AirBorn 微矩形電連接器絕緣防護(hù)工藝研究

張睿明，施瑋

（1.中國人民解放軍93145 部隊(duì)，上海 200231；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

AirBorn 微矩形電連接器接觸件間距1.27mm，焊排間距1.1mm，接點(diǎn)密度高，電連接器外殼和尾附件均采用鋁合金材料，表面化學(xué)鍍鎳處理，鎖緊組件為不銹鋼材料；電連接器尾罩一般采用兩瓣開式結(jié)構(gòu)，合并后尾部為橢圓形狀出線口。該連接器兼具體積小、重量輕、高可靠的優(yōu)點(diǎn)，在航天、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

但由于尾罩出線口為橢圓且無線束夾緊壓板，電裝時只能通過在出線口處填充保護(hù)材料以固定和保護(hù)尾罩內(nèi)的導(dǎo)線及焊點(diǎn)，但填料使用過程中易脫落，并導(dǎo)致線束在無保護(hù)情況下應(yīng)力直接傳導(dǎo)至焊點(diǎn)，在振動、沖擊等復(fù)雜的宇航環(huán)境條件下甩線有高達(dá)25°的自由擺動弧度，經(jīng)過模擬試驗(yàn)，焊點(diǎn)在這種狀態(tài)下持續(xù)受擾動力作用50 次以上即會導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂失效。因此，必須采取對AirBorn 微矩形電連接器進(jìn)行灌封處理，形成穩(wěn)定牢靠的封裝結(jié)構(gòu)，降低振動、沖擊、潮濕等外界環(huán)境的不良影響，以保護(hù)焊點(diǎn)免受應(yīng)力損傷。

1 灌封膠及灌封工藝

1.1 灌封膠選用

AirBorn 微矩形電連接器的焊杯間距密集，且連接器尾罩腔內(nèi)狹小，因此選用的灌封材料應(yīng)有良好的流動性，且不應(yīng)選用需要充分接觸空氣的室溫硫化硅橡膠。

目前，電子行業(yè)常用的灌封材料主要有環(huán)氧樹脂、硅橡膠和聚氨酯等。而硅橡膠具有以下特點(diǎn)。

（1）硅橡膠固化無副產(chǎn)物、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定。

（2）相較其他兩種灌封材料，硅橡膠灌封固化后的電絕緣性能和介電性能較佳，能滿足電子元器件對絕緣、介電性能的要求。

（3）硅橡膠具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、耐熱性能、密封性，能滿足太空環(huán)境、高濕環(huán)境等惡劣環(huán)境下使用的要求，且硅橡膠灌封方式對連接器尾部灌封可靠性最高。

由于本型號產(chǎn)品采用的AirBorn 系列微矩形電連接器應(yīng)用于運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)艙段或空間飛行器艙外環(huán)境，其環(huán)境溫度高達(dá)100℃以上，同時考慮了真空質(zhì)量損失指標(biāo)要求，最終選用日本信越公司生產(chǎn)的KE-1310ST 硅橡膠作為灌封材料。在本文研究使用KE-1310ST 硅橡膠的過程中，發(fā)現(xiàn)膠體存在氣泡、空洞現(xiàn)象，對于振動、潮濕、腐蝕、劇烈的溫度變化等惡劣環(huán)境下，封裝中的氣泡和空洞會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。本文針對本單位產(chǎn)品研制過程中遇到的問題和獲得的經(jīng)驗(yàn)，對AirBorn 電連接器采用KE-1310ST 硅橡膠絕緣防護(hù)工藝進(jìn)行探討。

1.2 灌封工藝方法選用

KE-1310ST 膠是一種雙組份、導(dǎo)熱、長壽命期的硅橡膠，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能，具有很高的剪切強(qiáng)度，溫度穩(wěn)定性優(yōu)秀，能夠長期暴露在150℃以上的高溫環(huán)境中工作，短期甚至能承受高達(dá)280℃的高溫沖擊。目前，硅橡膠的灌封方式主要有以下兩種。

（1）熱風(fēng)灌封工藝。使用挑膠棒挑取少量膠液(挑取膠液的同時注意實(shí)時檢查膠液中應(yīng)無多余物情況)，置于灌封腔上方，使用熱風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)槍加熱膠液并吹入灌封部位，反復(fù)重復(fù)上述操作直至達(dá)到目標(biāo)灌封高度，過程中隨時觀察灌膠腔，確保膠液填滿膠腔，無空洞、無漏膠現(xiàn)象，灌膠結(jié)束后檢查膠腔內(nèi)膠面呈水平狀態(tài)，確保無局部堆積現(xiàn)象。這種灌膠方式的優(yōu)點(diǎn)是：適合電纜組件小批量、多品種的生產(chǎn)特點(diǎn)，灌膠量容易控制，操作簡單，成本低廉。其缺點(diǎn)是：對人員的操作技能要求高，對膠體內(nèi)氣泡的去除效果不佳。

（2）點(diǎn)膠機(jī)灌封工藝。即調(diào)好膠后將膠裝入點(diǎn)膠機(jī)注射器針筒；打開氣閥后，踩一下腳踏開關(guān)，則膠從針頭流出。這種灌膠方式的優(yōu)點(diǎn)是：通過氣動壓迫膠液流動，對狹長腔體、細(xì)小孔洞以及較深灌膠腔的灌封有較大優(yōu)勢，容易控制灌膠量。缺點(diǎn)是：這種灌膠方式要求膠黏劑的黏度很低，對膠體內(nèi)氣泡的去除效果不佳。

對于KE-1310ST 硅橡膠，需要事先將膠按照A、B組分的重量比稱重后，再加入料筒中，不能自動添膠。由于本單位產(chǎn)品具有小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，采用點(diǎn)膠機(jī)灌膠時對膠液的浪費(fèi)較大，需要頻繁地對點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行清潔，且應(yīng)用加熱型點(diǎn)膠機(jī)灌封成本高。KE-1310ST 膠在常溫條件下(25℃)黏度很高，為25000cp，而在加熱至80℃以上時黏度大大降低，因此選用熱風(fēng)灌封工藝，但仍需克服氣泡問題對產(chǎn)品性能的不良影響。

2 灌封關(guān)鍵工藝參數(shù)介紹

2.1 真空脫泡工藝

脫泡采用真空機(jī)抽氣的方法來消除氣泡，在工藝設(shè)計中需考慮真空設(shè)備的配置和能力，并確定具體的方法，其中真空度極限和抽氣速度是關(guān)鍵點(diǎn)。如果真空度不夠，氣泡無法完全排除。如果抽氣速度太快，灌封材料隨氣泡溢出腔體。

真空脫泡的工作原理：真空脫泡過程中，膠體內(nèi)氣泡需克服膠體張力脫出，膠體在內(nèi)部氣體壓力下，逐漸膨脹，繼續(xù)抽真空，膠內(nèi)氣體會沖破膠層溢出，此時應(yīng)打開閥門，壓力回升，使氣泡破裂，膠體回縮，然后重復(fù)減壓、放氣，直至氣泡完全消失。膠體灌封后，應(yīng)重復(fù)以上操作進(jìn)行再次除泡。為降低膠體的張力阻力，增強(qiáng)膠液的流動性，應(yīng)當(dāng)在抽真空過程中適度加熱，脫泡效果更佳。

為避免灌封時KE-1310ST 膠接觸電連接器和灌封模具遇冷后黏度加大造成的灌封內(nèi)部空洞，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以采取在加熱真空脫泡時對待灌封工件同時進(jìn)行預(yù)熱處理的措施，預(yù)熱處理后30min 內(nèi)完成灌封。

工藝優(yōu)化前灌封膠體疏松，存有一些氣泡現(xiàn)象，工藝優(yōu)化后灌封膠體致密、氣泡數(shù)量明顯減少，灌封質(zhì)量顯著提高。

2.2 高溫固化工藝

由于KE-1310ST 硅橡膠的B 組分固化劑采用酸酐固化劑，其特點(diǎn)為需要加熱固化，而考慮宇航電連接器的工作環(huán)境溫度一般為-55 ～125℃，并且環(huán)氧材料的固化溫度低有利于反應(yīng)熱的及時釋放，因此，固化溫度參數(shù)選擇為表1 中的條件1 進(jìn)行。

表1 KE-1310ST 硅橡膠可應(yīng)用的固化條件

注：采用該固化條件須考慮產(chǎn)品生產(chǎn)使用的主要材料均能耐受該溫度條件，否則，應(yīng)更換更優(yōu)的材料。

優(yōu)化后的工藝流程增加了真空脫泡工藝。即先將KE-1310ST 硅橡膠按照A、B 組分的重量比為10:1 進(jìn)行配膠；再用調(diào)膠棒沿同一方向攪拌，攪拌時均勻低速，直至將A、B 組分膠攪拌均勻；然后，對混合后的膠液進(jìn)行真空脫泡處理工序，以除去產(chǎn)生的氣泡；脫泡完成后，進(jìn)行熱風(fēng)灌封處理；最后，將灌膠產(chǎn)品置入恒溫鼓風(fēng)干燥箱加熱高溫固化。

3 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

AirBorn 微矩形電連接器灌封相比其他航天電子產(chǎn)品常用的電連接器難度較高，KE-1310ST 硅橡膠用于AirBorn 電連接器灌封實(shí)踐成功即可以用于其他常用電連接器的灌封封裝，具有普遍的實(shí)踐和推廣意義。

按照本文研究的熱風(fēng)灌封工藝方法進(jìn)行試驗(yàn)，即將KE-1310ST 硅橡膠按照A、B 組分重量比10:1 進(jìn)行配膠、真空脫泡、熱風(fēng)灌封、高溫固化，固化完成后緩慢降至室溫。

固化完成后，檢查灌封質(zhì)量達(dá)到以下要求，如圖1 示。膠液固化完全，輕壓膠面無壓痕；灌膠部位以外位置無多余膠體，無漏膠或者膠體黏附于影響后續(xù)元器件對接、裝配的位置現(xiàn)象；元器件尾端甩線的排與排之間無膠“空洞”，導(dǎo)線及電連接器外殼無劃傷、破損現(xiàn)象。對灌封后的產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)所需的試驗(yàn)，測得產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均滿足要求。

圖1 合格的KE-1310ST 硅橡膠灌封的AirBorn 電連接器

灌封后的試驗(yàn)件分組分別按照產(chǎn)品技術(shù)大綱要求進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)(導(dǎo)通絕緣及抗電強(qiáng)度試驗(yàn)→熱循環(huán)試驗(yàn)→熱真空試驗(yàn))，并參照QJ1245 要求進(jìn)行拉伸剪切機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)測試，試驗(yàn)良品率達(dá)100%。

3.1 熱循環(huán)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)分析

熱循環(huán)試驗(yàn)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)條件見表2，試驗(yàn)前、后及試驗(yàn)過程中的每一次高、低溫循環(huán)，均用FLUKE 萬用表、250V(0 ～250MΩ)兆歐表對試驗(yàn)件進(jìn)行了導(dǎo)通電阻檢查和絕緣性能檢查；試驗(yàn)后用頻率50Hz、額定容量不小于0.5KVA 的試驗(yàn)裝置，檢查每一點(diǎn)同時對其他所有不通點(diǎn)間的絕緣抗電強(qiáng)度，試驗(yàn)時間為60s；熱循環(huán)、熱真空試驗(yàn)前后分別用游標(biāo)卡尺對試驗(yàn)件外觀尺寸進(jìn)行測量。監(jiān)測和測量結(jié)果表明。

表2 熱循環(huán)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)條件要求

（1）試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)前后共67 次導(dǎo)通測試阻值實(shí)測均小于0.5Ω，實(shí)測絕緣電阻值均大于200MΩ，灌封電氣導(dǎo)通、絕緣性能穩(wěn)定，可以承受嚴(yán)苛的空間真空環(huán)境溫度交變環(huán)境性能考證。

（2）試驗(yàn)后測試絕緣抗電強(qiáng)度結(jié)果無擊穿、表面閃爍等抗電強(qiáng)度下降現(xiàn)象，灌封介電性能良好，可以承受嚴(yán)苛的空間真空環(huán)境溫度交變環(huán)境性能考證。

（3）試驗(yàn)后檢查灌封產(chǎn)品外觀，灌封膠無膨脹、變形等外觀缺陷，試驗(yàn)前、后試驗(yàn)件尺寸變形量極小，實(shí)測小于0.2%，灌封尺寸性能穩(wěn)定，滿足使用需求。

3.2 拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)分析

為考核灌封膠與電連接器接觸面的結(jié)合強(qiáng)度，對5組灌封試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試。拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的要求與拉伸剪切強(qiáng)度計算方法均參照QJ1245 要求，在常溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)要求

（1）測量并計算試樣黏接搭接接觸長度和寬度。

（2）試件裝夾于試驗(yàn)機(jī)夾頭后，應(yīng)使其與上下夾頭保持對中。

（3）試驗(yàn)加載速度控制為10mm/min。

（4）常溫試驗(yàn)環(huán)境溫度不低于15℃，相對濕度不大于75%。

（5）拉伸剪切強(qiáng)度按下式計算，試驗(yàn)結(jié)果取每組試樣的算術(shù)平均值。

式中，τ 為拉伸剪切強(qiáng)度，MPa；F 為試驗(yàn)破壞時的載荷，N；S 為黏接接觸面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果取每組試樣的算術(shù)平均值。

AirBorn 電連接器灌封的黏接接觸面積計算公式為：

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)備上夾具夾持電連接器殼體，下夾具夾持灌封膠本體，按規(guī)定的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)。

對試驗(yàn)件破壞后的外觀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件經(jīng)拉伸剪切后的破壞點(diǎn)均為電連接器本體絕緣子與鋁合金外殼粘接部位，而KE-1310ST 灌封膠與AirBorn 連接器的接合部位并無破壞痕跡，試驗(yàn)結(jié)果表明，灌封的實(shí)際拉伸剪切力至少應(yīng)不小于本次試驗(yàn)獲得的拉伸剪切力值。具體拉伸剪切力結(jié)果與拉伸剪切強(qiáng)度計算結(jié)果見表3。

表3 拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，灌封后的產(chǎn)品拉伸剪切強(qiáng)度均能滿足產(chǎn)品使用需求。

4 結(jié)語

（1）應(yīng)用熱風(fēng)灌封工藝對AirBorn 微矩形電連接器實(shí)施灌封時，采用真空脫泡處理、工件預(yù)熱處理，并對高溫固化條件嚴(yán)格控制，可有效避免灌封產(chǎn)品內(nèi)夾雜氣泡或空洞，提升灌封工藝質(zhì)量。

（2）應(yīng)用KE-1310ST 硅橡膠熱風(fēng)灌封的AirBorn微矩形電連接器產(chǎn)品成功通過了熱循環(huán)、熱真空試驗(yàn)等鑒定環(huán)境試驗(yàn)考核，并通過QJ1245 要求的拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)考核，試驗(yàn)良品率達(dá)100%。

（3）應(yīng)用熱風(fēng)灌封工藝對AirBorn 電連接器實(shí)施灌封操作方法簡單、可操作性佳，經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證考核，試驗(yàn)表明，灌封質(zhì)量具有較好的一致性與穩(wěn)定性，導(dǎo)通、絕緣、抗電性能符合要求，滿足空間真空環(huán)境劇烈溫度變化等惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求。

（4）此外，由于AirBorn 微矩形電連接器灌封相比其他航天電子產(chǎn)品常用的電連接器難度較高，KE-1310ST硅橡膠用于AirBorn 電連接器灌封得成功實(shí)踐即可以用于其他常用電連接器的灌封封裝，可以在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣。