RTV硅橡膠-直插二極管體系的粘固界面應(yīng)力模擬研究

周鵬偉，劉濤，劉瑜，王珂，許均江，馬禎

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

引言

室溫硫化（RTV）硅橡膠，是指在室溫下不需要加熱、加壓、混煉等成型過(guò)程即可發(fā)生硫化交聯(lián)反應(yīng)形成彈性體的硅橡膠，硫化過(guò)程中釋放出醇類、醋酸等低分子產(chǎn)物。它具有良好的電氣絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠防水、耐熱、耐臭氧、耐氣候老化、耐火焰等性能，硫化過(guò)程不吸熱、不放熱、固化收縮率小，因此被廣泛在航空、航天、電子儀表等重要工程領(lǐng)域中應(yīng)用[1,2]。在航天方面上，硅橡膠主要用于電子產(chǎn)品內(nèi)元器件和導(dǎo)線束的粘固密封，增加其對(duì)振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)能力。D04 是一種常用的脫醇型吸濕固化單組分室溫硫化硅橡膠，具有透明、流動(dòng)性好、無(wú)腐蝕（中性）、使用方便以及耐大氣老化等特點(diǎn)，常用來(lái)固封二極管、電阻、電容等器件。但發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于二極管的點(diǎn)膠高度要求存在爭(zhēng)論：QJ 3258《航天電子電氣產(chǎn)品硅橡膠粘固及灌封技術(shù)要求》中5.2.2.2節(jié)和文獻(xiàn)[3]說(shuō)明“一般條件下，臥式安裝元器件粘固時(shí)，粘固高度為安裝面至元器件本體高度三分之二處”。硅橡膠的使用是為了增強(qiáng)元器件在力學(xué)環(huán)境中抵抗力，使用更多量的硅橡膠在理論上可以起到更好地發(fā)揮加固器件的作用，但是由于硅橡膠與元器件以及印制板之間熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致在溫變環(huán)境中產(chǎn)生的熱應(yīng)力則會(huì)增加器件受損的風(fēng)險(xiǎn)，而且隨著硅橡膠的使用量增加，熱應(yīng)力作用也增加。在某型產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)了類似質(zhì)量問(wèn)題。因此，力、熱環(huán)境對(duì)于硅橡膠的點(diǎn)膠要求存在相互制約的情況，需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。本研究工作以直插玻璃鈍化二極管BWA66作為研究對(duì)象，使用D04硅橡膠對(duì)其進(jìn)行粘固，然后通過(guò)ANSYS軟件對(duì)不同點(diǎn)膠高度下二極管在力學(xué)隨機(jī)振動(dòng)和高低溫循環(huán)過(guò)程的應(yīng)力分布進(jìn)行仿真模擬，最后分析研究該類元器件最適宜的點(diǎn)膠工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料準(zhǔn)備

本工作研究的單組份RTV硅橡膠D04由上海橡膠制品研究所有限公司生產(chǎn)。選用鈍化玻璃二極管是BWA66，D2-10A封裝。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料物性參數(shù)

印制板材料參數(shù)、元器件本體材料參數(shù)、引腳材料參數(shù)咨詢廠家或查詢相關(guān)文獻(xiàn)獲得，如表1所示。

表1 材料的物性參數(shù)

1.2.2 點(diǎn)膠模型

建立硅橡膠對(duì)直插玻璃鈍化二極管不同點(diǎn)膠高度的模型如圖1所示。

圖1 不同點(diǎn)膠高度的二極管模型

1.2.3 溫度循環(huán)模擬條件

高低溫試驗(yàn)條件：

1）溫度范圍：（-55～+125）℃；

2）變溫率（箱內(nèi)空氣溫度變化的平均速率）：不小于5 ℃/min；

3）一個(gè)循環(huán)周期：4 h，其中高溫停留1.5 h、低溫停留2 h；

4）循環(huán)次數(shù)：不少于25.5次。

1.2.4 力學(xué)振動(dòng)模擬條件

表2所示的是隨機(jī)振動(dòng)的試驗(yàn)條件，其余模擬過(guò)程中所需的參數(shù)可以參見(jiàn)高低溫過(guò)程中所列參數(shù)。

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M

2.1.1 不點(diǎn)膠的二極管熱應(yīng)力分布

表3所示的是單個(gè)不點(diǎn)膠鈍化玻璃二極管的高低溫過(guò)程中不同溫度下的應(yīng)力狀態(tài)。

表3 單個(gè)不點(diǎn)膠鈍化玻璃二極管的高低溫過(guò)程中不同溫度下的應(yīng)力狀態(tài)

2.1.2 不同點(diǎn)膠高度二極管的熱應(yīng)力分布

不同點(diǎn)膠高度下二極管在溫度循環(huán)環(huán)境下的應(yīng)力分布情況見(jiàn)表4。

表4 不同點(diǎn)膠高度下二極管的應(yīng)力分布情況

2.1.3 結(jié)果分析與討論

表5所示的是鈍化玻璃二極管在不同點(diǎn)膠工藝下硅橡膠本體、元器件本體以及元器件引腳上最大熱應(yīng)力σmax。首先，從不點(diǎn)膠的二極管器件本體及其引腳的最大應(yīng)力結(jié)果可知，器件受損風(fēng)險(xiǎn)最大是低溫階段-55 ℃（器件本體40.37 MPa，器件引腳88.38 MPa）和高溫階段125 ℃（器件本體27.79 MPa，器件引腳102.33 MPa）。而且由于在高溫階段，硅橡膠自身良好的彈性，可以通過(guò)自身形變來(lái)釋放應(yīng)力，因此在125 ℃時(shí)硅橡膠本體應(yīng)力很小，而且與不點(diǎn)膠時(shí)相比，D04硅橡膠對(duì)二極管本體和引腳的應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。但是在-55 ℃低溫狀態(tài)下硅橡膠的較高彈性模量（即抗彈性變形能力強(qiáng)）導(dǎo)致自身無(wú)法較好地釋放高低溫環(huán)境中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，硅橡膠本體應(yīng)力顯著增大。

表5 鈍化玻璃二極管在不同點(diǎn)膠工藝的最大熱應(yīng)力σmax

與不點(diǎn)膠相比，當(dāng)點(diǎn)膠高度達(dá)到1/2倍器件本體高度時(shí)，-55 ℃點(diǎn)膠后二極管本體及其引腳的最大應(yīng)力分別增長(zhǎng)了大約3.7倍和1.5倍。隨著點(diǎn)膠高度增加，二極管器件本體及其引腳所受最大熱應(yīng)力則繼續(xù)增大。當(dāng)點(diǎn)膠高度為1倍器件本體高度時(shí)，二極管器件本體應(yīng)力增大了4倍以上，器件引腳所受最大應(yīng)力增大了2倍以上。

2.2 力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M

2.2.1 不點(diǎn)膠時(shí)鈍化玻璃二極管的力學(xué)振動(dòng)模擬

圖2所示的是不點(diǎn)膠時(shí)二極管分別在X軸和Z軸振動(dòng)方向上器件本體及其引腳的應(yīng)力分布?？梢钥闯鯴軸振動(dòng)方向?qū)ζ骷倔w及引腳的影響甚微，因此，本次研究工作主要考慮Z軸方向上的振動(dòng)模擬。

圖2 不點(diǎn)膠時(shí)二極管本體及其引腳的應(yīng)力分布

2.2.2 不同點(diǎn)膠高度對(duì)二極管的應(yīng)力分布的影響，見(jiàn)表6

表6 不同點(diǎn)膠高度時(shí)二極管本體、膠體以及器件引腳的應(yīng)力分布

2.2.3 結(jié)果分析與討論

表7所列的是二極管在不同點(diǎn)膠高度下的最大應(yīng)力σmax。首先，對(duì)比不點(diǎn)膠和點(diǎn)膠高度為器件本體1/2高度時(shí)，點(diǎn)膠后器件本體和器件引腳的最大應(yīng)力均表現(xiàn)出略微增大趨勢(shì)，由此推出，該種點(diǎn)膠方式對(duì)于提高器件的抗力學(xué)沖擊能力助力不大。并且隨著點(diǎn)膠高度增加到2/3倍器件本體高度時(shí)，器件本體及其引腳的最大應(yīng)力則繼續(xù)增大，相較于不點(diǎn)膠的狀態(tài)，器件引腳的最大應(yīng)力增加接近20 %。但是當(dāng)器件整體均被硅橡膠包覆即點(diǎn)膠高度為1倍器件本體高度時(shí)，雖然相較于不點(diǎn)膠時(shí)器件本體最大應(yīng)力還是略有增大，但是相較于1/2和2/3倍器件本體高度時(shí)則明顯減少了，這可能是因?yàn)檎w包覆改善了硅橡膠—器件殼體界面應(yīng)力集中的情況；并且器件引腳的最大應(yīng)力比不點(diǎn)膠的狀態(tài)略微減小，由此可見(jiàn)該種點(diǎn)膠方式能夠稍微改善元器件在力學(xué)振動(dòng)過(guò)程中的抗破壞能力。

表7 鈍化玻璃二極管在不同點(diǎn)膠高度下Z軸振動(dòng)方向下的最大應(yīng)力σmax

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究工作以D04硅橡膠和直插玻璃鈍化二極管（D2-10A封裝）為主要研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)力學(xué)振動(dòng)和溫度循環(huán)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)不同點(diǎn)膠高度在力、熱環(huán)境下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，由于硅橡膠與元器件以及印制板之間熱膨脹系數(shù)的差異，則導(dǎo)致硅橡膠在高低溫循環(huán)過(guò)程中增加對(duì)二極管元器件本體及其引腳的應(yīng)力，并且隨著點(diǎn)膠高度增加到1倍器件本體高度時(shí)，器件本體以及引腳的最大應(yīng)力相比不點(diǎn)膠時(shí)分別增長(zhǎng)了4倍和2倍以上。但在力學(xué)振動(dòng)過(guò)程，1/2倍和2/3倍器件本體點(diǎn)膠高度對(duì)于元器件的抗力學(xué)能力并沒(méi)有改善作用，只有在點(diǎn)膠高度達(dá)到1倍器件本體時(shí)，點(diǎn)膠操作才能稍微改善器件引腳受力情況。