膠層非連續氣泡對電連接器灌膠性能的影響分析

楊志云 劉虹 王舒丹 邱星園 張懋慧

上海空間電源研究所 上海 200245

引言

焊接型電連接器為了實現與導線的連接一般采取焊接的連接方式，連接焊點主要采用熱縮套管熱縮縮緊的措施，以保護不同焊點不發生短路或在導線彎曲時受到導線彎曲拉力的影響而造成焊點失效。當焊接的導線相對電連接器焊杯過小時，熱縮套管則因收縮比例限制而無法同時收緊焊杯和導線，此時可以采取電連接器灌膠的方式，實現對焊點的保護[1]。然而，電連接器灌膠固化后，目測發現個別膠層存在若干非連續性的直徑不大于2mm的氣泡，一般情況下，如果出現有氣泡情況，需要進行補膠處理[2]。然而經過大量試驗，硅橡膠的膠層中出現氣泡的現象始終無法消除，且無法修補。為此，本文對電連接器灌膠后膠層存在非連續氣泡的現象進行研究，分析膠層非連續氣泡對電連接器灌膠性能的影響，以此作為膠層存在非連續氣泡的電連接器是否合格的依據。

1 研究背景

電連接器是一種電氣連接插件，如接頭、插頭，即一種用于將兩個有源器件連接在一起的裝置，可以支持信號、電流的傳輸。在電連接器的安裝中，人們通常會對其予以灌膠處理，而這種處理措施的主要作用是，待膠體凝固后，將連接器焊縫予以密封，由此防止水分進入到連接器中，造成短路，影響電流、信號的正常傳輸。在此背景下，該膠體部分必須具備足夠的絕緣性能，而且應當耐高溫、耐低壓，由此才能避免對電流、信號的傳輸產生干擾。尤其是在絕緣方面，如果膠體的絕緣性能不足，很容易直接為線路造成損壞，影響電連接器的正常使用。但一般來說，膠體材質本身就具備足夠的絕緣性，能夠滿足連接器的使用需求。而事實上，灌膠固化后，膠體材質中經常會出現一些非連續氣泡，且這些氣泡難以通過具體的操作手段予以消除，因此，大多數情況下，通過灌漿操作形成的電連接器焊點密封膠體，并不是100%的膠體，而是由膠體與氣泡組成的，這使得膠體的絕緣性能狀態存在一定的不確定性，因此，需要先驗證存在非連續氣泡的膠體的絕緣性能，是否可以滿足連接器運行要求，如果可以滿足，則將非連續氣泡因素進行忽略，若不能滿足，就需要對如何消除膠體中的非連續氣泡予以深入分析，由此改善灌膠工藝，保證灌膠操作效果。為此，需要先對非連續氣泡可能會帶來的影響予以驗證，確定其是否影響膠體的絕緣性能，為電連接器灌膠工藝的持續優化提供依據。

2 氣泡膠層現象及成分

部分電連接器（本文以J599I/20FG75SHN為例說明）在灌硅橡膠并固化后，膠層存在明顯的若干獨立的氣泡，具體如圖1所示。這種膠層固體部分為硅橡膠，氣泡部分為空氣，因此電連接器的金屬外殼與焊點之間、焊點與焊點之間是由硅橡膠和空氣組成的混合體。

圖1 膠層含有氣泡的電連接器照片

3 灌膠的目的與檢測方法分析

在生產過程中，電連接器灌膠目的一方面是為了保護電連接器焊點在尾部導線發生折彎時不會因導線折彎產生應力過大而發生斷開的情況，另一方面為了進行隔離，防止意外發生金屬外殼與接點、接點與接點之間的金屬搭接而發生短路。雖然有報道提出了電連接器氣密性的要求[3]，然而本文要解決的問題是灌膠代替熱縮套管的問題，因此本文不再探討氣密性的影響。

針對電連接器的灌膠目的，我們可以采取相應的措施，對氣泡膠層的性能進行評估。主要方法包括，一方面可以評估氣泡膠層應力條件下的形變量，該方法采用普通的測試方法，難以表述清楚，為此進一步可以采取力學仿真形變量的方式進行評估；另一方面可以測試電連接器金屬外殼對接點、接點對接點的絕緣性能，雖然可以明確分析氣泡不會對絕緣性能造成影響，但為了更為嚴謹，本報告采用100V檔絕緣電阻表測試氣泡膠層的絕緣電阻值來直接評估其絕緣性能。

4 灌膠固化后膠層性能評估和測試

4.1 力學性能評估

在Ansys15.0系統中，按照結構靜力計算[4]的內容，設置膠層的楊氏模量為7.8Mpa，泊松比0.47，對尺寸為Φ60×30的膠層的抗壓性能進行靜力學性能仿真，仿真對象無氣泡的膠層（1#）和存在若干直徑為2mm氣泡膠層（2#），具體如圖2所示，仿真主要考察膠層的力學條件下的形變量，仿真結果見圖3。

圖2 膠層結構圖（1#左側，2#右側）

圖3 膠層形變云圖（1#左側，2#右側）

從圖3可以看到，1#膠層形變較為均勻，最大形變量為1.6146mm，2#膠層形變由于氣泡的存在，形變為非均勻狀態，最大形變量為1.7018mm。對比兩種膠層，2#膠層的形變量相比1#膠層增加了5.4%，因此氣泡對應力條件下尺寸的變化并不明顯。因此，2#膠層在保持導線尺寸穩定性的衰減不明顯，仍然可以實現對電連接器焊點的保護。

4.2 絕緣性能分析和測試

由于硅橡膠材質為絕緣體，氣泡也是絕緣體，因此可以理論分析，膠層存在氣泡的電連接器的金屬外殼與焊點之間、焊點與焊點之間均具有良好的絕緣性能。

用100V絕緣電阻表測量電連接器接點1、2、3、4點分別對外殼、電連接器接點1電對電連接器2、3、4點、電連接器2點對電連接器3、4點、電連接器3點對電連接器4電的絕緣性能，測試結果詳見表1。

表1 絕緣測試結果表

從表1可以看到，內部存在氣泡膠層的電連接器絕緣性能可以滿足絕緣要求值。

5 討論

根據上述結果，可以了解到，非連續氣泡本身具有絕緣性質，因此，非連續氣泡本身并不會對膠層的絕緣性能產生不可忽略的影響。但非連續氣泡中的主要成分應當以空氣為主，所以其中會存在一些水分和氧氣，這對于焊點來說可能有受腐蝕的風險，但非連續氣泡本身的體積較小，所攜帶的水分和氧氣也比較少，所以總體來說，其所帶來的腐蝕風險較小，同時，根據上述論述，其也不會影響膠體的絕緣性能。為此，在進行電連接器灌膠作業時，無需將非連續氣泡生成控制作為工藝優化改善重點，并可以直接忽略非連續氣泡的形成。

6 結束語

本文通過仿真評估了氣泡膠層內應力情況和形變情況，通過絕緣電阻表測試了含有氣泡膠層電連接器的絕緣性能，結果表明，膠層非連續氣泡對電連接器灌膠性能的影響可以忽略不計，因此膠層含有非連續氣泡，且直徑不大于2mm時，該電連接器仍然為合格品。