微電路模塊灌封工藝研究

關亞男，王廣奇

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

隨著科技的發展，電子裝備在現代高科技武器裝備中所起到的作用越來越重要。武器裝備在對電子設備提出小型化要求的同時，對其信息容量的需求也迅速增長。小型化、高集成度的微型元器件、組件、微電路模塊已構成電子裝備的基本單元。電氣產品在航空航海等領域中的使用，因其環境特殊性，對器件也提出了更高的使用要求，例如更寬的耐高低溫范圍，以及耐壓、耐潮濕、抗腐蝕性等[1-5]。

灌封是將液態的灌封膠用機械或手工方式灌入裝有電子元件、線路的器件內，并在常溫或加熱條件下固化成為性能優異的熱固性高分子絕緣材料。其作用是整體增強電子器件的強度，提高對外來沖擊、震動的抵抗力，提升內部元件線路絕緣效果，避免元件線路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。灌封質量主要與產品設計、元件選擇、組裝及所用灌封材料密切相關，灌封工藝也是不容忽視的因素[6-9]。此處以某型號微電路模塊為研究對象，開展對灌封工藝的研究。

2 問題分析及方案設計

2.1 電路模塊存在的可靠性問題

所分析的該款微電路模塊采用金屬外殼結構、PCB 雙面表面貼裝、平行縫焊封蓋的組裝工藝。產品的電路結構見圖1。

圖1 產品結構示意圖

該模塊電路在無保護狀態下，貼裝了元器件的PCB 板與管殼底部需要一定的距離，以保證元器件和管殼底部完全絕緣，避免元器件與管殼底部接觸造成短路。但這樣的安裝狀態會造成器件的穩定性能較差，在突發的劇烈振動下可能導致元器件與管殼底部接觸，造成瞬間的短路失效，或是因為焊盤不穩定造成元器件脫焊。而且在PCB 板安裝時，可能會出現操作不當，導致元器件接觸管殼底部，進而造成短路，由于管殼腔體小，PCB 板拆卸困難，此時返工容易對管殼和PCB 板造成損傷，影響產品組裝成品率，不利于產品質量和可靠性。因此有必要在管殼和PCB 板之間進行有效的絕緣性隔離，避免上述問題。經分析研究，決定使用有機硅膠進行灌封隔離處理。

2.2 灌封膠的選擇

灌封膠具有絕緣、散熱、耐溫、防震的作用，可以有效提升電路的穩定性，使產品質量更加穩定，杜絕電路的安全隱患。市面上灌封膠的種類有很多，在使用中對灌封膠的基本要求是要有良好的絕緣效果，固化后要有一定的彈性。此外還要有散熱、耐高溫的特點，同時固化溫度不能太高（至少要低于焊接溫度），固化時間也不宜過長。

綜合考慮上述要求，通過試驗比較，選擇了某型號的雙組份導熱型有機硅灌封膠。刻型灌封膠具有高絕緣性、高散熱性和阻燃性，液體狀態時具有很強的流動性，適合手工小批量操作。該灌封膠在高溫固化后粘合力提高，具有良好的耐熱沖擊性，在密閉空間內加熱不會發生解聚，因此很適合本款電路使用。

2.3 灌封方案設計

以更方便、更易實現灌封操作為原則，設計了以下三種灌封方案：

方案一：焊接→灌封→固化

先將PCB 板焊接到管殼內，隨后進行灌封。PCB 板焊接到管殼上之后，若與管殼內壁之間的間隙過小，如圖1 所示，PCB 板的存在會影響灌封膠的流淌，導致PCB 板上面的灌封膠很難通過管殼和PCB 板周圍這樣狹小的間隙流淌充滿底層空間，從而出現空洞；也可能在安裝PCB 板時直接將PCB板接觸到管殼底部，導致元器件短路。該方案操作難度大，弊端也很明顯，未能避免安裝PCB 板時操作不當帶來的風險，無法完全實現灌封的目的。

方案二：灌封底層→焊接→灌封頂層→固化

先將管殼底部灌入一定量的灌封膠，隨后進行PCB 板安裝焊接，再進行頂部灌膠，最后固化。由于未固化的灌封膠處于液體狀態，安裝PCB 板時很難控制安裝狀態。如果控制不好施加在PCB 板上的力度和安裝位置，會導致灌封膠浸入引線的焊接孔，使得PCB 板無法進行焊接，產品無法繼續組裝，依靠返工來清理引線焊接孔也非常麻煩，成功率很低。該方案灌封操作難度不大，但會影響接下來的焊接操作，弊端明顯，無法保障產品的成品率。

方案三：灌封底層→固化→焊接→灌封頂層→固化

先將管殼底層灌入一定量的灌封膠，待其固化后，再安裝PCB 板，焊接后再進行頂層灌封，最后再進行一次固化。該方案操作難度不大，也不會影響焊接操作，而且在給PCB 板貼裝元器件的同時，就可以給管殼底層灌膠，并進行固化；固化需要的時間也不長，一般不會影響到生產效率。

對比上述三種方案，方案一和方案二操作上不方便，增加了很多隱患；方案三操作比較簡單，還能起到PCB 雙面器件的加固作用，在絕緣、散熱的同時，可以防震、提高器件的穩定性，又保證了管殼內的灌封膠充分填充于管殼，確保電路的正常工作。因此選用方案三作為灌封操作的最終方案。

3 灌封工藝研究

3.1 灌封工藝核心步驟

(1) 配比制備

先將選用的灌封膠各組份徹底攪拌均勻，然后用大針管按配比比例分別抽取，注入量杯中，再用玻璃棒單方向均勻、充分攪拌。注入到量杯中的灌封膠不應大于量杯容積的2/3。由于手工攪拌會混入空氣，因此要將配制好的膠液進行抽真空脫泡操作。為確保灌封膠中無氣泡殘留，須多次反復進行抽→放→抽的操作。

(2) 灌膠填充

用小針管從量杯中抽取適量灌封膠，并將其勻速緩慢推入管殼內。這樣操作的目的一方面是控制灌封膠的量，另一方面是為了避免在灌膠過程中再次混入空氣。

(3) 固化

將灌封件放入烘箱中，按照設定的溫度和時間進行固化；也可以在室溫條件下自然固化，不過這樣固化時間較長，且粘合力也沒有高溫固化的效果好。如果條件允許，應盡量在烘箱中完成固化，以最大限度提高粘合力。

3.2 灌封膠量的確定

首先進行底層灌封膠量的確定。根據管殼腔體的高度、焊接后的PCB 板正反面器件中最高器件的高度差，可計算出管殼腔體內剩余高度。為確保灌封膠完全灌封以及封蓋等需求，還應考慮針管的精度、操作可行性，最終確定灌封膠量底層的灌膠量。

隨后進行上層灌封膠量的確定。在上一步底層灌封膠量確定之后，由于組裝過程中會出現誤差，為確保灌膠后不影響封蓋，需要預留出蓋板的高度；通過反復的操作觀察，在保證封蓋要求的同時灌滿元器件。

最終，確定總膠量：為了不影響封蓋，需要在管殼頂部預留出蓋板厚度的距離。為了便于觀察，可用記號筆在該位置做上標記。取一只組裝后的管殼，按要求做好標記后，將管殼固定，然后抽取一定量的水，注入到該管殼中，注意觀察水在管殼中的位置變化，當達到標記位置時停止注水，放上蓋板，然后取下蓋板，觀察蓋板是否有水印，如果有，證明水量偏多。通過反復嘗試，最終可確定總灌封膠量。

3.3 工藝過程控制

首先要選用適合的灌膠工具。由于該款模塊電路管殼腔體較小，第一次灌封需要的灌膠量較少（大約0.1 ml），常見20 ml 針管的刻度精度為1 ml，無法滿足膠量的精準控制。為了滿足灌封需求，在此選取了2 ml 帶刻度玻璃針管，精度為0.1 ml。在抽取灌封膠時發現，針管的氣密性不好，無法準確控制灌封膠抽取量，難改滿足對灌封膠量控制的要求，于是又改用一種1 ml 帶刻度塑料針管，精度為0.05 ml。使用時，針管氣密性好，很容易控制注膠量，最終實現了對灌封膠量的精準控制。

其次要考慮對輔助工具的選取，包括：大針管（帶刻度）、小針管（帶刻度）、量杯、玻璃棒、傳送盒，防靜電手環。

此外還要注意環境要求，灌封操作工藝應在一定級別的潔凈室內進行，室內要保持一定的溫濕度，并且要有合乎標準的防靜電措施。

4 驗證結果及結論

在驗證實驗中，共選取8只樣品，采用上述方案三的操作方法進行灌封操作，并在烘箱內按要求固化，固化后進行平行縫焊封蓋。對樣品進行篩選試驗和鑒定試驗，以驗證灌封方案的可靠性。篩選試驗結果如表1 所示。篩選結論：8只樣品全部合格。

表1 篩選試驗

再將做過篩選試驗的樣品進行鑒定檢驗試驗，試驗條件與結果如表2 所示。鑒定結論：按照鑒定檢驗流程進行分組試驗，各分組試驗全部合格。

表2 鑒定檢驗

5 結 束 語

試驗結果表明，灌封后的電路相對于未灌封的電路，電路在功能、性能及電參數上沒有明顯的差異，可見灌封處理并沒有影響產品的功能、質量及可靠性，而且還提高了產品的組裝成品率，極大程度減少了產品的質量隱患。對于該型電路模塊，灌封膠的選擇和灌封方案的設計是合理的、可行的，其設計思路與實現方案對于其他型號的電路產品，也具有一定的參考與推廣價值。