Технологии в электронной промышленности №3'2005

Все взаимопроникает, все... Полимеры в радиоэлектронной промышленности

Владимир Уразаев


В течение 2003-2004 годов редакцией журнала «Компоненты и технологии» была предпринята смелая акция — приобщить «электронщиков» к химии, точнее — к химии полимеров. Речь идет о цикле статей Александра Воробьева о смолах (полимерах), применяемых в радиоэлектронной промышленности [1]. Поскольку потенциальные ученики в большинстве своем предпочитают то, «что не работает», тому, «что воняет», поставленная задача относилась к разряду суперсложных. В в данной статье сделана попытка рассказать о них же, о полимерах, но несколько в ином плане.


Любознательные химики

Нанотехнологии — ныне самое модное направление в науке. Каких только чудес не ожидает от них человечество! По мнению экспертов, такие технологии, наряду с информационными технологиями и биотехнологиями, станут фундаментом научно-технической революции в XXI веке. Как это следует из названия, нанотехнологии реализуются на уровне молекул («нано» — 10-9). Говоря о нанотехнологиях, большинство из нас не принимает во внимание то, что химики уже в течение нескольких веков работают на этом самом молекулярном уровне. Поэтому «изобретательский уровень» и «практическая применимость» у таких технологий налицо, а вот с «новизной» большие проблемы. И, если основоположником нанотехнологии назвать Дмитрия Ивановича Менделеева или иного великого химика, большой ошибки, думаю, не будет.

За долгие годы упражнений по конструированию на молекулярном уровне химиками создано великое множество оригинальных технических решений. Какие-то стали следствием «научного тыка», какие-то — результатом «удовлетворения учеными собственного любопытства за государственный счет». С некоторыми знаковыми событиями в области развития современной химии можно познакомиться на одном сайте в Интернете [2].

Поподробнее о любопытстве. Из школьной химии нам известна формула бензола: С6Н6. Это простейшее химическое соединение с кольцевой структурой. Любознательные химики (на спор?) поставили задачу продеть кольцо одной молекулы в кольцо другой. В результате появился новый класс химических соединений — катенаны (от лат. catena — цепь) [3]. Катенаны — это соединения, молекулы которых состоят из двух или более циклов, продетых один в другой подобно звеньям цепи. Циклы связаны между собой не химической связью, а так называемой топологической (механической) связью. Смотрите, например, соединение формулы 1.

Думаю, что читателям интересно узнать, как же им это удалось? Подковать блоху оказалось не так-то просто. Одни пошли по пути направленного синтеза. Итоговая схема включала более 20 стадий присоединения, циклизации и разрыва связей. Другие отдались воле случая, проводя циклизацию длинноцепных молекул в растворе, содержащем макроциклы других молекул. В обоих случаях выход реакции был весьма далек от желаемого. Но, несмотря на это, задача была успешно решена!

Для любознательных физиков могу поставить обратную задачу: как эти кольца разъединить, не нарушая при этом их целостности?

Что такое ВПС

К сожалению, мне не известно, нашли ли практическое применение катенаны. По химическим свойствам они оказались аналогичными образующим их циклам. А вот их высокомолекулярные аналоги уверенной поступью захватывают все новые и новые территории.

Исторически термин «взаимопроникающие полимерные сетки» (ВПС) возник при проведении полимеризации смеси двух мономеров в таких условиях, когда при этом возникали два пространственных гомополимера, а не сополимер. Эти две тесно сосуществующие сетки гомополимеров были названы взаимопроникающими. Между ними отсутствуют химические связи, но их нельзя разделить именно в силу взаимопроникновения. В развитии теории ВПС принимало участие множество ученых. Всеобщее признание получили работы Л. Сперлинга [4, 5]. В Советском Союзе мозговой центр находился в АН УССР (работы Ю. С. Липатова). К прикладным аспектам использования ВПС имеет отношение и автор статьи [6, 7].

Если говорить шире, то ВПС можно определить как комбинацию двух сетчатых полимеров (полимер 1 и полимер 2), когда, по крайней мере, один из них синтезирован и/или сшит в непосредственном присутствии другого. Следует отметить, что Г. Фриш, один из ученых, имеющий непосредственное отношение к открытию ВПС, длительное время занимался изучением катенанов.

Рис. 1. Схема синтеза одновременных ВПС. Сплошными линиями изображена сетка полимера 1 (Р1), штриховыми линиями — полимера 2 (Р2), узлы сетки — жирные точки, прямоугольники — мономеры, X — сшивающие агенты
Рис. 2. Схема синтеза последовательных ВПС. Сплошными линиями изображена сетка полимера 1 (Р1), штриховыми линиями изображена сетка полимера 2 (Р2), узлы сетки — жирные точки, прямоугольники — мономеры, X — сшивающие агенты

В зависимости от способа получения различают одновременные и последовательные ВПС.

На рис. 1 приведена схема получения одновременных ВПС.

Образование одновременных ВПС происходит в однородной смеси двух мономеров и соответствующих каждому их них сшивающих агентов. Для образования таких ВПС необходимо, чтобы образование двух полимерных сеток происходило по разным (независимым) механизмам: ступенчатая полимеризация и цепная полимеризация, поликонденсация и цепная полимеризация и др.

Необходимыми условиями получения идеальных одновременных ВПС являются также одновременность начала гелеобразования обоих полимеров и их полная совместимость. На практике эти условия выполняются очень редко. Чаще всего имеет место разделение фаз, и взаимопроникновение происходит лишь в зонах, прилегающих к границе их раздела. Любознательным химикам все же удалось синтезировать идеальные одновременные ВПС, но оказалось, что вопреки ожиданиям выдающимися свойствами они не обладают. Обладают таковыми реальные одновременные ВПС, позволяя получить более высокий уровень физико-механических свойств, чем это было в исходных полимерах или обычной смеси этих полимеров.

Одновременные ВПС реализуются в продуктах, используемых в различных областях техники. Чаще всего одним из полимеров ВПС является эпоксидная смола. Для специалистов в области радиоэлектроники ближе всего компаунды, используемые в производстве дискретных радиоэлементов и интегральных схем (К-115, К-139, К-153 и др.). Композиции на основе эпоксидной смолы и полисульфидного каучука применяются в качестве адгезивов и герметиков. На основе эпоксидной смолы и диаллилфталата можно изготавливать прессовочные композиции. Для получения жестких пластиков используется сочетание эпоксидная смола — полиуретан.

На рис. 2 приведена схема синтеза последовательных ВПС.

Термин «последовательные ВПС» связан с временной последовательностью полимеризации. Полимерная сетка 1 может быть получена любыми известными методами. Затем мономер 2 совместно со сшивающим агентом в результате диффузии проникает в полимерную сетку 1 и полимеризуется in situ. Последовательные ВПС позволяют реализовать полимерные материалы с более плотной упаковкой полимерных цепей со всеми вытекающими из этого последствиями. В зависимости от того, на какой стадии был прерван процесс диффузии, можно получить равномерное по объему образца распределение полимера 1 и полимера 2, или градиентное распределение. В градиентных ВПС соотношение сетчатых структур полимера 1 и полимера 2 изменяется по толщине образца. Такие ВПС являются очень удачным техническим решением для получения изделий с изменяющимися по толщине физическими свойствами (плотность, показатель преломления и др.).

У кого что болит

Ключевые слова этого раздела: «печатная плата» и «влагостойкость».

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяется многими факторами. Для всепогодной РЭА, предназначенной для эксплуатации в экстремальных условиях, на первое место выдвигается обеспечение ее влагостойкости. Влагостойкость РЭА определяется преимущественно диэлектрическими характеристиками подложки печатной платы (стеклотекстолита) и влагозащитного полимерного покрытия (лак, защитная паяльная маска и др.). В условиях воздействия влаги диэлектрические свойства ухудшаются. Результат — отказ или даже самовозгорание РЭА. Микроминиатюризация в электронике ведет и к микроминиатюризации печатных плат. Зазоры между проводниками уменьшаются до 40 мкм и менее. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита становятся явно недостаточными. Печатные платы ограничивают микроминиатюризацию РЭА в целом.

Все сказанное выше относится к абсолютным истинам. До недавних пор считалось, что уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита в готовой печатной плате не может быть выше, чем в исходном стеклотекстолите. На практике он бывает только ниже. Причина проста: многократные термические и химические «ожоги», которые стоически переносит стеклотекстолит при изготовлении из него печатной платы. Эти, казалось бы, тоже абсолютные истины удалось превратить в относительные. Оказалось, что

в готовой печатной плате можно реализовать более высокий уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита, чем в исходном базовом материале [7]. Помогли же сделать это ВПС, точнее — последовательные ВПС, а еще точнее — градиентные последовательные ВПС.

Говорят, что первенство в практическом использовании ВПС принадлежит изобретателю резины Гудьиру [4]. Еще в 1844 году ВПС вольно или невольно были реализованы им при вулканизации каучука. «Чуть» позже, в 1988 году, ВПС вольно или невольно были реализованы автором при проведении экспериментов с печатными платами.

Известно, что уровень сопротивления изоляции печатных плат определяется преимущественно состоянием поверхностного слоя стеклотекстолита [8]. Усовершенствованию этого поверхностного слоя и были посвящены эксперименты с печатными платами, завершившиеся разработкой специальной технологии, названной позже полимеризацион-ным наполнением [9].

Полимеризационное наполнение включает две основные стадии:

    1. Диффузию жидкой композиции на основе непредельных бифункциональных мономеров в поверхностный слой стеклотекстолита печатной платы.

    2. Отверждение (полимеризацию) этой композиции в объеме стеклотекстолита при термообработке.

    Налицо абсолютное совпадение с методами получения градиентных последовательных ВПС. В данном случае полимер 1 — эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита, а полимер 2 — трехмерная полимерная сетка, получаемая при полимеризации бифункционального мономера.

    Эффективность же технологии превзошла все ожидания. Если в «хороших» печатных платах уровень сопротивления изоляции при испытаниях на влагостойкость увеличивался на 1, 2, 3 порядка, то в «плохих» — даже в 109 раз.

    Образование ВПС в стеклотекстолите печатной платы было доказано различными инструментальными методами. Косвенным доказательством того же стал неожиданный, на первый взгляд, факт: используя полимеризационное наполнение, заведомо худший российский стеклотекстолит можно сделать лучше зарубежного аналога. (Речь идет преимущественно об уровне поверхностного сопротивления изоляции.) Объясняется это тем, что диффузионная проницаемость эпоксидной полимерной матрицы для мономера у первого выше, чем у второго. Поэтому, при прочих равных условиях, на финише полимеризационно-го наполнения наш стеклотекстолит опережает своих зарубежных собратьев.

    Аналогичные технологии были предложены и для модификации структуры влагозащитного полимерного покрытия (защитная паяльная маска, лак) [10, 11]. Эти способы наконец-то позволяют реализовать давнишнюю мечту технологов — связать в единое целое влагозащитное полимерное покрытие и стеклотекстолит. А связующим элементом этих объектов становится трехмерная полимерная сетка, получаемая при полимеризации бифункционального мономера.

    Красавицей я не была

    Очень часто бывает так, что человеческие изобретения природа уже давно и успешно использует в самом же человеке. Так, например, в нуклеиновых кислотах были обнаружены фрагменты, аналогичные по структуре катенанам [3]. В свою очередь, человек, используя эти (общие?) изобретения, пытается усовершенствовать самого себя.

    Интересна история открытия цианакри-латных клеев (эфиров α-цианакриловой кислоты). Измеряя показатель преломления све-жеперегнанного метил-а-цианакрилата, сотрудники фирмы Eastman Kodak (США) обратили внимание на невозможность разъединения призм рефрактометра [ 12]. В результате уже через год появились первые промышленные цианакрилатные адгезивы. Это так называемые «блиц-клеи» или «момент-клеи».

    Уникальность этих клеев заключается еще и в том, что гидроксилсодержащие соединения являются ускорителями их полимеризации. Следствие этой уникальности — возможность «намертво» склеивать биообъекты, в которых гидроксилов видимо-невидимо. Такие клеи получили распространение в хирургической практике. И, если цианакри-латный клей случайно попадет вам на кожу, имейте в виду, что через некоторое время удалить его можно будет только с кожей. Химические связи, особенно если их много, разорвать не так-то просто. Кстати, те же проблемы вас ожидают при работе с продуктами на основе изоцианатов (отвердитель ДГУ, монтажные строительные пены).

    «Намертво» прикрепить друг к другу два биообъекта, или прикрепить что-либо к биообъекту можно и без образования химических связей. Достаточно использовать ВИС ТРИЗовское решение [13]! Химических связей между объектами нет, и в то же время для того чтобы разъединить эти объекты, химические связи нужно разорвать.

    Что же может скрываться за словами «объекты»? На сайте американской корпорации American Beauty International [14] предлагается широкий ассортимент продукции, предназначенной для того, чтобы женщины стали еще красивее. В этом ассортименте мы видим, по крайней мере, два продукта, при объяснении принципа действия которых используются такие знакомые слова: ВПС и патент.

    Объекты усовершенствования — ногти. Для наращивания ногтей предлагается использовать «первый в мире мономер с самой большой силой сцепления, не требующий праймера... основанный на эксклюзивной технологии взаимопроникающей сетки».

    Этот (первый ли?) мономер способен проникать в кератиновые пластины ногтей и при последующей полимеризации в результате образования ВПС «намертво» прикреплять накладные ногти. Другое предложение — «оригинальная акриловая пудра с взаимопроникающей сеткой для придания естественного вида ногтям».

    А вот изобретение Святослава Федорова [15] позволит слегка подремонтировать другой биообъект — глаза. Для замены роговой оболочки глаза при ее помутнениях предложено использовать керапротез, опорная и оптическая части которого соединяются друг с другом за счет переходной зоны взаимопроникающих полимерных сеток.

    Еще один пример. Если вы сидите в стоматологическом кресле и чувствуете характерный сладковатый запах метилметакрилата, с высокой долей вероятности у вас во рту происходит рождение ВПС. Чаще всего это полу-ВПС (полимер 1 — линейный полимер, полимер 2 — трехмерный полимер). Такие ВПС образно называют «змея в клетке» [4].

    Цело идет к тому, что ВПС становятся необходимыми и неотъемлемыми элементами кос-метологических салонов и медицинских клиник. Попытаюсь спрогнозировать дальнейшее развитие событий в области медицины красоты. На мой взгляд, ВПС затаились перед прыжком на скандально известные силиконовые имплантаты. Преимущества ВПС очевидны. Во всяком случае, хотя бы о таком необычном явлении, как «вывих груди», можно будет забыть навсегда. Недостатки, скорее всего, тоже есть. И над их устранением, думаю, трудится не одна светлая голова.

    Быть может, кому-то покажется, что медицина красоты уж очень далека от тематической направленности журнала. Как знать... Способы влагозащиты печатных плат [ 10,11 ], по сути дела, мало чем отличаются от способов формирования накладных ногтей. И вообще, широкий кругозор еще никогда и никому не мешал.

    Заключение

    Молекулярная архитектура вновь синтезированных химических соединений бесконечно разнообразна и фантастически богата. Получены молекулы-ромбоиды — структурные элементы одномерных металлов; протонные «губки» и «трубки» — молекулярно-организованные протононесущие резервуары и каналы; молекулы-тороиды; крауны

    и антикрауны, способные разделять катионы и анионы; гипервалентные радикалы; высокоспиновые молекулы, имеющие десятки не-спаренных электронов в одной структуре; многопалубные полиароматические молекулы; молекулы с огромным числом хираль-ных центров и т. д. [2]. Многие из искусственно полученных соединений могут навсегда остаться экзотикой. Судьба других не так трагична. Так, катенаны стали прародителями ВПС, с использованием которых, как оказалось, можно решить множество реальных проблем сегодняшнего и завтрашнего дней.

    Чуть-чуть пофантазируем о завтрашнем дне. Биологические чипы сегодня — фантастика, завтра — реальность? А технология их объединения с печатной платой уже готова (читайте выше). Если же союз такого чипа с печатной платой окажется чуть жестче, чем нужно, можно вспомнить еще об одном прикладном аспекте использования ВПС. На основе градиентных последовательных ВПС можно получать материалы с переменной жесткостью по толщине (демпфирующие материалы). И так далее и тому подобное.

    В руках у конструкторов и технологов появился замечательный инструмент для практической реализации самых смелых и амбициозных замыслов.

    Литература

    1. Воробьев А. Смолы, применяемые в радиоэлектронной промышленности // Компоненты и технологии. 2003. №3,4,6-8.2004. № 2,3.
    2. w ww.chemnet.ru/rus/publ/Buchachenko/buch2.h tml/li>
    3. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 2 / Ред-кол.: Кнунянц И. Л. и др. М.: Советская Энциклопедия. 1990.
    4. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы / Пер. с англ. М.: Мир. 1984.
    5. Мэнсон Дж, Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия. 1979.
    6. Уразаев В. Полимеризационное наполнение: новые технологии, контрафактные предложения // Компоненты и технологии. 2004. № 4.
    7. Уразаев В. Время — вперед! // Технологии в электронной промышленности. 2005. №1.
    8. Медведев А. М. Надежность и контроль качества печатного монтажа. М.: Радио и связь. 1986.
    9. w ww.urazaev.narod.ru
    10. Уразаев В. Г. Способ влагозащиты печатных плат по заявке РФ № 2003138069 от 29.12.2003.
    11. Уразаев В. Г. Способ влагозащиты печатных плат по заявке РФ № 2004101214 от 14.01.2004.
    12. Притыкин Л. М., Кардашов Д. А., Вакула В. Л. Мономерные клеи. М.: Химия. 1988.
    13. Уразаев В. ТРИЗ в электронике // Компоненты и технологии. 2005. № 2-5.
    14. ht tp://abi.avigal.com.ua
    15. Федоров С. Н., Багров С. Н., Новиков С. В. и др. Керапротез. Пат РФ № 2124331.

    Другие статьи по этой теме


     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

    Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
    Хорошо
    Нормально
    Плохо

    Аренда помещений
    Аренда помещений Свободного назначения от Собственника. Онлайн подбор
    nikvrn.ru
    Ткани для штор
    Подбор тканей для штор по цвету, фактуре. Интернет магазин тканей.
    zashto.ru
    Остенил плюс
    остенил плюс
    остенил.рф