+ способна удалять канифольные флюсы, флюсы с низким содержанием твердых веществ, флюсы на синтетической основе и водосмываемые флюсы.
2.4.2.4. Гордиев узел
Независимо от того, какого рода составы используются для отмывки печатных плат, до недавнего времени их объединял один общий принципиальный недостаток – накопление загрязнений в моющих составах в процессе отмывки. Как следствие срок жизни таких составов ограничен. На практике отмывка печатных узлов часто проводится в нескольких ваннах (отмывка спирто-бензиновой смесью). В каждой последующей ванне количество загрязнений уменьшается. Установить бесконечное множество ванн, гарантирующих нулевое содержание загрязнений на финише процесса отмывки печатных узлов, невозможно. Обычно из соображений экономии используют не более трех ванн, причем по мере загрязнения производится еще и ротация моющих растворов. Как следствие, об идеальной чистоте поверхности печатных узлов можно только мечтать. Технологи иногда шутят, говоря о том, что они занимаются не отмывкой печатных узлов, а размазыванием грязи на их поверхности.
Физическое противоречие этой задачи:
ФП. Загрязнения в промывочной ванне (промывочной жидкости) должны накапливаться и не должны накапливаться.
Это непростое противоречие было разрешено. «Гордиев узел» удалось разрубить благодаря разработкам фирмы Zestron [22]. Разработанная ее специалистами MPC (Micro Phase Cleaning) технология сочетает преимущества моющих средств на водной и спиртовой основах и, самое главное, промывочные жидкости, с помощью которых реализуются эти технологии, теоретически могут работать бесконечно. На практике срок службы таких составов без замены достигает 1 года. Принцип действия МРС-технологии показан на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Принцип действия МРС-технологии.
Активные компоненты, присутствующие в промывочной жидкости, имеют форму микроскопических капель (микрофаз). Микрофазы могут эффективно удалять с поверхности печатного узла жировые загрязнения, остатки флюсов и т.д. Затем частицы загрязнений самопроизвольно переходят из объема микрофаз в водный раствор. Таким образом происходит самоочищение (регенерация) микрофаз. Микрофазы не накапливают загрязнения, как, например, ПАВ или спирто-бензиновая смесь, а всего лишь работают в качестве их переносчика (посредника). Поскольку частицы загрязнений в промывочной жидкости полностью не растворяются, они могут легко удаляться из раствора фильтрацией или снятием с поверхности.
Процесс отмывки строится на замкнутом цикле. Длительное время жизни промывочной жидкости и стабильно высокое качество отмывки обеспечивается оснащением ванны отмывки двухступенчатой системой поглощения остатков флюса и других загрязнений (механические фильтры с размером ячеек префильтра – 20 мкм и основного фильтра – 5мкм). MPC-технология реализуется при отмывке печатных узлов промывочными жидкостями на водной основе Vigon US, Vigon A 200, Vigon A 300 и др.
Очень интересное техническое решение. К сожалению, конкретика этого технического решения неизвестна. Разработчики, так же, как и рецепт Кока Колы, сохраняют его в глубокой тайне. Известно лишь то, что сверхвысокая растворяющая способность такого рода составов, увы, не очень «нравится» печатным узлам, изготовленным из отечественных материалов. Вместе с загрязнениями удаляются и маркировочные краски и, даже, части