電氣電子灌封在電力電子設(shè)備中的應(yīng)用及實現(xiàn)

黃華強(qiáng)，王浩龍，高小清，羅小強(qiáng)，徐長磊

（廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860）

電力電子設(shè)備在日常使用過程中，易受到潮濕氣體、凝露、鹽霧、酸堿氣體腐蝕等環(huán)境因素的影響，存在故障發(fā)生率高和使用壽命縮短等問題，這需要對PCBA板、部分電子器件進(jìn)行灌封處理，采用科學(xué)合理的灌封工藝，避免電力電子元件受到外部環(huán)境腐蝕等影響而出現(xiàn)運行故障，進(jìn)一步提升整流電源產(chǎn)品防腐等級和使用壽命，為提高電力電子產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)支撐與保障。因此，應(yīng)該深入研究國內(nèi)主流的電氣灌封材料，結(jié)合電力電子產(chǎn)品在具體應(yīng)用過程中存在的問題，通過對樣品進(jìn)行泡水試驗、鹽霧試驗、燃燒試驗來對比分析，并結(jié)合附著力、環(huán)境影響、價格等因素對灌封材料進(jìn)行選型，并對灌封工藝進(jìn)行研究，最終確定灌封工藝方法并編寫工藝規(guī)程。

1 電路板灌封膠的選型及實現(xiàn)

針對復(fù)雜惡劣的使用環(huán)境，采用灌封密封膠可以對電力電子設(shè)備中的電路板提供良好的防護(hù)作用，避免機(jī)械強(qiáng)振動和高速撞擊對電子器件精密度產(chǎn)生影響，確保電路板可以在長期暴露腐蝕性化學(xué)氣體、浸沒于腐蝕性液體或環(huán)境溫度發(fā)生劇烈變化時不受到損壞，這就需要根據(jù)使用環(huán)境來采用恰當(dāng)?shù)墓喾獠牧虾凸に嚒?gòu)成電力電子設(shè)備的元件根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行合理布置與連接，再采用灌封材料進(jìn)行密封，實現(xiàn)電子元器件與外部環(huán)境的隔離，可以避免環(huán)境中的水分、灰塵和腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入而造成損壞，把灌封后的膠體與電子元器件形成整體，可以提升設(shè)備的整體抗沖擊性能。常規(guī)電路板處理多采用三防涂覆工藝，對防腐等級和電氣性能要求高的電子精密器件需要進(jìn)行灌封處理，電子元器件灌封膠主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯和有機(jī)硅3個種類。

1.1 環(huán)氧樹脂灌封材料

該灌封材料主要特征是于分子兩端都存在環(huán)氧基，通過環(huán)氧基團(tuán)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成熱固性物質(zhì)，苯環(huán)分子結(jié)構(gòu)具有剛性特性，次甲基、醚鍵等化學(xué)結(jié)構(gòu)具有柔性特性，上述分子結(jié)構(gòu)的存在可以環(huán)氧樹脂灌封材料在固化以后具有良好的物理性能。一般情況下，環(huán)氧樹脂為混合狀物質(zhì)，液體條件下的環(huán)氧樹脂不具有太多的使用價值，需要添加合適比例的固化劑，通過固化反應(yīng)形成

膠劑，當(dāng)有額外灌封工藝要求里還需要加入活性炭、玻璃微珠等其它成份，才能達(dá)到稀釋、增韌等性能要求，才可用于電子元件器封灌領(lǐng)域。環(huán)氧樹指灌封材料分子間具有較強(qiáng)的內(nèi)聚力，內(nèi)應(yīng)力小且不易開裂，黏結(jié)性強(qiáng)且電性能良好，配方設(shè)置靈活且不存在雜質(zhì)。按照固化方法的不同可劃分為2種方式，一種為不采用固定劑，進(jìn)行加熱處理就可以形成固化反應(yīng)則為單組份灌封膠，另一種為與固化劑分別存放的雙組份灌封膠，可根據(jù)使用要求和環(huán)境特性合理配置成不同的成分比例，可以形成不同配方來滿足不同的使用要求，不同配方條件下的固化產(chǎn)物具有不同的分子結(jié)構(gòu)與性能，即便是相同的配方，也會受到灌封工藝和環(huán)境因素的不同而存在硬度、密度和韌性等方面的差異。以HL-1112雙組份環(huán)氧樹脂灌封材料為例，具有高透明性可在灌封后可以清楚地看到內(nèi)部電子元件，具有很好的耐候性和絕緣性，抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)到7～9kg/cm/mm2、彎曲模具為7～10kg/mm2、抗壓強(qiáng)度為21～23kg/mm2、溫度區(qū)間為-40～110℃。

1.2 聚氨脂灌封材料

聚氯基甲酸酯材料已經(jīng)在汽車制造、航空航天、電子灌封等領(lǐng)域得到應(yīng)用，電子灌封采用聚氨脂澆注彈性體。聚氨酯為復(fù)雜高分子，具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不同的制造工藝可使得聚氨脂產(chǎn)物存在較大的差異，硬度跨度可從A至D，比其他的電子灌封材料具有更好的硬度優(yōu)異性，但脆性卻劣于環(huán)氧樹脂材料，而強(qiáng)度性能比較好，有機(jī)硅材料無法達(dá)到上述性能，具有很好的附著力、黏結(jié)力、耐溫和耐水性能，可以吸收外界沖擊能量。采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫進(jìn)行灌封時，發(fā)泡會受到環(huán)境、氣壓等因素影響而使氣泡分布不均，澆注后也會存在分布不均等問題，無法將吸能、隔振性能真正發(fā)揮出來，在真空環(huán)境下對聚氨酯材料進(jìn)行配置與澆注灌封更好。

1.3 有機(jī)硅灌封材料

有機(jī)硅灌封材料有縮合與加成兩種類型，縮合型有機(jī)硅在催化劑作用下，在室溫條件下遇到濕氣或混勻會產(chǎn)生縮合反應(yīng)，生成具有網(wǎng)絡(luò)狀的彈性體，還會釋放到水、二氧化碳等小分子化合物，加成型有機(jī)硅可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，固化時不會形成小子分物質(zhì)，具有良好的收縮率，可以滿足多種灌封工藝，有著很高的生產(chǎn)效率，具有取代縮合型有機(jī)硅的趨勢。加成型有機(jī)硅線性收縮率＜1.0%，可以實現(xiàn)深層固化且不會形成副產(chǎn)物，電氣性能絕緣性、耐熱性和耐濕性能良好，可根據(jù)使用要求選擇不同的填料。

1.4 電子元器件灌封性能對比

三種電子元器件灌封膠性能比較，如表1所示。

表1 灌封材料性能對比表

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，有機(jī)硅灌封材料具有無色透明、強(qiáng)性好，耐高濕和耐溶劑等優(yōu)點，成型時會釋放具備較小的內(nèi)應(yīng)力，不會對精密的電子元器件造成損傷，可以選擇加成型有機(jī)硅作為灌封材料。硅凝膠是灌封硅膠材料中的一種，具備良好的彈性、較高的純度和較好的耐高溫性能，液態(tài)成型時可達(dá)到-40°柔軟性，固化成型以后為半凝狀態(tài)，受到外力擠壓和破損后可實現(xiàn)自動愈合，嚴(yán)密性高且具有很好的防潮防水性能，對環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，可應(yīng)用于精密電子元器件、電氣模塊等的封裝處理，電源產(chǎn)品電子元件灌封可選用硅凝膠。

2 電路板灌封膠的分析和選擇

根據(jù)電力電子產(chǎn)品的實際情況，選擇市面上主流的電子灌封硅凝膠，進(jìn)行泡水試驗、鹽霧試驗、燃燒試驗等數(shù)據(jù)對比分析，并結(jié)合附著力、環(huán)境影響、價格等因素來對硅凝膠進(jìn)行選型。并根據(jù)實際情況與選型結(jié)果，對硅凝膠的灌封工藝進(jìn)行研究，確定灌封工藝方法，編寫工藝規(guī)程，具體對比試驗數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 市面主流硅凝膠對比試驗

對比實驗采用相同的電路板，測量A、B兩點間的阻值后采用不同型號的硅凝膠對電路進(jìn)行灌封。對灌封后的電路板分別進(jìn)行耐水、耐鹽霧試驗，持續(xù)72h后測A、B兩點間的阻值，對不同硅凝膠灌封的電路板防護(hù)效果評價。結(jié)果表明，耐鹽霧實驗測試中，C膠、E膠表現(xiàn)不好，A膠次之，B膠、D膠表現(xiàn)最好。但泡水性能試驗和燃燒試驗，B膠略好于D膠，而且價格相對便宜。所以，依據(jù)本實驗初步結(jié)論，優(yōu)選B膠，次選D膠。但實際的選型中，還需要結(jié)合考慮材料的固化性能，是否有硅油析出等因素。

3 PCBA板灌封工藝

采用的灌封處理PCBA板工藝，可作為同類產(chǎn)品的參考：（1）確認(rèn)待灌封的PCBA板是否合格。PCBA板必須通過檢測合格才能進(jìn)行灌封；及檢查表面是否整潔，如PCBA板表面有灰塵、錫珠、焊渣等影響灌封質(zhì)量問題的，需退給檢測人員處理。（2）對封裝外殼進(jìn)行密封處理，涂密封膠。把硅橡膠裝在針筒里，用針筒在塑料外殼的密封槽上打一圈硅橡膠進(jìn)行密封，打膠必須連貫無缺口，均勻。（3）密封硅橡膠固化。等待硅橡膠固化后進(jìn)行灌封。硅橡膠固化時間視天氣變化、室內(nèi)溫度變化而定，常溫（25℃左右）半小時初固，24h全固。常溫加熱100℃，20min，待冷卻后可基本固化。（4）灌封。灌封膠以產(chǎn)品說明書推薦比例勾兌攪拌均勻，用定量注射的方式灌封模塊，注射時速度均勻。常溫灌封膠灌封可操作時間約為50min。（5）清理殘膠。灌封后的PCBA板要先清理灌封口上殘留的灌封膠，否則，固化后將難以清理。（6）灌封膠固化。將灌封后的PCBA板靜置平整的桌面等待灌封膠固化，常溫固化時間為8～24h。（7）檢查。檢查PCBA板是否有灌封膠泄漏，如有泄漏需返工灌封。

4 灌封質(zhì)量問題及解決辦法

4.1 電子灌封膠

雙組分灌封膠固化時間隨溫度變化，溫度越高固化越快。當(dāng)常溫超過35℃后，灌封膠固化時間變快，可灌封操作時間變短，器件還沒灌滿時灌封膠已經(jīng)開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)逐漸固化，流動性變低而影響灌封效果，造成空鼓、氣泡多、灌封效率低等現(xiàn)象，可在B料單獨攪拌前加入適量延時劑，溫度越高延時劑添加比例越高，可以解決空鼓、氣泡多、灌封效率低的問題。

灌封器件里的物質(zhì)（玻璃膠、黃臘管等）容易與灌封膠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致灌封膠不固化或固化不充分，產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，需對灌封器件做器件膠中毒反應(yīng)實驗，確認(rèn)灌封器件里的物質(zhì)不會與灌封膠產(chǎn)生中毒后再進(jìn)行灌封操作，避免灌封膠與灌封體產(chǎn)生中毒反應(yīng)。灌封器件如有間隙無法排氣，導(dǎo)致灌封后灌封不足、氣泡等缺陷，需要重新補(bǔ)膠。可在灌封器件殼體上開合適的排氣孔，減少灌封不足、氣泡等缺陷，提高灌封質(zhì)量。

器件灌封完后，灌封膠會緩慢地滲透或氣泡向上排出，灌封口位置的灌封膠減少，導(dǎo)致灌封口存在灌封不足，影響灌封質(zhì)量及外觀。正常灌封完成后，需要30～40min才能完成排氣，灌封完成后，30min左右進(jìn)行一次補(bǔ)膠，避免灌封口灌封不足。

4.2 硅凝膠

硅凝膠在固化過程中與PBT材質(zhì)等外殼產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致硅凝膠中毒，無法固化或固化不充分，影響PCBA板的使用及性能，在灌封完后的40min內(nèi)，放在加熱平臺上加溫60℃，1h固化。加溫狀態(tài)的硅凝膠固化時間比硅凝膠與外殼產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的時間更快，避免了中毒反應(yīng)，杜絕硅凝膠不固化或固化不充分的現(xiàn)象，保證PCBA的性能及正常使用。

硅凝膠張力大，容易黏附在導(dǎo)電連接處并擴(kuò)張滲透，影響電氣連接，可用硅橡膠進(jìn)行圍壩處理，進(jìn)行隔斷。

5 結(jié)語

該灌封工藝推廣應(yīng)用到電力電子設(shè)備的PCBA板及變壓器等器件，特別是高頻整流電源，能很好地提高電力電子設(shè)備在實際使用環(huán)境下的防腐能力，大大減少了因為腐蝕問題引起的故障，從而提高了電力電子設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性。