真空技術在電裝工藝中的應用

李　堯，成　鋼，趙光平

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州　730000）

真空技術在電裝工藝中的應用

李堯，成鋼，趙光平

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州730000）

真空技術在電裝工藝中的應用，主要是真空灌封、真空浸漆和真空涂覆等幾個方面。通過真空灌封將氣體絕緣轉換為固體絕緣，有效提高了產品的絕緣能力。真空浸漆工藝處理后絕緣漆覆蓋完全，提高了產品整體的絕緣強度和抗壓能力。真空涂覆通過氣相沉積在產品表面形成厚度均勻的薄膜，幾乎不改變產品外觀，并具有穩定的介電常數，提高產品整體的高壓絕緣性能。通過真空技術在電裝工藝中的應用，改進了航天電子產品的絕緣防護工藝，確保航天電子產品質量的可靠和安全。

真空技術；電裝工藝；真空灌封；真空浸漆；真空涂覆

0　引言

隨著真空科學技術的發展，真空技術的應用越來越廣泛，尤其在航天、航空、高能物理、可控熱核聚變、表面物理、半導體與微電子等尖端科學領域的應用。真空絕熱、干燥、蒸發、升華、蒸餾、凝結、濃縮、灌封、浸漆和涂覆等真空技術，在航天電子產品的電裝工藝中也得到廣泛的應用。為了保證航天器件的可靠性和質量篩選試驗的要求〔1〕，提高航天電子產品的裝聯質量，在航天電子產品裝聯工藝中，采用了真空灌封、真空浸漆和真空涂覆工藝技術，同時對其技術進行了深入的試驗研究。真空灌封技術將氣體絕緣轉換為固體絕緣；真空浸漆技術將電子產品內部無縫隙處理；真空涂覆技術將氣相沉積在產品表面，形成厚度均勻的薄膜，提高產品的絕緣性能，從而保證航天電子產品質量。

1　真空灌封技術

1.1灌封機理

灌封是將液態灌封材料如環氧樹脂，用機械或手工方式灌入裝有電子元件的模具中，在常溫或加溫條件下將其固化成型的過程。真空灌封是灌封材料在真空條件下脫氣，然后在真空條件下灌入裝有電子元件的模具中，最后將其固化成型的操作工藝〔2〕。

由于在常壓下會出現灌封部件內部的氣泡或漏料缺陷，很難保證產品的質量，這些缺陷造成產品絕緣性能下降，出現打火、電暈、飛弧等問題，如圖1所示。采用真空灌封工藝后，很好地解決了氣泡或漏料缺陷等問題。提高產品的絕緣性，保證了產品質量。

圖1　常壓下灌封缺陷圖

1.2灌封實驗材料的選擇

常用的灌封材料一般為環氧樹脂類和硅橡膠類。環氧樹脂類具有較好的導熱性能和附著力〔3〕，但在灌封過程中控制不當或者工作時受環境溫度變化的影響，使材料的膨脹系數產生變化，產生的應力可能會損壞元器件或焊點，固化期間的發熱也會對元器件造成損壞，而且環氧樹脂灌封后修復比較困難。通過分析采用硅橡膠類作為灌封材料進行試驗。常用的單組份室溫硫化硅橡膠為GD414［4］，經過試驗測試GD414主要性能數據見表1所列。

表1　單組份室溫硫化硅橡膠性能數據

硅橡膠的固化本質是一種硫化反應。室溫硫化硅橡膠是以粘度較低的聚硅氧烷為聚合物，在室溫下通過與濕氣或交聯劑混合均勻可硫化成彈性體［5］。通過試驗發現，由于操作時無法避免混進氣體，而且GD414材料是從表面向內部逐步固化的，從而造成在真空條件下，內部氣體膨脹。

另一種常用材料是道康寧公司的有機硅彈性體，為雙組份硅橡膠材料，內添加有導熱陶瓷粉，導熱性能較好，使用時按照一定的比例進行配料，充分攪拌后開始固化反應。經測試有機硅彈性體的主要性能數據見表2所列。

表2　道康寧有機硅彈性體性能數據

通過試驗發現，由于道康寧有機硅彈性體具有粘度小，流動性大的特點，在真空條件下容易固化，材料內部不易產生氣泡。單組份硅橡膠具有工藝容易實現，操作方便等優點。而雙組份有機硅彈性體由于固化過程中具有粘度小，流動性好的特點，在真空下不易產生氣泡和空洞，單組份和雙組份的優點相比，雙組份有機硅彈性體灌封效果優于單組份硅橡膠。

1.3耐壓強度試驗

在常溫常壓和真空條件下，對兩種硅橡膠類材料分別進行了耐壓強度試驗。按照單組份硅橡膠和雙組份有機硅彈性體進行測試，厚度在0.3 mm以下時，擊穿電壓都在3.5 kV以下；厚度在0.5 mm以上時，耐壓值可以達到5 kV以上，說明硅橡膠作為灌封材料，在常溫常壓下，涂層的厚度一定要達到0.5 mm以上，才可以保證5 000 V以上的耐壓值。測試數據如表3所列。

表3　試件耐壓檢測結果

真空條件下耐壓強度測試首先是采用單組份硅橡膠。在常溫常壓下固化后，在真空條件下電壓升至1 500 V，真空壓力降至400 Pa時，出現大面積的真空放電現象，持續的電弧和輝光放電，造成產品明顯的燒損，從真空設備取出試件進行分析，發現樣品的電極尖端未徹底防護。

當采用雙組份有機硅彈性體測試時，分別制作了0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm三種不同厚度的模具進行灌封，在固化過程中進行了真空除氣。真空度在0.1 Pa的狀態下，試件電壓逐步加到5 000 V時，也未出現拉弧放電等現象。取出試件進行了認真分析檢查，沒有發現試件內部有空腔、氣泡等缺陷。因此，只要在真空條件下內部空氣排凈，就可以大幅提高絕緣性能。

1.4真空灌封工藝流程

真空灌封工藝流程主要包括清洗、預烘、表面處理、配料、攪拌、真空除氣等過程〔6〕，如圖3所示。

圖3　真空灌封工藝流程

首先設計制作了專用的灌封模具，在清潔、預烘環節對產品進行清理，并烘干產品和模具內潮氣放入模具，然后配比灌封膠并攪拌，隨后對膠液真空除氣；由于灌封材料在常態下內部有少量的氣體，同時在對它們進行配比時也會混入少量的氣體，利用真空泵進行“除氣”，將會減少灌封物質內部的氣體。

開始“除氣”的時候，由于氣體較多，完全打開真空閥提高真空度。當真空室里的真空度達到0.1 Pa的要求時，灌封物質就會沿著容器上升，此時微調真空閥，降低真空室的真空度，這時灌封材料將向下沉。由于真空室內真空度的短時間變化，使得灌封材料中的氣泡破裂，有利于殘余氣體的排除。按照上述方法反復幾次以后，灌封材料內部氣體基本排凈，如圖4所示。

圖4　真空灌封合格產品

2　真空浸漆技術

2.1浸漆機理

真空浸漆是排除工件空隙內的空氣，增強漆的流動性、滲透性和填充性能，使浸漆更為密實〔7〕，具有更高的絕緣性能和機械強度。具體作法是在真空狀態下，將待浸工件放于一個密閉的容器中抽真空，然后將浸漆注入其中，使所有元器件、印制板、焊點、金屬緊固件無縫隙無遺漏地迅速浸透到工件的所有縫隙，達到浸漬目的。

2.2浸漆實驗材料選擇

根據航天電子產品工作時對環境溫度的要求，選擇了兩種常見的聚氨酯絕緣漆。經過認真測試，對兩種絕緣漆的性能進行比較，結果如表4所列。

表4　聚氨酯絕緣漆性能比較

通過對兩種聚氨酯絕緣漆樣件的真空浸漆，如圖5所示，從浸漆樣件表面看兩者無明顯區別，漆膜較為均勻，漆層光滑明亮。通過對漆層厚度測量，真空浸漆一遍后漆膜厚度約在50～80 μm；兩遍后漆膜厚度約在100～160 μm。考慮到浸漆工藝的涂覆材料受溫度變化影響發生縮漲，可能會對元器件產生一定的應力作用，影響元器件焊點的可靠性，確定選擇柔韌性好的聚氨酯絕緣漆材料。

圖5　真空浸漆樣件

2.3耐壓強度試驗

耐壓試驗主要分為常溫常壓下和真空條件下的試驗。在常溫常壓下，絕緣漆的耐壓值可以達到2 500 V以上。測試數據如表5所列。

表5　常溫常壓下試件耐壓檢測結果

在真空條件下，耐壓值可以達到5 000 V以上。測試數據見表6所列。

表6　真空條件下試件耐電壓檢測結果

2.4真空浸漆工藝流程

真空浸漆工藝流程主要包括清洗、非浸漆部位保護、預烘、真空浸漆、固化等〔8〕過程。如圖6所示。

圖6　真空浸漆工藝流程

首先要按照正確比例配置絕緣漆，必要時絕緣漆內可增加稀釋劑，以調節絕緣漆的粘稠度，隨后對絕緣漆進行真空除氣。由于在真空環境下進行浸漆，所以對于非浸漆部位（如產品外表面、電連接器）就需要進行防護。在實際操作時，對于產品的金屬外表面，在浸漆前使用聚酰亞胺壓敏膠帶和金屬鋁箔壓敏膠帶結合的方式進行防護，在絕緣漆涂層初步固化后，去除膠帶進行最終的固化處理。在清潔、預烘環節對產品進行清理，烘干潮氣后，根據產品的需要確定浸漆的次數。在實際操作中，在漆膜固化后檢查產品內部浸漆質量，尤其對尖端部位進行檢查，必要時可采用手工補涂絕緣漆的工藝，以保證高點部位的漆膜厚度。

3　真空涂覆技術

3.1涂覆機理

真空涂覆是用于材料表面防護的先進工藝，通常采用真空氣相沉積。在真空、常溫的環境下，對二甲苯自由基在物體表面逐漸聚合、沉積，形成覆蓋整個物體表面的高分子保護膜層。該材料具有優異的電氣性能和物理機械性能，可以涂敷到任何形狀的表面，包括尖角棱邊、裂縫和針孔表面。在復雜的異形表面氣相沉積形成厚度均勻一致的微米級薄膜，并且有穩定的不隨頻率改變的介電常數，在高頻應用中保證了產品的高壓絕緣性能〔9〕。

3.2涂覆材料

真空涂覆技術是在真空罐里進行氣相沉積，不存在陰影效應，而且Parylene材料分子很小，可以沉積到真空罐里的印制板和機箱所有的表面。Parylene與聚氨酯絕緣漆等其它表面絕緣材料性能指標如表7所列。

使用真空涂覆機進行真空涂覆試驗，在真空條件下沉積時間為10 h。涂覆完成后對表面進行認真觀測，Parylene-C涂層沉積較為均勻，光澤，無堆積現象，通過對膜層厚度測量約為20 μm。

3.3耐壓強度試驗

耐壓試驗也分為常溫常壓下和真空條件下的試驗。在常溫常壓下，Parylene-C涂層的耐壓值可以達到約3 500 V。真空條件下（真空度0.1 Pa）耐壓強度試驗，由于材料可以涂敷到任何形狀的表面，包括尖角棱邊、裂縫和針孔表面，而且厚度均勻一致，相對于真空浸漆，該工藝彌補了尖端部分絕緣厚度不足的問題。經過試驗也得到證實，在真空條件下，樣件的耐壓值達到4 000 V以上。

表7　絕緣涂層材料性能對照表

3.4真空涂覆應用

真空涂覆技術作為一項先進工藝，已經應用在液態涂料無法涉及的學科中，如微電子和半導體、混合電路、印刷電路板、傳感器和換能器、磁芯、醫用儀器、文物保護等［10］。與其他材料相比，涂層厚度可更薄，均勻致密，25 μm厚度的一般材料擊穿電壓只能達到1 000 V，而相同厚度的Parylene材料擊穿電壓達到4 000～5 000 V，提高了產品整體的高壓絕緣性能。

4　結論

綜上所述，這三種電裝工藝都采用了真空技術，收到很好的效果，達到了預期目的。灌封技術將氣體絕緣轉換為固體絕緣，有效的提高了產品絕緣能力，保證了高壓電在低氣壓下正常工作；浸漆技術將產品內部進行無縫隙、無遺漏的涂覆處理，提高產品整體的絕緣強度和抗高壓能力；涂覆技術通過氣相沉積，在產品表面形成厚度均勻一致，并具有穩定介電常數的薄膜，提高了產品整體的高壓絕緣性能。提高了產品質量，增加了技術含量，保證了產品在真空環境下可靠工作。今后，需要進一步利用真空技術，完善工藝流程，進一步提高產品的質量。

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APPLICATION OF VACUUM TECHNOLOGY TO TECHNICS OF ELECTRIC ASSEMBLE

LI Yao，CHENG Gang，ZHAO Guang-ping
（Lanzhou institute of Space Technology and Physics，Lanzhou 730000，China）

The application of vacuum technology to technics of electric assemble mainly includes vacuum encapsulation，vacuum impregnating and vacuum coating.The Insulation performance of products has been truly enhanced by vacuum encapsulation which switched gas isolation to solid isolation。The products has been entirely covered by insulated varnish after vacuum impregnating technic，and the insulation intensity and resist press capability of products has been enhanced.Products has been filmed uniformly by vapor deposition through vacuum coating technic and has high insulation intensity.Through application of vacuum technology to technics of electric assemble，insulating technics of space electronic products has been improved and provided high reliability and security guarantee for space electronic products.

vacuum technology；electronical installation technology；vacuum encapsulation；vacuum impregnating；vacuum coating

TM21

A

1006-7086（2015）02-0119-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.013

2015-03-02

李堯（1981-）男，陜西子長縣，工程師，主要從事航天電子產品的電裝工藝技術的研究。E-mail：46116380@qq.com。