產(chǎn)品電子元器件封裝及加固技術(shù)

許磊

（西安電子工程研究所，西安 710100）

?

產(chǎn)品電子元器件封裝及加固技術(shù)

許磊

（西安電子工程研究所，西安 710100）

為保證電子器件的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，在傳統(tǒng)“三防”的基礎(chǔ)上，著重論述了產(chǎn)品電子元器件的封裝、加固技術(shù)。方法 介紹了常用的封裝加固材料的性能，針對不同的器件，規(guī)定了封裝加固工藝流程，其中針對導(dǎo)引頭提出了兩種封裝材料，其耐沖擊指標(biāo)達(dá)到8×103g～20×103g。為三防設(shè)計(jì)及選材提供了依據(jù)，對工藝防護(hù)提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求，從而避免缺陷導(dǎo)致的質(zhì)量問題。電子元器件封裝加固技術(shù)，能夠提高電子產(chǎn)品的防護(hù)性能，具有一定指導(dǎo)作用。

電子器件；材料；三防技術(shù)；封裝技術(shù)；加固技術(shù)

為保證電子器件的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，滿足惡劣環(huán)境下的使用要求，需對調(diào)試后的印制板及電子模塊進(jìn)行三防涂覆處理。三防涂覆處理就是將“三防”涂料涂覆在印制板、屏蔽盒及組合表面上，使被涂覆的對象與周圍的環(huán)境腐蝕物隔離開來，從而提高其防潮濕、防霉菌、防鹽霧的能力。對于一些特殊環(huán)境（如高濕熱及高鹽霧條件下的海洋氣候、彈體發(fā)射及運(yùn)行過程中的高過載沖擊等）下使用的電子產(chǎn)品，還必須在以上三防涂覆的基礎(chǔ)上，對電子器件采取整體封裝、加固措施，將腐蝕介質(zhì)和被保護(hù)對象隔離開來，防止防護(hù)層失效后腐蝕介質(zhì)的滲入，對高過載沖擊的器件，通過灌封，提高電子元器件防振、抗高過載沖擊能力。

1　元器件封裝技術(shù)

1.1封裝材料的選擇

三防涂層可以提供一層20～200 μm的保護(hù)膜，但它不耐高機(jī)械沖擊，膜層間存在針孔，不能完全抵抗水氣進(jìn)入。這種防護(hù)層可用于一般大氣環(huán)境下或艙內(nèi)使用的電子設(shè)備，尚能滿足防護(hù)要求，但對于暴露在海洋環(huán)境下使用的產(chǎn)品，就必須選用合適材料對電子器件進(jìn)行整體封裝。元器件整體封裝，就是用合適的封裝材料將需要封裝的器件包裹起來，與使用環(huán)境徹底隔絕，保證器件電氣性能不受外界環(huán)境影響，達(dá)到防護(hù)目的［1］。

電子工業(yè)中常用的灌封材料有環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅和聚氨酯，其中有機(jī)硅和環(huán)氧樹脂應(yīng)用最廣泛［2］。環(huán)氧樹脂具有耐化學(xué)藥品性能良好、附著力強(qiáng)、絕緣性優(yōu)良、耐磨性強(qiáng)、力學(xué)強(qiáng)度高、反應(yīng)后尺寸穩(wěn)定和耐輻照性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3—5］。其缺點(diǎn)是彈力不夠［6］，脆性大，韌性不足，固化時(shí)有一定的內(nèi)應(yīng)力［7］。器件為一次性封裝，一旦封裝無法拆裝，不可維修，一般多用于高可靠電路的封裝，如高壓變壓器、電源等產(chǎn)品的封裝。

有機(jī)硅凝膠和聚氨酯材料屬于彈性封裝材料，其綜合性能優(yōu)越，便于拆裝，可維修性好，所以應(yīng)用于一些復(fù)雜電路，如印制板、中低頻模塊等。常用的硅凝膠有GN521，GN522等，硅橡膠有南大704、南大 705、硅酮 482c等，聚氨酯材料有UR5048。一些常見封裝材料的性能見表1。

表1　常見的封裝材料的主要性能Table 1　Main properties of common encapsulating materials

1.2元器件的封裝

1.2.1印制板上元器件的封裝

印制板上元器件封裝的工藝流程如圖1所示。

圖1　印制板元器件封裝工藝流程Fig.1　Encapsulating process of PCB components

對于印制板的封裝材料，GN522及UR5048均能滿足使用要求，二者都是雙組分包裝，使用時(shí)將甲、乙組分按比例混合攪勻后，應(yīng)放入真空箱中抽真空消除氣泡后，倒入需封裝的部位，常溫固化。對于局部小器件的封裝，也可采用南大705作為封裝材料。

1.2.2電纜插頭尾部的封裝

電纜插頭焊接完后，應(yīng)選用6101環(huán)氧樹脂、GD-414、南大703等對其進(jìn)行封裝，以防止其受潮導(dǎo)致短路、打火。對高壓插頭焊接點(diǎn)，預(yù)先采用常溫固化的環(huán)氧樹脂或南大703封裝，最后用熱縮套管進(jìn)行熱縮處理，這樣處理的插頭，具有很好的抗折彎能力和防水絕緣能力，已在多種型號產(chǎn)品中得到應(yīng)用，防護(hù)效果十分顯著。具體操作工藝流程為：焊接插頭—清洗—乙醇檢漏—驅(qū)潮—封裝—固化、封尾—套熱縮套管—熱縮—貼標(biāo)志—檢驗(yàn)。

1.2.3導(dǎo)引頭彈載器件的封裝

導(dǎo)引頭彈載電子器件在隨彈體發(fā)射及飛行過程中，要承受巨大沖擊力，沖擊強(qiáng)度達(dá)上萬個(gè)g。為保證彈載電子器件正常工作，防止由于沖擊導(dǎo)致器件受損或連接失效，必須對電子器件進(jìn)行封裝處理。

用于彈載電子器件的封裝材料，必須滿足特定的條件，主要有以下三點(diǎn)。

1）具有較小的介電常數(shù)和較大的體積電阻。被封裝的電子器件及印制板，往往是一些高頻組件，因此，選用的封裝材料必須具有較低的介電常數(shù)，以減少電損耗。同時(shí)具有較高的體積電阻，確保器件封裝后有較高的絕緣性。

2）具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。強(qiáng)度高的封裝材料，可以保證電子器件在受到高沖擊后，不至于出現(xiàn)器件管腿斷裂、器件損壞的情況，

3）具有流動性好、常溫固化的特點(diǎn)。由于彈載電子器件安裝空間有限，排列比較集中，縫隙小，要求填充物固化前有好的流動性，能夠充滿所有縫隙，保證封裝無死角。另外，考慮彈體內(nèi)的電子器件不能耐高溫，封裝材料最好是常溫固化。

電子工業(yè)中常見的封裝材料有硅橡膠類、聚氨酯橡膠、環(huán)氧樹脂類、聚氨酯泡沫類等等，其中后兩種比較常用。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接性能，能夠?qū)⒔饘俸徒饘?，金屬和非金屬很好地粘接在一起，并且能形成平整的表面，密封性能良好?—9］。作為工程中使用的環(huán)氧樹脂灌漿材料和電器絕緣材料，阮崢等［10］對國內(nèi)外研究成果進(jìn)行了分類總結(jié)和詳細(xì)分析，并對環(huán)氧樹脂材料的優(yōu)點(diǎn)以及其功能化研究現(xiàn)狀進(jìn)行了細(xì)致的分析。

目前，國內(nèi)研制的灌封材料通常只滿足正常環(huán)境下的使用性能，很少涉及特殊環(huán)境（如高沖擊過載）［11］。有關(guān)高過載封裝報(bào)道較少，筆者對高過載導(dǎo)引頭封裝做了一些研究，配制的環(huán)氧封裝膠已用于多型號導(dǎo)引頭雷達(dá)電子組件的封裝，其抗過載沖擊能力已達(dá)（8×103g～20×103g）。具體操作流程如圖2所示。

圖2　彈載環(huán)氧樹脂抗過載封裝工藝流程Fig.2　Anti-over-load encapsulating process of missile borne epoxy resin

聚氨酯發(fā)泡材料為異氰酸酯和多元醇加一定的助劑后聚合而成，其主要特點(diǎn)為：

1）聚氨酯發(fā)泡材料具有比較優(yōu)良的電性能。其介電常數(shù)在 4.0～7.5范圍內(nèi)，tan σ=0.015～ 0.041，體積電阻系數(shù)為2×1011～2×1015Ω·cm。

2）具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，中密度聚氨酯泡沫材料的密度為40～60 kg/m3，機(jī)械強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，不收縮，可在-90～70℃下長期使用［12—13］。

3）粘附力強(qiáng)，絕熱效果好，聚氨酯泡沫材料對鋼、鋁、不銹鋼等金屬具有很好的附著力，對非金屬材料（除聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯外）均有良好的粘附力。導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/（m·K），絕熱效果極佳，能隔絕彈體在飛行中與空氣摩擦產(chǎn)生的熱量將器件燒壞。當(dāng)然器件產(chǎn)生的熱量也不容易散出去，需要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

4）反應(yīng)混合物流動性好。反應(yīng)混合物在發(fā)泡固化前為液體，具有良好的流動性，封裝時(shí)在外壓力的作用下，能順利充滿復(fù)雜形狀的模腔或室間，不會出現(xiàn)空腔現(xiàn)象。

由于聚氨酯泡沫材料具有上述特點(diǎn)，可以選用它作為彈載電子器件封裝材料，特別是設(shè)計(jì)上有質(zhì)量要求的彈體，聚氨酯泡沫材料為首選材料，可根據(jù)不同沖擊指標(biāo)，通過控制壓力來實(shí)現(xiàn)封裝體的密度。封裝裝工藝流程如圖3所示。

圖3　彈載聚氨酯發(fā)泡抗過載封裝工藝流程Fig.3　Anti-over-load encapsulating process of missile borne polyurethane foam

封裝時(shí)需要通過試驗(yàn)確定熟化溫度及時(shí)間。熟化是指泡沫初步固化并生成固態(tài)物后，還需要繼續(xù)在一定溫度下放置的過程［14］。泡沫初步成型，性能不穩(wěn)定，易收縮，應(yīng)在一定溫度下放置一段時(shí)間，以保證泡沫尺寸不再變化。將聚氨酯發(fā)泡技術(shù)用于某型彈體封裝，抗沖擊能力達(dá)1.3×104g，質(zhì)量只增加幾十克，大大低于質(zhì)量設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2　元器件的加固

由于電子產(chǎn)品在運(yùn)輸移動過程中，可能受到顛簸振動，易使印制板或組合上某些器件遭受損害，為避免這種情況發(fā)生，通常在三防涂覆后對器件進(jìn)行加固。加固的材料通常分為剛性加固材料和彈性加固材料。剛性材料一般選用環(huán)氧樹脂，具有粘接強(qiáng)度高，耐候性好等優(yōu)點(diǎn)。彈性加固材料一般選用硅橡膠和硅酮膠，常用的型號有南大703、南大705、晨光GD414和硅寶482，具有良好的粘接性和抗沖擊能力，同時(shí)具有可維修的優(yōu)點(diǎn)。常見單組份硅膠的性能見表2，便于實(shí)際選用。

表2　常用單組份硅膠性能Table 2　Performance of common single component silicone

操作時(shí)，若器件的太高，可墊支墊后加固，支墊可選用聚酯型塑料材料。

3　討論

1）電子元器件的封裝、加固是比較有效的防護(hù)措施之一，用于惡劣環(huán)境下使用的電子產(chǎn)品的防護(hù)。由于封裝是永久性防護(hù)，封裝完成后，不能或不便于拆卸，因此對器件的可靠性要求較高。

2）封裝雖然大大提高了器件的防護(hù)性能，但不利于器件的散熱，對于發(fā)熱量較大的器件需解決散熱問題。因而在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到散熱結(jié)構(gòu)形式。

3）封裝材料在配料和封裝的過程中會裹入氣泡，影響封裝材料的強(qiáng)度和絕緣性。灌封材料應(yīng)從模具一邊緩慢加入，灌注速度不宜過快，盡量排除模具中的氣體［15—17］。有些封裝材料在固化的過程中，往往要伴隨著氣體放出。因此這類封裝應(yīng)在真空烘箱中進(jìn)行操作，采用抽-放-抽的方式操作，一次最大封裝厚度不超過30 mm。厚度太大，可采用多次封裝。

4）為保證封裝面的光滑、平整，必要時(shí)采用封裝模具，模具表面涂抹合適的脫膜劑，常用的脫膜劑有硅脂、硅油等。

4　結(jié)語

隨著高科技的發(fā)展，兵器電子化程度越來越高，環(huán)境適應(yīng)性要求成為武器裝備技術(shù)指標(biāo)之一。為提高武器設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，確保武器裝備的全壽命周期，就必須對電子產(chǎn)品采取有效的防護(hù)，而封裝、加固技術(shù)是三防技術(shù)中比較有效和可靠的措施。隨著新的封裝材料及技術(shù)的不斷發(fā)展，其必將得到廣泛的應(yīng)用。

［1］ 楊偉光，馬驂.電子設(shè)備三防技術(shù)手冊［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2000.

YANG Wei-guang，MA Can.The Technical Manual for Electronic Equipment of Three-defense［M］.Beijing：The Publish of Weapon Industry，2000.

［2］ 孫海龍，王曉慧.艦載電子設(shè)備三防密封設(shè)計(jì)技術(shù)綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2008，5（5）：49—52.

SUN Hai-long，WANG Xiao-hui.Overview of Sealing Design of Shipborne Electronic Equipment［J］.Equipment Environmental Engineering，2008，5（5）：49—52.

［3］ 周盾白，周子鵠，賈德民.環(huán)氧地坪涂料的研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］.中國涂料，2007，22（10）：17—22.

ZHOU Dun-bai，ZHOU Zi-hu，JIA De-min.Research and Application of Epoxy Floor Coatings［J］.China Coatings，2007，22（10）：17—22.

［4］ 武淵博.環(huán)氧樹脂增韌及其阻尼性能的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2011.

WU Yuan-bo.Research on Toughening Epoxy Resin and its Damping Property［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2011.

［5］ 董宇，戴耀東，常樹全，等.WO3/CeO2/環(huán)氧樹脂基輻射防護(hù)材料的制備及性能研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（z1）：184—205.

DONG Yu，DAI Yao-dong，CHANG Shu-quan，et al. Preparation of WO3/CeO2/Epoxy Resin Based Multilayer Radiation Shielding Material and Its Property Research［J］. Preparation Materials Review，2012，26（z1）：184—205.

［6］ 聶小安，夏建陵.黑色彈性環(huán)氧灌封膠的研究［J］.熱固性樹脂，2004，19（4）：18—21.

NIE Xiao-an，XIA Jian-ling.Study on Black Elastic Epoxy Potting［J］.Thermosetting Resin，2004，19（4）：18—21.

［7］ 高華，趙海霞.灌封技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用［J］.電子工藝技術(shù)，2003，24（6）：257—259.

GAO HUA，ZHAO Hai-xia.Applicationof Pouring TechnologytoElectronicProduction［J］.Electronics Process Technology，2003，24（6）：257—259.

［8］ 王莉，侯燕燕.淺談環(huán)氧樹脂膠粘劑的發(fā)展前景［J］.中國化工貿(mào)易，2012（5）：211.

WANG Li，HOU Yan-yan.Development Prospects of EpoxyAdhesive［J］.China Chemical Trade，2012（5）：211.

［9］黃紅軍，杜志鴻，胡建偉，等.環(huán)氧樹脂共混改性聚氨酯泡沫材料粘附性能研究［J］.包裝工程，2015，36（13）：1—4.

HUANG Hong-jun，DU Zhi-hong，HU Jian-wei，et al. Ad-hesionPropertiesofBlend-modifiedEpoxy/ PolyurethaneFoam［J］.PackagingEngineering，2015，36（13）：1—4.

［10］阮崢，劉朝輝，鄧智平，等.環(huán)氧樹脂體系功能化研究進(jìn)展［J］.裝備環(huán)境工程，2015，12（5）：51—58.

RUAN Zheng，LIU Zhao-hui，DENG Zhi-ping，et al. Research Progress in Functionalization of Epoxy Resin Systems［J］.Equipment Environmental Engineering，2015，12（5）：51—58.

［11］張凱，范敬輝，馬艷，等.精密電子元器件用抗沖擊灌封材料的施工工藝研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（22）：192—194.

ZHANG Kai，F(xiàn)AN Jing-hui，MA Yan，et al.Study on OperationTechnologiesof Anti-impactEncapsulating MaterialsUsedforPrecisionElectronPartsand Components［J］.ModernElectronicsTechnique，2012，35（22）：192—194.

［12］徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：231—232.

XU Pei-lin，ZHANG Shu-qin.Handbook of Polyurethane Materials［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2002：231—232.

［13］工程材料實(shí)用手冊編委會.工程材料實(shí)用手冊［M］.北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Engineering Materials Handbook Editorial Committee. Practical Handbook of Engineering Materials，Standard Press 2002.

［14］馬天信.適配器用硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的研究［J］.制造技術(shù)研究，2011（4）：20—24.

MA Tian-xin.Study on Rigid Polyurethane Foam Material forAdapter［J］.ManufacturingTechnologyResearch，2011（4）：20—24.

［15］NISHIJIMA S，IZUMI Y.Designing of Epoxy Resin Systems for Cryogenic Use［J］.Cryogenics，2005，45（2）：141—147.

［16］斯力軍，董占波.電子控制器灌封膠特性與應(yīng)用工藝［J］.電子工藝技術(shù)，2003，24（2）：78—80.

SI Li-jun，DONG Zhan-bo.The Electronic Controller Characteristic Technology and Application of Sealing Glue［J］.Electronic Technology，2003，24（2）：78—80.

［17］解海峰.有機(jī)硅凝膠灌封高壓電器元件工藝研究［J］.粘接，2007，28（4）：49—50.

XIE HAI-feng.Silicone Gel Encapsulating High-voltage Electrical Components Technology Research［J］.Bonding，2007，28（4）：49—50.

Encapsulation and Reinforcement Technology of Electronic Devices

XU Lei
（Xi′an Electronic Engineering Research Institute，Xi′an 710100，China）

To meet the requirements on environmental adaptability and reliability of electronic devices，this work focuses on the encapsulation and reinforcement technology of electronic devices on the basis of the traditional"three-defense".It introduced the performance of commonly used encapsulating and reinforcement materials and specified the encapsulation and reinforcement process for specific devices.Two encapsulating materials with impact resistance at 8×103g～20×103g were put forward for seeker.It provided a basis for"three-defense"design and material selection and offered practical experience and technical requirements for process protection so as to avoid quality problem that was caused by fault.Encapsulation and reinforcement technology of electronic devices can improve the protective performance of electronic products and has a certain guiding role.

electronic device；materials；three-defense technology；encapsulating technology；reinforcement technology

2016-03-18；Revised：2016-04-29

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.025

TJ089；TB42

A

1672-9242（2016）04-0157-05

2016-03-18；

2016-04-29

許磊（1963—），男，陜西西安人，高級工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)防護(hù)工藝。

Biography：XU Lei(1963—),Male,from Xi′an,Shaanxi,Senior Engineer,Research focus:radar protection technology.