RTV硅橡膠-直插二極管體系的粘固界面應力模擬研究

周鵬偉，劉濤，劉瑜，王珂，許均江，馬禎

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

引言

室溫硫化（RTV）硅橡膠，是指在室溫下不需要加熱、加壓、混煉等成型過程即可發生硫化交聯反應形成彈性體的硅橡膠，硫化過程中釋放出醇類、醋酸等低分子產物。它具有良好的電氣絕緣性和化學穩定性，能夠防水、耐熱、耐臭氧、耐氣候老化、耐火焰等性能，硫化過程不吸熱、不放熱、固化收縮率小，因此被廣泛在航空、航天、電子儀表等重要工程領域中應用[1,2]。在航天方面上，硅橡膠主要用于電子產品內元器件和導線束的粘固密封，增加其對振動、沖擊等力學環境的適應能力。D04 是一種常用的脫醇型吸濕固化單組分室溫硫化硅橡膠，具有透明、流動性好、無腐蝕（中性）、使用方便以及耐大氣老化等特點，常用來固封二極管、電阻、電容等器件。但發現目前關于二極管的點膠高度要求存在爭論：QJ 3258《航天電子電氣產品硅橡膠粘固及灌封技術要求》中5.2.2.2節和文獻[3]說明“一般條件下，臥式安裝元器件粘固時，粘固高度為安裝面至元器件本體高度三分之二處”。硅橡膠的使用是為了增強元器件在力學環境中抵抗力，使用更多量的硅橡膠在理論上可以起到更好地發揮加固器件的作用，但是由于硅橡膠與元器件以及印制板之間熱膨脹系數的差異，導致在溫變環境中產生的熱應力則會增加器件受損的風險，而且隨著硅橡膠的使用量增加，熱應力作用也增加。在某型產品已經出現了類似質量問題。因此，力、熱環境對于硅橡膠的點膠要求存在相互制約的情況，需要對其進行深入的研究。本研究工作以直插玻璃鈍化二極管BWA66作為研究對象，使用D04硅橡膠對其進行粘固，然后通過ANSYS軟件對不同點膠高度下二極管在力學隨機振動和高低溫循環過程的應力分布進行仿真模擬，最后分析研究該類元器件最適宜的點膠工藝參數。

1 試驗準備

1.1 材料準備

本工作研究的單組份RTV硅橡膠D04由上海橡膠制品研究所有限公司生產。選用鈍化玻璃二極管是BWA66，D2-10A封裝。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料物性參數

印制板材料參數、元器件本體材料參數、引腳材料參數咨詢廠家或查詢相關文獻獲得，如表1所示。

表1 材料的物性參數

1.2.2 點膠模型

建立硅橡膠對直插玻璃鈍化二極管不同點膠高度的模型如圖1所示。

圖1 不同點膠高度的二極管模型

1.2.3 溫度循環模擬條件

高低溫試驗條件：

1）溫度范圍：（-55～+125）℃；

2）變溫率（箱內空氣溫度變化的平均速率）：不小于5 ℃/min；

3）一個循環周期：4 h，其中高溫停留1.5 h、低溫停留2 h；

4）循環次數：不少于25.5次。

1.2.4 力學振動模擬條件

表2所示的是隨機振動的試驗條件，其余模擬過程中所需的參數可以參見高低溫過程中所列參數。

表2 隨機振動試驗條件

2 試驗結果分析與討論

2.1 溫度循環試驗模擬

2.1.1 不點膠的二極管熱應力分布

表3所示的是單個不點膠鈍化玻璃二極管的高低溫過程中不同溫度下的應力狀態。

表3 單個不點膠鈍化玻璃二極管的高低溫過程中不同溫度下的應力狀態

2.1.2 不同點膠高度二極管的熱應力分布

不同點膠高度下二極管在溫度循環環境下的應力分布情況見表4。

表4 不同點膠高度下二極管的應力分布情況

2.1.3 結果分析與討論

表5所示的是鈍化玻璃二極管在不同點膠工藝下硅橡膠本體、元器件本體以及元器件引腳上最大熱應力σmax。首先，從不點膠的二極管器件本體及其引腳的最大應力結果可知，器件受損風險最大是低溫階段-55 ℃（器件本體40.37 MPa，器件引腳88.38 MPa）和高溫階段125 ℃（器件本體27.79 MPa，器件引腳102.33 MPa）。而且由于在高溫階段，硅橡膠自身良好的彈性，可以通過自身形變來釋放應力，因此在125 ℃時硅橡膠本體應力很小，而且與不點膠時相比，D04硅橡膠對二極管本體和引腳的應力幾乎沒有影響。但是在-55 ℃低溫狀態下硅橡膠的較高彈性模量（即抗彈性變形能力強）導致自身無法較好地釋放高低溫環境中產生的熱應力，硅橡膠本體應力顯著增大。

表5 鈍化玻璃二極管在不同點膠工藝的最大熱應力σmax

與不點膠相比，當點膠高度達到1/2倍器件本體高度時，-55 ℃點膠后二極管本體及其引腳的最大應力分別增長了大約3.7倍和1.5倍。隨著點膠高度增加，二極管器件本體及其引腳所受最大熱應力則繼續增大。當點膠高度為1倍器件本體高度時，二極管器件本體應力增大了4倍以上，器件引腳所受最大應力增大了2倍以上。

2.2 力學振動試驗模擬

2.2.1 不點膠時鈍化玻璃二極管的力學振動模擬

圖2所示的是不點膠時二極管分別在X軸和Z軸振動方向上器件本體及其引腳的應力分布?？梢钥闯鯴軸振動方向對器件本體及引腳的影響甚微，因此，本次研究工作主要考慮Z軸方向上的振動模擬。

圖2 不點膠時二極管本體及其引腳的應力分布

2.2.2 不同點膠高度對二極管的應力分布的影響，見表6

表6 不同點膠高度時二極管本體、膠體以及器件引腳的應力分布

2.2.3 結果分析與討論

表7所列的是二極管在不同點膠高度下的最大應力σmax。首先，對比不點膠和點膠高度為器件本體1/2高度時，點膠后器件本體和器件引腳的最大應力均表現出略微增大趨勢，由此推出，該種點膠方式對于提高器件的抗力學沖擊能力助力不大。并且隨著點膠高度增加到2/3倍器件本體高度時，器件本體及其引腳的最大應力則繼續增大，相較于不點膠的狀態，器件引腳的最大應力增加接近20 %。但是當器件整體均被硅橡膠包覆即點膠高度為1倍器件本體高度時，雖然相較于不點膠時器件本體最大應力還是略有增大，但是相較于1/2和2/3倍器件本體高度時則明顯減少了，這可能是因為整體包覆改善了硅橡膠—器件殼體界面應力集中的情況；并且器件引腳的最大應力比不點膠的狀態略微減小，由此可見該種點膠方式能夠稍微改善元器件在力學振動過程中的抗破壞能力。

表7 鈍化玻璃二極管在不同點膠高度下Z軸振動方向下的最大應力σmax

3 結束語

本研究工作以D04硅橡膠和直插玻璃鈍化二極管（D2-10A封裝）為主要研究對象，通過ANSYS軟件對力學振動和溫度循環過程進行仿真模擬，對不同點膠高度在力、熱環境下的應力分布進行了模擬研究。結果表明，由于硅橡膠與元器件以及印制板之間熱膨脹系數的差異，則導致硅橡膠在高低溫循環過程中增加對二極管元器件本體及其引腳的應力，并且隨著點膠高度增加到1倍器件本體高度時，器件本體以及引腳的最大應力相比不點膠時分別增長了4倍和2倍以上。但在力學振動過程，1/2倍和2/3倍器件本體點膠高度對于元器件的抗力學能力并沒有改善作用，只有在點膠高度達到1倍器件本體時，點膠操作才能稍微改善器件引腳受力情況。