精密電子元器件用抗沖擊灌封材料的施工工藝研究

摘 要：為了保證電子元器件在高過(guò)載環(huán)境下保持有效性和可靠性，在研制性能優(yōu)異的抗沖擊環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的基礎(chǔ)上，可行有效的施工工藝是保證灌封產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。采用自制帶液晶基團(tuán)的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂E51進(jìn)行增韌改性，分析灌封材料施工工藝中灌封工藝和固化工藝的影響因素，確定了不同結(jié)構(gòu)灌封體的灌封工藝，以及確定固化劑用量為30%，環(huán)境溫度為25 ℃的固化工藝條件。按照施工工藝完成的電子產(chǎn)品灌封體，合格率＞95%。

關(guān)鍵詞：電子元器件； 環(huán)氧樹(shù)脂； 抗沖擊灌封材料； 施工工藝

中圖分類號(hào)：TN91934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22019203

0 引 言

在機(jī)械電子工業(yè)中，為了提高元器件和整機(jī)的穩(wěn)定可靠性，往往需要對(duì)電子元件或組裝部件進(jìn)行灌封。灌封是借助灌封材料把構(gòu)成電器件的各部分按規(guī)定要求進(jìn)行合理布置、組裝、鍵合、連接、密封和保護(hù)等而實(shí)施的一種操作工藝，它的作用是強(qiáng)化電子器件的整體性，提高對(duì)外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力；提高內(nèi)部元件、線路間絕緣，有利于器件小型化、輕量化；避免元件、線路直接暴露，改善器件的防水、防塵、防潮性能［1］。

隨著軍事用機(jī)械電子裝備向著小型化、輕量化、多功能、高性能方向發(fā)展，電子元器件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，電氣性能要求越來(lái)越高，對(duì)灌封材料提出了更高的要求。尤其是在導(dǎo)航及彈箭產(chǎn)品中，電子產(chǎn)品通常要承受高達(dá)上萬(wàn)g的過(guò)載，如何保證電子元器件在高過(guò)載環(huán)境下仍保持有效性和可靠性，成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)研制的灌封材料通常只滿足正常環(huán)境下的使用性能，很少涉及在特殊環(huán)境（如高沖擊過(guò)載）下的使用性能。因此，開(kāi)展特殊環(huán)境下使用的抗沖擊精密電子元器件用灌封材料的研制及應(yīng)用研究非常必要。

本課題組針對(duì)某回收裝置中數(shù)據(jù)芯片的灌封要求，通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料基礎(chǔ)配方的優(yōu)化，研制出了性能可調(diào)整、粘度小、適用期長(zhǎng)、力學(xué)性能滿足試驗(yàn)要求的灌封材料［25］。同時(shí)，結(jié)合灌封材料的性能特性及回收裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了適用的抗沖擊灌封材料的施工工藝，確保了回收裝置的一次性灌封成功。灌封好的回收裝置經(jīng)多批次多輪試驗(yàn)考核，均滿足使用要求。此外，本產(chǎn)品還可用于船舶、航空、航天、兵器等高新技術(shù)領(lǐng)域中工作條件苛刻的電子元器件的灌封，如雷達(dá)直流電源中各印制板部件、航天產(chǎn)品自動(dòng)控制系統(tǒng)中的電源變換器整流組合件、慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中的多種關(guān)鍵傳感器及重要電器元部件等［1］。

灌封產(chǎn)品的質(zhì)量，除了與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件選擇、組裝及所用灌封材料密切相關(guān)外，可行有效的施工工藝也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本文從灌封材料施工工藝的兩個(gè)主要方面（灌封工藝和固化工藝）入手，分析了不同的因素對(duì)灌封材料性能的影響，實(shí)現(xiàn)了精密電子元器件用抗沖擊灌封材料的施工工藝設(shè)計(jì)。

1 灌封工藝設(shè)計(jì)

灌封工藝的主要參數(shù)有工件處理、真空排泡、灌封厚度、灌封比例、流膠速度等。這些關(guān)鍵參數(shù)的選擇不僅影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，也對(duì)產(chǎn)品的壽命、電性能等產(chǎn)生重要影響，因此在灌封過(guò)程中必須嚴(yán)格控制［68］。

環(huán)氧樹(shù)脂灌封有常態(tài)和真空2種灌封工藝。在電子產(chǎn)品灌封中，氣泡的存在會(huì)嚴(yán)重影響其電性能和機(jī)械性能，因此普遍采用真空灌封工藝。常見(jiàn)的有手工真空灌封和機(jī)械真空灌封2種方式。由于本項(xiàng)目灌封的產(chǎn)品數(shù)量少，若采用機(jī)械真空灌封， 設(shè)備投資大，維護(hù)費(fèi)用高，因此本項(xiàng)目選用手工真空灌封工藝，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 抗沖擊環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料灌封工藝流程圖灌封裝置及元器件清洗是灌封開(kāi)始前必須完成的工序，一般環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料忌油性、污染性，它們會(huì)影響其附著力和粘接性能。灌封過(guò)程中所用的模具、攪拌、灌封用器具等必須用丙酮清洗干凈， 充分晾干后待用。電子元器件的清洗一般用無(wú)水乙醇、汽油、丙酮或二甲苯清洗2～3遍為好，特別是有焊點(diǎn)的地方，一定要清洗干凈，以防引起催化劑的中毒。

定位好的灌封裝置，最好放在溫度為50～60 ℃環(huán)境中，預(yù)熱60 min以上。這樣不僅可以保證清洗溶劑及吸潮水分的充分揮發(fā)，而且較高的電器組件溫度可使接觸的灌封材料粘度下降，確保灌封材料在液態(tài)時(shí)與電器組件的充分浸潤(rùn)。

灌封固化物中存在氣泡會(huì)造成兩方面的影響：一方面是對(duì)灌封材料電性能的影響，特別是高壓器件；另一方面是對(duì)外觀的影響，尤其是透明材料更顯著，因此在灌封過(guò)程中應(yīng)該盡可能避免產(chǎn)生氣泡。

氣泡產(chǎn)生的原因歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1） 反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生低分子物或揮發(fā)性組份；

（2） 由于機(jī)械攪拌帶入的氣泡；

（3） 填料未徹底干燥而帶入的潮氣；

（4） 元件之間的窄縫死角未被填充而成孔穴。

針對(duì)以上原因，在灌封工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，如對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熱處理（60 ℃條件下處理12 h以上），除去其中含有的溶劑、水等易揮發(fā)雜質(zhì)；攪拌混料應(yīng)緩慢而充分，盡量采用單向攪拌；配制好的灌封材料置于真空度為10 kPa的真空干燥箱內(nèi)反復(fù)進(jìn)行“抽→放→抽”脫泡操作，直至無(wú)氣泡；灌封材料應(yīng)從模具一邊緩慢加入，灌注速度不宜過(guò)快，盡量排除模具中氣體［68］。

對(duì)于厚度較小（厚度＜10 mm）的灌封體，通常采用一次灌封的方式，灌封好的器件放入真空箱內(nèi)再次抽真空，采取真空與常壓相繼進(jìn)行，在灌封料不溢出的前提下，真空度盡量高。對(duì)于厚度較大（厚度≥10 mm）的灌封體，在灌封過(guò)程中還要進(jìn)行分層分階段灌注，即灌封材料厚度達(dá)到10～20 mm時(shí)，就要進(jìn)行一次抽真空排氣處理，待氣泡排除干凈后，再進(jìn)行下一層的灌封。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品，不僅需要滿足力學(xué)性能和電性能要求，外表美觀也是不容忽視的。所以，對(duì)灌封后的元器件，如其表面有少量氣泡缺陷或裂痕，應(yīng)重新配料進(jìn)行修補(bǔ)。

2 固化工藝設(shè)計(jì)

施工工藝中的固化工藝也是很重要的。固化過(guò)程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和灌封膠物理性質(zhì)的變化，都會(huì)給最終的灌封件帶來(lái)各種內(nèi)在的、直觀的影響。在固化過(guò)程中，環(huán)氧灌封材料的固化時(shí)間、固化溫度及冷卻速度等固化條件，都是環(huán)氧灌封材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的重要因素，都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲?10］。

固化時(shí)間可以由添加的固化劑的量進(jìn)行調(diào)整，一般4～6 h發(fā)生預(yù)固化比較合理。如果固化時(shí)間太短，不利于排除氣泡和及時(shí)散熱；而固化時(shí)間太長(zhǎng)，則可生產(chǎn)性差，生產(chǎn)效率低下。

圖2 固化劑含量對(duì)抗沖擊環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料

力學(xué)性能及固化速率的影響

圖2為純環(huán)氧樹(shù)脂體系中固化劑用量對(duì)灌封材料力學(xué)性能及固化速率的影響曲線，從圖中可以看出，固化劑的用量選擇直接影響灌封材料的使用期和固化物的力學(xué)性能。考慮到固化程度將直接影響灌封材料的壓縮強(qiáng)度，同時(shí)灌封材料應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)氖褂闷冢?5 ℃條件下，tgel≥30 min）和較快的固化速率（25 ℃條件下，24 h后，體系實(shí)現(xiàn)初步固化），因此，本項(xiàng)目選用的固化劑用量為基體樹(shù)脂用量的30%。

在環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的固化過(guò)程中，選擇合理的固化歷程（升溫或降溫速度、環(huán)境溫度等）也很重要。在升溫和降溫過(guò)程中，一般以控制在5～10 ℃/h為宜。緩慢的溫度變化歷程可以有效消除樹(shù)脂與器件之間由于熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高灌封體的綜合性能。

灌封時(shí)的環(huán)境溫度是否合適也是灌封材料施工性能考核的一個(gè)重要指標(biāo)，環(huán)境溫度的高低直接決定固化過(guò)程的快慢以及與外界的熱量交換狀態(tài)。如果固化歷程過(guò)快，則會(huì)導(dǎo)致熱量集中釋放，從而使整個(gè)灌封體系的溫度上升，影響內(nèi)部數(shù)據(jù)芯片的工作穩(wěn)定性。為了施工的方便，通常選擇的施工環(huán)境溫度為室溫，圖3為環(huán)境溫度對(duì)抗沖擊環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的固化歷程的影響曲線，從圖中可以看出，在施工環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，整個(gè)灌封體系溫度變化非常平穩(wěn)，放熱峰最高溫度為41.8 ℃，既保證灌封體系的均勻固化，又確保數(shù)據(jù)芯片不受到熱損傷。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)抗沖擊環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的固化歷程的影響3 環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的性能及其應(yīng)用

通過(guò)配方設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，制備出了性能優(yōu)異的增韌環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。灌封好的產(chǎn)品在試驗(yàn)過(guò)程中承受了上萬(wàn)g的沖擊過(guò)載重量，仍然能確保采集和輸出數(shù)據(jù)的及時(shí)準(zhǔn)確，為試驗(yàn)狀態(tài)的確定和試驗(yàn)結(jié)果的分析提供了有力的保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

抗沖擊灌封材料的施工工藝直接影響灌封產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率，通過(guò)研究，確定了不同結(jié)構(gòu)灌封體的灌封工藝，以及確定固化劑用量為30%，環(huán)境溫度為25 ℃的較優(yōu)固化工藝條件。按照施工工藝完成的電子產(chǎn)品灌封體，合格率＞95%，已經(jīng)應(yīng)用于某產(chǎn)品回收裝置的測(cè)試系統(tǒng)，滿足使用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介： 張 凱 男，1973年出生，重慶云陽(yáng)人，高級(jí)工程師，材料學(xué)博士。主要從事功能高分子材料的研制與應(yīng)用。