元件、模块在低气压环境使用条件下灌封问题的探讨
2010-01-05 11:16:08
来源：《磁性元件与电源》2010年1月刊
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1 引言
简单的说灌封就是把电子元器件的各部分按要求与环境隔离保护的操作工艺，它的作用是强化电子元器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力，提高内部元件、线路间的绝缘，避免元件直接暴露于环境中，改善器件的防水、防潮性能。
在高空低气压使用环境下，高度越高，真空度越低，90km 时的真空度为 1×10-1pa，200km 高空为 1.5×10-4pa，在这种高真空低气压状态下，元件电极间很容易产生真空放电，分开一定距离的两个金属表面间也会发生微放电的现象，甚至会产生严重的电晕放电现象，产生电击穿，使得元器件损伤报废，导致整机不能正常工作。这就要求元器件的电极或两金属面间不能有空气隙的存在，需加强绝缘电极及各金属表面间的绝缘，灌封工艺就是解决这个问题的有效方法。
2 灌封材料的选用及工艺
在低气压使用条件下，$灌封材料$的选用也是很关键的一个环节。有些材料在聚合物中含有大量低分子物，在高真空低气压环境下，这些低分子物会从材料中逸出，这些逸出物会凝结在附近的冷表面上，造成污染，会导致严重后果。在高真空低气压环境下（一般真空度在高于 1×10-2pa 的情况下），所有材料都会有真空出气现象，气体会不断的从材料表面放出，这些气体的产生主要是溶解在材料内部的气体或吸附在材料表面的气体，在高真空低气压环境下，会从材料内部向真空边界扩散最后脱离材料，这些脱离出来的气体同样会凝结在附近的冷表面上，导致严重后果。因此，对高空低气压灌封材料就提出了一个特殊的性能指标——真空总质量损失(TML)、可凝挥发物(CVCM)。在选择了合适的灌封材料后，灌封工艺的过程控制就至关重要了。在灌封工艺的的过程控制中，真空干燥脱泡是非常重要的一个步骤。
首先，要针对灌注基件进行真空干燥、除潮，杜绝一切产生气泡潮气的隐患，针对不同的元器件组合以及元件结构材料及绝缘材料的选择确定真空干燥的工艺参数。然后对灌封料进行真空脱泡，不同的灌封料选择的工艺参数也是不同的，针对灌封料的特性确定工艺参数，目的都是最大限度的清除潮气与气泡。
3 灌封料与灌注基件的粘接性
灌封料与灌注基件的粘接性问题是低气压环境使用条件下灌封过程中最关键、最难解决的问题。如果灌封料与灌注基件粘接不牢靠，就造成了灌封料与灌注基件之间的分层，形成空气隙，上机通电使用会产生电晕，严重的时候会电击穿造成元件损伤报废，整机瘫痪不能工作。
灌封材料与灌注基件粘接不牢靠产生的原因是多方面的，这与元件结构有关，如果元件结构不是电子元器件组合，金属件比较多的情况下，灌封固化过程中灌注基件与灌封料的收缩率不同，是造成固化后灌封料与基件分层的最大原因。解决这个问题的方案就是，元件结构设计时尽量避免选用与灌封料收缩率差异很大的材料，如果无法避免，就在结构件上采取措施，增加灌封料与灌注基件的机械咬合性。另外在选择灌封料的时候除了考虑电性能指标和其他性能的同时，选择收缩率小的灌封料。
如果元件结构是电子元器件的组合，电子元器件与印刷电路板表面的漆层，是除了灌封材料自身原因外灌封料与基件粘接不牢靠的最大原因。电子元器件与印刷电路板表面漆层很光滑，减弱了灌封材料与灌注基件之间的机械咬合性。不同的灌封料对电子元器件与印刷电路板的粘接性反应不同，环氧灌注料对电子元器件与印刷电路板的粘接性相对来说好很多，而硅橡胶与电子元器件与印刷电路板的粘接性就很差，理论上分析，硅橡胶与电子元器件、印刷电路板表面漆层不能形成化学键，灌封料固化后与电子元器件与印刷电路板粘接不牢靠，会有分离现象发生。解决的方案就是选择合适的耦连剂，增加硅橡胶与电子元器件、印刷电路板表面漆层的亲和力，使漆层与硅橡胶牢固的粘接在一起而提高胶层的附着力。
元件引出线与灌封料的粘接问题同样是低气压使用条件下灌封中很棘手的一个问题。引出线表面绝缘材料形形色色、很多品种，灌封料的品种也有不同，各种引出线与各灌封料的粘接性都不是很好，引出线表面绝缘材料不像电子元器件与印刷电路板表面漆层材料那么单一，单一的耦连剂不能有效的提高所有引出线与灌封料的粘接性。为了改善各种引出线与灌封料的粘接性，需要采取对各种引出线表面进行等离子活化处理，提高引出线外表面绝缘材料与灌封料的亲和力，有效的提高灌封料的附着力，避免灌封料与引出线的机械分层，引发空气、潮气渗入元件内部，造成上机通电使用打火、击穿现象发生。
4 结束语
随着电子技术的不断发展，高空低气压环境下使用的高压元件或模块越来越多，传统的灌封工艺已不能满足要求，寻求新材料新工艺势在必行。本文针对工作中遇到的问题做了浅显的探讨，望各位同行指正。
参考文献
[1] 蒯正兴，产品介绍，航天器高真空环境试验设备（2006年第1期）
[2] 乔红云，有机硅灌封材料的研究进展，材料科学与工程学报，2006年Vol 24 No.2
简单的说灌封就是把电子元器件的各部分按要求与环境隔离保护的操作工艺，它的作用是强化电子元器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力，提高内部元件、线路间的绝缘，避免元件直接暴露于环境中，改善器件的防水、防潮性能。
在高空低气压使用环境下，高度越高，真空度越低，90km 时的真空度为 1×10-1pa，200km 高空为 1.5×10-4pa，在这种高真空低气压状态下，元件电极间很容易产生真空放电，分开一定距离的两个金属表面间也会发生微放电的现象，甚至会产生严重的电晕放电现象，产生电击穿，使得元器件损伤报废，导致整机不能正常工作。这就要求元器件的电极或两金属面间不能有空气隙的存在，需加强绝缘电极及各金属表面间的绝缘，灌封工艺就是解决这个问题的有效方法。
2 灌封材料的选用及工艺
在低气压使用条件下，$灌封材料$的选用也是很关键的一个环节。有些材料在聚合物中含有大量低分子物，在高真空低气压环境下，这些低分子物会从材料中逸出，这些逸出物会凝结在附近的冷表面上，造成污染，会导致严重后果。在高真空低气压环境下（一般真空度在高于 1×10-2pa 的情况下），所有材料都会有真空出气现象，气体会不断的从材料表面放出，这些气体的产生主要是溶解在材料内部的气体或吸附在材料表面的气体，在高真空低气压环境下，会从材料内部向真空边界扩散最后脱离材料，这些脱离出来的气体同样会凝结在附近的冷表面上，导致严重后果。因此，对高空低气压灌封材料就提出了一个特殊的性能指标——真空总质量损失(TML)、可凝挥发物(CVCM)。在选择了合适的灌封材料后，灌封工艺的过程控制就至关重要了。在灌封工艺的的过程控制中，真空干燥脱泡是非常重要的一个步骤。
首先，要针对灌注基件进行真空干燥、除潮，杜绝一切产生气泡潮气的隐患，针对不同的元器件组合以及元件结构材料及绝缘材料的选择确定真空干燥的工艺参数。然后对灌封料进行真空脱泡，不同的灌封料选择的工艺参数也是不同的，针对灌封料的特性确定工艺参数，目的都是最大限度的清除潮气与气泡。
3 灌封料与灌注基件的粘接性
灌封料与灌注基件的粘接性问题是低气压环境使用条件下灌封过程中最关键、最难解决的问题。如果灌封料与灌注基件粘接不牢靠，就造成了灌封料与灌注基件之间的分层，形成空气隙，上机通电使用会产生电晕，严重的时候会电击穿造成元件损伤报废，整机瘫痪不能工作。
灌封材料与灌注基件粘接不牢靠产生的原因是多方面的，这与元件结构有关，如果元件结构不是电子元器件组合，金属件比较多的情况下，灌封固化过程中灌注基件与灌封料的收缩率不同，是造成固化后灌封料与基件分层的最大原因。解决这个问题的方案就是，元件结构设计时尽量避免选用与灌封料收缩率差异很大的材料，如果无法避免，就在结构件上采取措施，增加灌封料与灌注基件的机械咬合性。另外在选择灌封料的时候除了考虑电性能指标和其他性能的同时，选择收缩率小的灌封料。
如果元件结构是电子元器件的组合，电子元器件与印刷电路板表面的漆层，是除了灌封材料自身原因外灌封料与基件粘接不牢靠的最大原因。电子元器件与印刷电路板表面漆层很光滑，减弱了灌封材料与灌注基件之间的机械咬合性。不同的灌封料对电子元器件与印刷电路板的粘接性反应不同，环氧灌注料对电子元器件与印刷电路板的粘接性相对来说好很多，而硅橡胶与电子元器件与印刷电路板的粘接性就很差，理论上分析，硅橡胶与电子元器件、印刷电路板表面漆层不能形成化学键，灌封料固化后与电子元器件与印刷电路板粘接不牢靠，会有分离现象发生。解决的方案就是选择合适的耦连剂，增加硅橡胶与电子元器件、印刷电路板表面漆层的亲和力，使漆层与硅橡胶牢固的粘接在一起而提高胶层的附着力。
元件引出线与灌封料的粘接问题同样是低气压使用条件下灌封中很棘手的一个问题。引出线表面绝缘材料形形色色、很多品种，灌封料的品种也有不同，各种引出线与各灌封料的粘接性都不是很好，引出线表面绝缘材料不像电子元器件与印刷电路板表面漆层材料那么单一，单一的耦连剂不能有效的提高所有引出线与灌封料的粘接性。为了改善各种引出线与灌封料的粘接性，需要采取对各种引出线表面进行等离子活化处理，提高引出线外表面绝缘材料与灌封料的亲和力，有效的提高灌封料的附着力，避免灌封料与引出线的机械分层，引发空气、潮气渗入元件内部，造成上机通电使用打火、击穿现象发生。
4 结束语
随着电子技术的不断发展，高空低气压环境下使用的高压元件或模块越来越多，传统的灌封工艺已不能满足要求，寻求新材料新工艺势在必行。本文针对工作中遇到的问题做了浅显的探讨，望各位同行指正。
参考文献
[1] 蒯正兴，产品介绍，航天器高真空环境试验设备（2006年第1期）
[2] 乔红云，有机硅灌封材料的研究进展，材料科学与工程学报，2006年Vol 24 No.2
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