真空技術(shù)在電裝工藝中的應(yīng)用

李　堯，成　鋼，趙光平

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州　730000）

真空技術(shù)在電裝工藝中的應(yīng)用

李堯，成鋼，趙光平

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

真空技術(shù)在電裝工藝中的應(yīng)用，主要是真空灌封、真空浸漆和真空涂覆等幾個(gè)方面。通過(guò)真空灌封將氣體絕緣轉(zhuǎn)換為固體絕緣，有效提高了產(chǎn)品的絕緣能力。真空浸漆工藝處理后絕緣漆覆蓋完全，提高了產(chǎn)品整體的絕緣強(qiáng)度和抗壓能力。真空涂覆通過(guò)氣相沉積在產(chǎn)品表面形成厚度均勻的薄膜，幾乎不改變產(chǎn)品外觀，并具有穩(wěn)定的介電常數(shù)，提高產(chǎn)品整體的高壓絕緣性能。通過(guò)真空技術(shù)在電裝工藝中的應(yīng)用，改進(jìn)了航天電子產(chǎn)品的絕緣防護(hù)工藝，確保航天電子產(chǎn)品質(zhì)量的可靠和安全。

真空技術(shù)；電裝工藝；真空灌封；真空浸漆；真空涂覆

0　引言

隨著真空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在航天、航空、高能物理、可控?zé)岷司圩儭⒈砻嫖锢?、半?dǎo)體與微電子等尖端科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。真空絕熱、干燥、蒸發(fā)、升華、蒸餾、凝結(jié)、濃縮、灌封、浸漆和涂覆等真空技術(shù)，在航天電子產(chǎn)品的電裝工藝中也得到廣泛的應(yīng)用。為了保證航天器件的可靠性和質(zhì)量篩選試驗(yàn)的要求〔1〕，提高航天電子產(chǎn)品的裝聯(lián)質(zhì)量，在航天電子產(chǎn)品裝聯(lián)工藝中，采用了真空灌封、真空浸漆和真空涂覆工藝技術(shù)，同時(shí)對(duì)其技術(shù)進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究。真空灌封技術(shù)將氣體絕緣轉(zhuǎn)換為固體絕緣；真空浸漆技術(shù)將電子產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)縫隙處理；真空涂覆技術(shù)將氣相沉積在產(chǎn)品表面，形成厚度均勻的薄膜，提高產(chǎn)品的絕緣性能，從而保證航天電子產(chǎn)品質(zhì)量。

1　真空灌封技術(shù)

1.1灌封機(jī)理

灌封是將液態(tài)灌封材料如環(huán)氧樹(shù)脂，用機(jī)械或手工方式灌入裝有電子元件的模具中，在常溫或加溫條件下將其固化成型的過(guò)程。真空灌封是灌封材料在真空條件下脫氣，然后在真空條件下灌入裝有電子元件的模具中，最后將其固化成型的操作工藝〔2〕。

由于在常壓下會(huì)出現(xiàn)灌封部件內(nèi)部的氣泡或漏料缺陷，很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量，這些缺陷造成產(chǎn)品絕緣性能下降，出現(xiàn)打火、電暈、飛弧等問(wèn)題，如圖1所示。采用真空灌封工藝后，很好地解決了氣泡或漏料缺陷等問(wèn)題。提高產(chǎn)品的絕緣性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1　常壓下灌封缺陷圖

1.2灌封實(shí)驗(yàn)材料的選擇

常用的灌封材料一般為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)和硅橡膠類(lèi)。環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)具有較好的導(dǎo)熱性能和附著力〔3〕，但在灌封過(guò)程中控制不當(dāng)或者工作時(shí)受環(huán)境溫度變化的影響，使材料的膨脹系數(shù)產(chǎn)生變化，產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)損壞元器件或焊點(diǎn)，固化期間的發(fā)熱也會(huì)對(duì)元器件造成損壞，而且環(huán)氧樹(shù)脂灌封后修復(fù)比較困難。通過(guò)分析采用硅橡膠類(lèi)作為灌封材料進(jìn)行試驗(yàn)。常用的單組份室溫硫化硅橡膠為GD414［4］，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試GD414主要性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1　單組份室溫硫化硅橡膠性能數(shù)據(jù)

硅橡膠的固化本質(zhì)是一種硫化反應(yīng)。室溫硫化硅橡膠是以粘度較低的聚硅氧烷為聚合物，在室溫下通過(guò)與濕氣或交聯(lián)劑混合均勻可硫化成彈性體［5］。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于操作時(shí)無(wú)法避免混進(jìn)氣體，而且GD414材料是從表面向內(nèi)部逐步固化的，從而造成在真空條件下，內(nèi)部氣體膨脹。

另一種常用材料是道康寧公司的有機(jī)硅彈性體，為雙組份硅橡膠材料，內(nèi)添加有導(dǎo)熱陶瓷粉，導(dǎo)熱性能較好，使用時(shí)按照一定的比例進(jìn)行配料，充分?jǐn)嚢韬箝_(kāi)始固化反應(yīng)。經(jīng)測(cè)試有機(jī)硅彈性體的主要性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2　道康寧有機(jī)硅彈性體性能數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于道康寧有機(jī)硅彈性體具有粘度小，流動(dòng)性大的特點(diǎn)，在真空條件下容易固化，材料內(nèi)部不易產(chǎn)生氣泡。單組份硅橡膠具有工藝容易實(shí)現(xiàn)，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。而雙組份有機(jī)硅彈性體由于固化過(guò)程中具有粘度小，流動(dòng)性好的特點(diǎn)，在真空下不易產(chǎn)生氣泡和空洞，單組份和雙組份的優(yōu)點(diǎn)相比，雙組份有機(jī)硅彈性體灌封效果優(yōu)于單組份硅橡膠。

1.3耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在常溫常壓和真空條件下，對(duì)兩種硅橡膠類(lèi)材料分別進(jìn)行了耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)。按照單組份硅橡膠和雙組份有機(jī)硅彈性體進(jìn)行測(cè)試，厚度在0.3 mm以下時(shí)，擊穿電壓都在3.5 kV以下；厚度在0.5 mm以上時(shí)，耐壓值可以達(dá)到5 kV以上，說(shuō)明硅橡膠作為灌封材料，在常溫常壓下，涂層的厚度一定要達(dá)到0.5 mm以上，才可以保證5 000 V以上的耐壓值。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所列。

表3　試件耐壓檢測(cè)結(jié)果

真空條件下耐壓強(qiáng)度測(cè)試首先是采用單組份硅橡膠。在常溫常壓下固化后，在真空條件下電壓升至1 500 V，真空壓力降至400 Pa時(shí)，出現(xiàn)大面積的真空放電現(xiàn)象，持續(xù)的電弧和輝光放電，造成產(chǎn)品明顯的燒損，從真空設(shè)備取出試件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樣品的電極尖端未徹底防護(hù)。

當(dāng)采用雙組份有機(jī)硅彈性體測(cè)試時(shí)，分別制作了0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm三種不同厚度的模具進(jìn)行灌封，在固化過(guò)程中進(jìn)行了真空除氣。真空度在0.1 Pa的狀態(tài)下，試件電壓逐步加到5 000 V時(shí)，也未出現(xiàn)拉弧放電等現(xiàn)象。取出試件進(jìn)行了認(rèn)真分析檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部有空腔、氣泡等缺陷。因此，只要在真空條件下內(nèi)部空氣排凈，就可以大幅提高絕緣性能。

1.4真空灌封工藝流程

真空灌封工藝流程主要包括清洗、預(yù)烘、表面處理、配料、攪拌、真空除氣等過(guò)程〔6〕，如圖3所示。

圖3　真空灌封工藝流程

首先設(shè)計(jì)制作了專(zhuān)用的灌封模具，在清潔、預(yù)烘環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行清理，并烘干產(chǎn)品和模具內(nèi)潮氣放入模具，然后配比灌封膠并攪拌，隨后對(duì)膠液真空除氣；由于灌封材料在常態(tài)下內(nèi)部有少量的氣體，同時(shí)在對(duì)它們進(jìn)行配比時(shí)也會(huì)混入少量的氣體，利用真空泵進(jìn)行“除氣”，將會(huì)減少灌封物質(zhì)內(nèi)部的氣體。

開(kāi)始“除氣”的時(shí)候，由于氣體較多，完全打開(kāi)真空閥提高真空度。當(dāng)真空室里的真空度達(dá)到0.1 Pa的要求時(shí)，灌封物質(zhì)就會(huì)沿著容器上升，此時(shí)微調(diào)真空閥，降低真空室的真空度，這時(shí)灌封材料將向下沉。由于真空室內(nèi)真空度的短時(shí)間變化，使得灌封材料中的氣泡破裂，有利于殘余氣體的排除。按照上述方法反復(fù)幾次以后，灌封材料內(nèi)部氣體基本排凈，如圖4所示。

圖4　真空灌封合格產(chǎn)品

2　真空浸漆技術(shù)

2.1浸漆機(jī)理

真空浸漆是排除工件空隙內(nèi)的空氣，增強(qiáng)漆的流動(dòng)性、滲透性和填充性能，使浸漆更為密實(shí)〔7〕，具有更高的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度。具體作法是在真空狀態(tài)下，將待浸工件放于一個(gè)密閉的容器中抽真空，然后將浸漆注入其中，使所有元器件、印制板、焊點(diǎn)、金屬緊固件無(wú)縫隙無(wú)遺漏地迅速浸透到工件的所有縫隙，達(dá)到浸漬目的。

2.2浸漆實(shí)驗(yàn)材料選擇

根據(jù)航天電子產(chǎn)品工作時(shí)對(duì)環(huán)境溫度的要求，選擇了兩種常見(jiàn)的聚氨酯絕緣漆。經(jīng)過(guò)認(rèn)真測(cè)試，對(duì)兩種絕緣漆的性能進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所列。

表4　聚氨酯絕緣漆性能比較

通過(guò)對(duì)兩種聚氨酯絕緣漆樣件的真空浸漆，如圖5所示，從浸漆樣件表面看兩者無(wú)明顯區(qū)別，漆膜較為均勻，漆層光滑明亮。通過(guò)對(duì)漆層厚度測(cè)量，真空浸漆一遍后漆膜厚度約在50～80 μm；兩遍后漆膜厚度約在100～160 μm?？紤]到浸漆工藝的涂覆材料受溫度變化影響發(fā)生縮漲，可能會(huì)對(duì)元器件產(chǎn)生一定的應(yīng)力作用，影響元器件焊點(diǎn)的可靠性，確定選擇柔韌性好的聚氨酯絕緣漆材料。

圖5　真空浸漆樣件

2.3耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)主要分為常溫常壓下和真空條件下的試驗(yàn)。在常溫常壓下，絕緣漆的耐壓值可以達(dá)到2 500 V以上。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所列。

表5　常溫常壓下試件耐壓檢測(cè)結(jié)果

在真空條件下，耐壓值可以達(dá)到5 000 V以上。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6所列。

表6　真空條件下試件耐電壓檢測(cè)結(jié)果

2.4真空浸漆工藝流程

真空浸漆工藝流程主要包括清洗、非浸漆部位保護(hù)、預(yù)烘、真空浸漆、固化等〔8〕過(guò)程。如圖6所示。

圖6　真空浸漆工藝流程

首先要按照正確比例配置絕緣漆，必要時(shí)絕緣漆內(nèi)可增加稀釋劑，以調(diào)節(jié)絕緣漆的粘稠度，隨后對(duì)絕緣漆進(jìn)行真空除氣。由于在真空環(huán)境下進(jìn)行浸漆，所以對(duì)于非浸漆部位（如產(chǎn)品外表面、電連接器）就需要進(jìn)行防護(hù)。在實(shí)際操作時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品的金屬外表面，在浸漆前使用聚酰亞胺壓敏膠帶和金屬鋁箔壓敏膠帶結(jié)合的方式進(jìn)行防護(hù)，在絕緣漆涂層初步固化后，去除膠帶進(jìn)行最終的固化處理。在清潔、預(yù)烘環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行清理，烘干潮氣后，根據(jù)產(chǎn)品的需要確定浸漆的次數(shù)。在實(shí)際操作中，在漆膜固化后檢查產(chǎn)品內(nèi)部浸漆質(zhì)量，尤其對(duì)尖端部位進(jìn)行檢查，必要時(shí)可采用手工補(bǔ)涂絕緣漆的工藝，以保證高點(diǎn)部位的漆膜厚度。

3　真空涂覆技術(shù)

3.1涂覆機(jī)理

真空涂覆是用于材料表面防護(hù)的先進(jìn)工藝，通常采用真空氣相沉積。在真空、常溫的環(huán)境下，對(duì)二甲苯自由基在物體表面逐漸聚合、沉積，形成覆蓋整個(gè)物體表面的高分子保護(hù)膜層。該材料具有優(yōu)異的電氣性能和物理機(jī)械性能，可以涂敷到任何形狀的表面，包括尖角棱邊、裂縫和針孔表面。在復(fù)雜的異形表面氣相沉積形成厚度均勻一致的微米級(jí)薄膜，并且有穩(wěn)定的不隨頻率改變的介電常數(shù)，在高頻應(yīng)用中保證了產(chǎn)品的高壓絕緣性能〔9〕。

3.2涂覆材料

真空涂覆技術(shù)是在真空罐里進(jìn)行氣相沉積，不存在陰影效應(yīng)，而且Parylene材料分子很小，可以沉積到真空罐里的印制板和機(jī)箱所有的表面。Parylene與聚氨酯絕緣漆等其它表面絕緣材料性能指標(biāo)如表7所列。

使用真空涂覆機(jī)進(jìn)行真空涂覆試驗(yàn)，在真空條件下沉積時(shí)間為10 h。涂覆完成后對(duì)表面進(jìn)行認(rèn)真觀測(cè)，Parylene-C涂層沉積較為均勻，光澤，無(wú)堆積現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)膜層厚度測(cè)量約為20 μm。

3.3耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)也分為常溫常壓下和真空條件下的試驗(yàn)。在常溫常壓下，Parylene-C涂層的耐壓值可以達(dá)到約3 500 V。真空條件下（真空度0.1 Pa）耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)，由于材料可以涂敷到任何形狀的表面，包括尖角棱邊、裂縫和針孔表面，而且厚度均勻一致，相對(duì)于真空浸漆，該工藝彌補(bǔ)了尖端部分絕緣厚度不足的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)也得到證實(shí)，在真空條件下，樣件的耐壓值達(dá)到4 000 V以上。

表7　絕緣涂層材料性能對(duì)照表

3.4真空涂覆應(yīng)用

真空涂覆技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)工藝，已經(jīng)應(yīng)用在液態(tài)涂料無(wú)法涉及的學(xué)科中，如微電子和半導(dǎo)體、混合電路、印刷電路板、傳感器和換能器、磁芯、醫(yī)用儀器、文物保護(hù)等［10］。與其他材料相比，涂層厚度可更薄，均勻致密，25 μm厚度的一般材料擊穿電壓只能達(dá)到1 000 V，而相同厚度的Parylene材料擊穿電壓達(dá)到4 000～5 000 V，提高了產(chǎn)品整體的高壓絕緣性能。

4　結(jié)論

綜上所述，這三種電裝工藝都采用了真空技術(shù)，收到很好的效果，達(dá)到了預(yù)期目的。灌封技術(shù)將氣體絕緣轉(zhuǎn)換為固體絕緣，有效的提高了產(chǎn)品絕緣能力，保證了高壓電在低氣壓下正常工作；浸漆技術(shù)將產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行無(wú)縫隙、無(wú)遺漏的涂覆處理，提高產(chǎn)品整體的絕緣強(qiáng)度和抗高壓能力；涂覆技術(shù)通過(guò)氣相沉積，在產(chǎn)品表面形成厚度均勻一致，并具有穩(wěn)定介電常數(shù)的薄膜，提高了產(chǎn)品整體的高壓絕緣性能。提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了技術(shù)含量，保證了產(chǎn)品在真空環(huán)境下可靠工作。今后，需要進(jìn)一步利用真空技術(shù)，完善工藝流程，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

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APPLICATION OF VACUUM TECHNOLOGY TO TECHNICS OF ELECTRIC ASSEMBLE

LI Yao，CHENG Gang，ZHAO Guang-ping
（Lanzhou institute of Space Technology and Physics，Lanzhou 730000，China）

The application of vacuum technology to technics of electric assemble mainly includes vacuum encapsulation，vacuum impregnating and vacuum coating.The Insulation performance of products has been truly enhanced by vacuum encapsulation which switched gas isolation to solid isolation。The products has been entirely covered by insulated varnish after vacuum impregnating technic，and the insulation intensity and resist press capability of products has been enhanced.Products has been filmed uniformly by vapor deposition through vacuum coating technic and has high insulation intensity.Through application of vacuum technology to technics of electric assemble，insulating technics of space electronic products has been improved and provided high reliability and security guarantee for space electronic products.

vacuum technology；electronical installation technology；vacuum encapsulation；vacuum impregnating；vacuum coating

TM21

A

1006-7086（2015）02-0119-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.013

2015-03-02

李堯（1981-）男，陜西子長(zhǎng)縣，工程師，主要從事航天電子產(chǎn)品的電裝工藝技術(shù)的研究。E-mail：46116380@qq.com。