高過載電子設備的灌封工藝研究

夏奧利

（中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

某電子設備要求能抗高過載沖擊，而又有較長的使用壽命。電子元器件本身及電子組件都難以承受高過載沖擊，因此工藝上采用了硬質聚氨酯發泡材料對電子組件進行了整體的灌封，灌封產品經過多次實驗室過載試驗和外場試驗，證明采取的灌封技術合理有效。

1 灌封原料的選擇

電子設備的灌封，所選灌封材料除了要求機械強度好外，還必須對設備電性能指標影響小。綜合兩者因素，我們選擇了硬質聚氨酯發泡材料作為灌封材料：其電性能優異，比強度大，機械強度高，可以根據需要改變原料配方，調整原料規格而制成不同密度、硬度及不同電學性能的硬泡制品[1]。

硬質聚氨酯發泡材料為A、B雙組分材料，混合后，反應迅速，一般0.5～3min內發泡完畢，經熟化后形成硬質聚氨酯泡沫塑料。

1.1 原料乳白時間調整

試驗采用手工發泡的方法：將A、B料按配比混合均勻，在反應前即乳白時間前注入模具，經化學反應并發泡后，得到硬質聚氨酯泡沫塑料。所以在選擇原材料時必須考慮原料的乳白時間。乳白時間太短的，手工來不及灌注。經過試驗篩選出了乳白時間為50～60 s的原料來滿足手工生產的需要。

1.2 原料自由發泡倍率調整

設計要求控制灌封的使用量，在用量一定的情況下，發泡倍率太小，聚氨酯發泡材料會填不滿灌封空間；發泡倍率太大，在密封空間內發泡過程中，產生的壓力太大，可能會對電子元器件產生擠壓，造成電路的損壞。

經過多次試驗，最終確定了合適數值的發泡倍率來滿足使用要求：增重一定的情況下，既能填滿灌封空間，灌封后密度、硬度適當，也不會影響電路的正常工作。

2 模具設計

設備由若干電子組件和電池組件組成，均安裝在設備的殼體內（如圖1所示）。其中電池組件需單獨灌封后再裝入。電池組件的灌封須進行模具的設計。

圖1 設備灌封簡圖

硬質聚氨酯發泡材料發泡過程中溫度高達130℃、會產生一定的壓力，因此模具應有足夠的強度，筆者所采用的模具為金屬哈呋模（如圖2），在反應熱的情況下，不會變形，不影響零件尺寸，又便于拆摸。出氣孔的設置和大小需合理設計，保證既能順利排氣，又不至于漏料太多[2]。試驗證明，準1.5mm的排氣孔剛好滿足要求。

圖2 灌封模具

3 操作工藝

聚氨酯發泡材料混合后，反應迅速，為控制灌封重量，保證產品品質，必須對操作過程進行嚴格的控制。灌封工藝流程見圖3。

圖3 灌封工藝流程簡圖

3.1 堵漏

反應過程中，聚氨酯發泡材料無孔不入，因此灌封前必須對可能產生滲漏的縫隙（如電池組件的穿線孔等）進行堵漏處理，以控制灌封的凈質量和泡沫塑料的密度。采用的方法是用硅橡膠進行堵漏，固化后再灌封。

因為電池組件是單獨灌封的，灌封后必須保證能裝入殼體內，因此還必須對灌封后的尺寸進行控制。同時也要保證灌封過程中不會有灌封料滲漏。所以在裝模時，模具夾持電池組件部位必須嚴實牢固，不能有大的縫隙存在。裝模完成后還須用卡尺測量模具開口垂直方向的內徑，必須嚴格控制在公差范圍之內。

進料口也是發泡材料容易滲漏的部位，電子組件灌封采用的方法是用金屬銷釘與殼體過盈配合堵塞；電池組則主要從模具的設計上解決的。如圖2所示，進料孔設計成螺紋孔，制作相應的帶柄塞氣螺釘（見圖4），方便旋入堵塞。

圖4 塞氣螺釘

3.2 溫度控制

發泡過程中，原料溫度與環境溫度的高低與恒定與否，直接影響泡沫塑料的制品的品質，溫度過高或過低，都不易得到高品質的制品。環境溫度以20～30℃為宜；原料溫度可控制在20～30℃或稍高一些。

3.3 操作過程控制

因為聚氨酯發泡材料混合后反應迅速，所以必須在材料乳白時間前，將其完全注入灌封空間內，并在發泡前及時堵住進料口，防止灌封料滲漏而影響產品質量。因此必須對操作過程進行嚴格的控制。

（1）物料的混合。反應物必須混合均勻，否則會在局部范圍內出現化學配比失調，而大大影響產品品質。由于原料乳白時間短，反應迅速，為保證混合效率，攪拌器應有足夠的功率與轉速。解決的方法是將攪拌器裝在手電鉆上進行攪拌，攪拌速度2000 r/min，攪拌時間5～10 s。

（2）增加灌封壓力。電子組件的灌封空間大，僅靠注射器的壓力足夠將硬泡材料在乳白時間前能全部注進內腔，而電池組件由12節2#電池分兩層呈圓周排列，相鄰電池間距很窄，僅為0.5mm，欲使發泡材料在乳白時間前能全部注進內腔，手工操作單靠注射器的壓力還不夠,必須想辦法增加灌封壓力。

試驗初期采用的方法是：在橡膠板上打孔，讓一次性注射器的針孔剛好從中穿過，再蓋住進料口灌封。經過多次試驗，我們發現：只要設計的模具進料口直徑與灌封用注射器配合得好，灌封時，注射器能蓋住整個進料口，就能達到增加灌封壓力的效果。經過多次試驗,我們將模具進料口設計為5mm，剛好能達到要求。

（3）合理安排操作過程。試驗證明合理安排操作過程也能為灌封爭取時間，保證產品品質。試驗初期只有3人操作，配料的人要混合攪拌，灌封的人要堵孔，經常手忙腳亂，容易出錯而浪費時間；現改為5人操作：配料1人，混合攪拌1人，灌封2人，堵孔1人，每人分工明確，操作更熟練有序。

（4）熟化時間和溫度。泡沫塑料固化后，還不能馬上拆模，必須在一定溫度下放置一段時間，進行熟化，目的是讓化學反應進行完全。熟化不充分，泡沫塑料強度會達不到要求，產生變形。一般熟化溫度越高，所需時間越短。

4 硬質聚氨酯泡沫塑料的使用壽命

使用壽命是這樣確定的：使用過程中，性能逐漸發生變化，一旦主要性能指標中任何一項開始明顯劣化，或其值降到預先確定的最低極限時，此時刻即為使用終點。為預測硬質聚氨酯泡沫塑料的壽命，Potts.C.G等進行了研究，發現泡沫塑料使用壽命的對數和溫度的倒數大致上呈直線關系，如圖5所示。

圖5 硬質聚氨酯泡沫塑料的使用壽命預測

圖中實線表示實測值，虛線部分為外推值。利用實驗結果并外推之，即可預測使用壽命。如圖2中硬泡曲線，在130℃下，可使用30年左右[3]。

5 結束語

為驗證灌封的有效性，制作了關鍵件灌封試件，進行了實驗室過載沖擊試驗：所有試件均通過規定的過載試驗，大部分超過規定的過載指標。隨后的數次外場試驗也獲得了成功。

試驗結論：用硬質聚氨酯發泡材料對電子設備的灌封，工藝過程控制有效，達到了電子設備抗高過載的要求。

[1]電子科學研究院.電子設備三防技術手冊[M].北京：兵器工業出版社，2000.

[2]沈 耿.高過載電子設備的加固技術[A].2006年機械加工技術學術年會論文集[C]，昆明：中國電子學會機械加工技術部，2006.

[3]朱呂民，劉益軍.聚氨酯泡沫塑料[M].北京：化學工業出版社，2005.