幾種有機(jī)硅電子灌封材料西沙熱帶海洋大氣環(huán)境效應(yīng)研究

何 俊，劉麗紅

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣州 510610；3. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；4. 泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，泰州 225300）

幾種有機(jī)硅電子灌封材料西沙熱帶海洋大氣環(huán)境效應(yīng)研究

何 俊，劉麗紅

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣州 510610；3. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；4. 泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，泰州 225300）

在南海西沙試驗(yàn)站開(kāi)展三種有機(jī)硅電子灌封材料為期24個(gè)月戶(hù)外、棚下大氣暴露試驗(yàn)。通過(guò)周期性能測(cè)試，分析其各性能劣化規(guī)律，用主成分法綜合評(píng)價(jià)其環(huán)境適應(yīng)性，以研究灌封材料南海海洋大氣環(huán)境效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：三種試驗(yàn)樣品西沙棚下海洋大氣環(huán)境耐候性明顯優(yōu)于西沙戶(hù)外，西沙海洋大氣環(huán)境中環(huán)境適應(yīng)性順序是：C3＞C1＞C2。

有機(jī)硅電子灌封材料；西沙戶(hù)外和棚下；海洋大氣暴露試驗(yàn)；環(huán)境適應(yīng)性

引言

灌封材料有著良好的絕緣、防腐、防潮、固定、隔離等作用，對(duì)強(qiáng)化電子器件的整體性，提高對(duì)外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力、提高內(nèi)部元件、線(xiàn)路間的絕緣性、器件的防水、防潮性能及可靠性起著重要的作用，在電子產(chǎn)品的應(yīng)用十分廣泛［1～3］。目前的灌封材料多種多樣，常用的主要包括有機(jī)硅、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯三大類(lèi)。有機(jī)硅灌封材料因其特殊的硅氧鍵主鏈結(jié)構(gòu)而具有耐高低溫、機(jī)械性能、耐候、電絕緣等一系列優(yōu)良性能，在高科技領(lǐng)域具有顯著的研究潛力并被廣泛應(yīng)用[4～6]。我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的研究，有機(jī)硅灌封材料性能的提高已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[7～9]，可滿(mǎn)足通用電子灌封領(lǐng)域的使用要求。然而由于自然環(huán)境的影響效應(yīng)，灌封材料的性能會(huì)有不同程度的下降，尤其是三防性能。研究有機(jī)硅電子灌封材料的環(huán)境效應(yīng)，尤其是惡劣環(huán)境的環(huán)境效應(yīng)，對(duì)提高灌封材料的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)提高電子產(chǎn)品高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，減少部件、整機(jī)故障，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選用電子裝備常用有機(jī)硅灌封材料樣品，在南海西沙試驗(yàn)站進(jìn)行海洋大氣暴露試驗(yàn)，觀察其性能劣化規(guī)律，研究其耐熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣

本試驗(yàn)選擇不同工藝成分有機(jī)硅灌封材料，根據(jù)測(cè)試性能按相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)平板樣品試驗(yàn)樣品清單見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇南海西沙試驗(yàn)站戶(hù)外、棚下大氣暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行外觀、電性能變化、拉伸性能變化及剝離性能變化周期檢測(cè)，觀察其性能劣化規(guī)律。每種樣品采用5塊平行樣來(lái)綜合評(píng)價(jià)，本文對(duì)樣品暴露24個(gè)月的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 試驗(yàn)樣品

西沙大氣暴露試驗(yàn)條件：參考GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，將樣品暴露海洋大氣環(huán)境中（戶(hù)外朝南45°，棚下垂直懸掛），總試驗(yàn)時(shí)間24個(gè)月。

2 結(jié)果與討論

2.1 西沙海洋大氣環(huán)境劣化規(guī)律

本試驗(yàn)中三種有機(jī)硅電子灌封材料試樣西沙戶(hù)外、棚下大氣暴露24個(gè)月的主要性能指標(biāo)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

由圖1及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，試驗(yàn)2年后：

1）介電性能變化規(guī)律

戶(hù)外：C1及C3樣品介電常數(shù)明顯下降，損耗因數(shù)輕微下降，試驗(yàn)后介電性能未下降；C2樣品在試驗(yàn)18個(gè)月后介電常數(shù)先輕微下降再明顯上升，損耗因數(shù)明顯下降，24個(gè)月時(shí)樣品完全龜裂無(wú)法測(cè)試。

棚下：參試樣品介電性能總趨勢(shì)呈輕微下降的趨勢(shì)，工藝損耗因數(shù)總趨勢(shì)呈微弱下降趨勢(shì)，試驗(yàn)后介電性能未下降。

分類(lèi)匯總并處理兩組患者的各項(xiàng)記錄數(shù)據(jù),采取統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS19.0對(duì)進(jìn)行分析和處理,計(jì)數(shù)資料采取率(%)表示,用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示計(jì)量資料,采取x2檢驗(yàn)(或者采用T檢驗(yàn))表示組間率對(duì)比;對(duì)比以P<0.05為有顯著性差異和統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2）電阻性能變化規(guī)律

戶(hù)外：C1樣品表面電阻基本無(wú)變化，體積電阻基本無(wú)變化，C3樣品表面電阻明顯下降，體積電阻基本無(wú)變化；C2樣品在試驗(yàn)18個(gè)月后，表面電阻和體積電阻均基本無(wú)變化，24個(gè)月時(shí)樣品完全龜裂無(wú)法測(cè)試。

棚下：C1樣品表面電阻和體積電阻基本無(wú)變化，C2和C3樣品表面電阻很輕微下降，下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)；C2和C3樣品體積電阻基本無(wú)變化。

3）耐電性能變化規(guī)律

戶(hù)外：C1樣品擊穿電壓強(qiáng)度嚴(yán)重下降，C3樣品擊穿電壓強(qiáng)度試驗(yàn)前后基本無(wú)變化,該兩種工藝耐壓強(qiáng)度（2 000 V·60 s）性能良好；C2樣品擊穿電壓強(qiáng)度試驗(yàn)18個(gè)月后明顯下降，24個(gè)月時(shí)樣品完全龜裂無(wú)法測(cè)試。

棚下：參試樣品工藝擊穿電壓強(qiáng)度總趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)，C1樣品擊穿電壓強(qiáng)度下降明顯，C2樣品擊穿電壓強(qiáng)度嚴(yán)重下降，C3樣品擊穿電壓強(qiáng)度試驗(yàn)前后基本無(wú)變化；三種樣品工藝耐壓強(qiáng)度（2 000 V·60 s）性能均良好。

戶(hù)外：C1工藝樣品表面明顯失光（3級(jí)），邵氏硬度明顯上升；C2工藝樣品試驗(yàn)12個(gè)月時(shí)表面嚴(yán)重失光，明顯龜裂（3級(jí)），試驗(yàn)18個(gè)月時(shí)表面完全失光（5級(jí)），嚴(yán)重龜裂（5級(jí)），試驗(yàn)24個(gè)月時(shí)表面完全龜裂開(kāi)，邵氏硬度明顯下降；C3工藝樣品試驗(yàn)24個(gè)月后，樣品表面完全嚴(yán)重失光、明顯粉化（3級(jí)），邵氏硬度基本未變。

棚下：該類(lèi)工藝樣品表面均發(fā)生失光老化現(xiàn)象。C1工藝樣品表面輕微失光（2級(jí)），邵氏硬度明顯上升，C2工藝樣品表面嚴(yán)重失光（4級(jí)），邵氏硬度明顯下降，C3工藝樣品表面明顯失光（3級(jí)）、很輕微粉化（1級(jí)），邵氏硬度明顯上升。

5）拉伸性能變化規(guī)律

戶(hù)外：該類(lèi)工藝樣品拉伸性能變化總趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。C1工藝樣品拉伸強(qiáng)度明顯下降，斷裂伸長(zhǎng)率嚴(yán)重下降；C2工藝樣品試驗(yàn)12個(gè)月后拉伸強(qiáng)度明顯下降，斷裂伸長(zhǎng)率嚴(yán)重下降，試驗(yàn)18個(gè)月時(shí)樣品斷裂無(wú)法測(cè)試；C3工藝樣品拉伸強(qiáng)度輕微上升，試驗(yàn)后試驗(yàn)未下降，斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)前后基本無(wú)變化。

棚下：該類(lèi)工藝樣品拉伸性能變化總趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。C1工藝樣品拉伸強(qiáng)度基本無(wú)變化，斷裂伸長(zhǎng)率明顯下降；C2工藝樣品試驗(yàn)6個(gè)月時(shí)拉伸強(qiáng)度嚴(yán)重下降，斷裂伸長(zhǎng)率從嚴(yán)重下降，試驗(yàn)12個(gè)月時(shí)樣品斷裂無(wú)法測(cè)試；C3工藝樣品拉伸強(qiáng)度基本無(wú)變化，斷裂伸長(zhǎng)率嚴(yán)重下降。

6）剝離性能變化規(guī)律

戶(hù)外樣品：工藝樣品剝離強(qiáng)度基本無(wú)變化，試驗(yàn)前后變化不大，破壞形式始終是100 %內(nèi)聚破壞。

棚下樣品：C1、C2工藝樣品剝離強(qiáng)度基本無(wú)變化，試驗(yàn)前后變化不大，破壞形式始終是100 %內(nèi)聚破壞；C3工藝樣品剝離強(qiáng)度輕微變化，破壞形式始終是100 %內(nèi)聚破壞。

圖1 有機(jī)硅試樣西沙大氣暴露性能劣化趨勢(shì)圖

7）西沙戶(hù)外大氣環(huán)境對(duì)參試樣品性能影響明顯，尤其擊穿強(qiáng)度劣化明顯，超60 %樣品擊穿強(qiáng)度下降超過(guò)40 %；其次，外觀、拉伸強(qiáng)度劣化嚴(yán)重，有超60 %樣品外觀劣化達(dá)3級(jí)以上；超60 %樣品拉伸強(qiáng)度劣化達(dá)3級(jí)以上；

西沙棚下大氣環(huán)境對(duì)參試樣品擊穿強(qiáng)度影響明顯，超60 %樣品擊穿強(qiáng)度下降超過(guò)20 %，其次，拉伸強(qiáng)度劣化相對(duì)也比較明顯，其它性能變化不明顯。

2.2 西沙熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)

有機(jī)硅灌封材料西沙大氣暴露老化試驗(yàn)后，有多項(xiàng)性能指標(biāo)發(fā)生變化，每項(xiàng)性能的變化行為各不相同，需要綜合各項(xiàng)指標(biāo)的變化綜合評(píng)價(jià)其老化行為，評(píng)價(jià)其環(huán)境適應(yīng)性。主成分分析法是一種將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)互相無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法。這種方法能從較多的指標(biāo)中找出較少的幾個(gè)能較好地反映原來(lái)質(zhì)量信息綜合指標(biāo)，在保證數(shù)據(jù)信息損失最少的前提下，經(jīng)線(xiàn)性變換好舍棄一小部分信息，以少數(shù)的綜合變量取代原始的多維變量。這種方法在材料領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，在研究橡膠、塑料等高分子材料的老化規(guī)律中得到應(yīng)用[10～13]。

本項(xiàng)目采用主成分分析法對(duì)有機(jī)硅電子灌封材料的老化行為進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選。選擇介電常數(shù)、表面電阻、體積電阻、擊穿強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、表面外觀變化（粉化、開(kāi)裂等）評(píng)級(jí)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)環(huán)境適應(yīng)性變化的關(guān)鍵性能參數(shù)，通過(guò)Metlab軟件計(jì)算上述關(guān)鍵性能參數(shù)的原始數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，以特征值的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，計(jì)算每種試驗(yàn)樣品的綜合評(píng)價(jià)值Z，如表2所示。根據(jù)Z值變化趨勢(shì)和變化速度快慢，評(píng)價(jià)并對(duì)比各樣品環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)劣。

以Z為縱坐標(biāo)、老化時(shí)間t為橫坐標(biāo)，繪制其在自然環(huán)境下的老化曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

由圖2可以看出，在西沙戶(hù)外大氣環(huán)境下，有機(jī)硅灌封材料樣品的環(huán)境適應(yīng)性順序是：C3＞C1＞C2；由圖3可以看出，在西沙棚下大氣環(huán)境下，有機(jī)硅灌封材料樣品的環(huán)境適應(yīng)性順序是：C3＞C1＞C2。

2.3 分析

表2 有機(jī)硅電子灌封材料樣品綜合評(píng)價(jià)值Z

圖2 西沙戶(hù)外大氣環(huán)境對(duì)灌封絕緣材料樣品老化性能的影響

圖3 西沙棚下自然環(huán)境對(duì)灌封絕緣材料樣品老化性能的影響

有機(jī)硅灌封材料屬于高分子材料，在自然環(huán)境中，易受到熱、氧、水、光、微生物、力、化學(xué)介質(zhì)等影響發(fā)生老化，從而使其物理性能、電性能等降低，甚至喪失。空氣中的氧會(huì)引起高分子發(fā)生氧化，造成降解或交聯(lián)反應(yīng)；光在老化過(guò)程中起活化作用，同時(shí)也是游離基生成過(guò)程中的引發(fā)劑，能引起高分子材料的光氧化反應(yīng)；熱會(huì)引起熱老化，影響化學(xué)反應(yīng)速率，加速破壞作用；濕氣附在表面凝結(jié)成露后遇到親水基團(tuán)或者水溶性物質(zhì)就會(huì)被吸附并滲透到高分子材料內(nèi)層，破壞結(jié)構(gòu)，降低其電學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能；在一定的溫度、濕度條件下，高分子材料表面沉附的氯離子通過(guò)材料的微孔逐步滲透到內(nèi)部，引起材料的老化；高分子材料表面在一定的溫度、濕度和介質(zhì)條件下會(huì)滋長(zhǎng)霉菌等微生物，吃掉高分子材料中的某些成分及分解碳?xì)浠衔?，從而降低其電學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度，甚至破壞其組分、結(jié)構(gòu)，引起老化［14,15］。

在西沙大氣暴露試驗(yàn)時(shí)，戶(hù)外年平均溫度27.7 ℃，年平均相對(duì)濕度為RH78.1 %，棚下年平均氣溫27.6 ℃，棚下年平均相對(duì)濕度為RH79.1 %，戶(hù)外年平均太陽(yáng)輻照量6 760.6 MJ/m2，戶(hù)外月平均氯離子含量為0.152 ?g/ ml，霉菌種類(lèi)繁多，為典型熱帶海洋大氣環(huán)境。因此西沙環(huán)境特有的高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)太陽(yáng)輻射及霉菌交互作用，是有機(jī)硅灌封材料性能劣化的主要因素。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)三種有機(jī)硅電子灌封材料樣品在西沙戶(hù)外、棚下海洋大氣暴露試驗(yàn)，研究其海洋大氣環(huán)境效應(yīng)，采用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)其環(huán)境適應(yīng)性，主要結(jié)論如下：

1）西沙環(huán)境惡劣，高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)太陽(yáng)輻射及多霉菌的南海熱帶海洋大氣氣候?qū)⒃嚨挠袡C(jī)硅電子灌封材料樣品性能影響明顯，試驗(yàn)2年后各性能均有明顯變化；

2）參試樣品西沙棚下海洋大氣環(huán)境耐候性明顯優(yōu)于西沙戶(hù)外；

3）參試樣品西沙海洋大氣環(huán)境中環(huán)境適應(yīng)性順序是：C3＞C1＞C2。

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Research on Tropical Marine Environmental Effect of Several Silicone Electronic Encapsulating Materials in Xisha

HE Jun，LIU Li-hong
(1.The Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610; 3. Guangdong Province Key Laboratory of Electron information Product Reliability Technology, Guangzhou 510610; 4. Taizhou Industrial CEPREI Industrial Technology Research Institute, Taizhou 225300)

To study the marine environmental effect of three kinds of encapsulating materials in the South Seas, the outdoor and shed exposure test of the materials are carried out at Xisha Station for 24 months. The cycle performance test is completed to analyze the deterioration rules of the test samples. In addition, it comprehensively evaluates their environmental suitability by principal component analysis, so as to research the tropical marine environmental effect in the South Seas of encapsulating materials. The results show that The weather ability of the samples under shed is superior to outdoor. The order of environmental worthiness of the tested encapsulating materials is C3＞C1＞C2.

silicone electronic encapsulating materials; outdoor and under shelter in Xisha; exposure test in marine atmosphere; environmental suitability

TM211 TB324

A

1004-7204（2017）02-0045-05

何俊(1984)，男，貴州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所助理工程師，大學(xué)本科，主要從事電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究工作。

2015年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程——裝備環(huán)境適應(yīng)性公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)基金資助（NO：TC150B5C0/41）