控制器灌封工藝中氣泡問(wèn)題的剖析與解決方法

王 強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

灌封工藝是電子工業(yè)產(chǎn)品用于防腐蝕、防震、防塵、防水、絕緣等所采用的生產(chǎn)工藝中相當(dāng)普遍的一種方式，廣泛應(yīng)用于洗衣機(jī)控制器、電源、LED水下照明等領(lǐng)域，該工藝在生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中很容易產(chǎn)生氣泡，如何減少灌封膠體中的氣泡，是本文主要論述的內(nèi)容。

1 灌封材料的分類

灌封材料行業(yè)中常用的有硅膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂三大體系，如表1。

在行業(yè)內(nèi)，聚氨酯憑借優(yōu)異的綜合性能及相對(duì)較低的應(yīng)用成本，成為3大類灌封材料中應(yīng)用最為廣泛的材料。本文主要論述聚氨酯灌封體系生產(chǎn)工藝過(guò)程中氣泡問(wèn)題的剖析與解決方法。

2 灌封膠中氣泡的危害

這些氣泡的存在，不僅會(huì)影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量，而且還會(huì)影響到產(chǎn)品的各種質(zhì)量性能等。由于氣泡的存在，一方面無(wú)論是來(lái)自于材料內(nèi)部的應(yīng)力還是材料外部的應(yīng)力，這都會(huì)使這些應(yīng)力不能夠連續(xù)均勻傳遞，應(yīng)力往往會(huì)在形成氣泡處集中，容易造成裂紋。另一方面位于器件引腳位置的氣泡，在電性能方面長(zhǎng)期可靠性的的危害更大。密封的膠體把空氣及水分也一起包裹住了，水氣無(wú)法逃逸，密封的水氣會(huì)與板面助焊劑之類的殘余雜質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而會(huì)引起絕緣電阻下降、電遷移之類的質(zhì)量問(wèn)題。

表1 三大類灌封材料

3 控制器灌封工藝氣泡產(chǎn)生來(lái)源及解決方案

控制器灌封工藝中的氣泡，經(jīng)跟蹤分析主要來(lái)源于以下幾個(gè)個(gè)方面：

1）膠水出廠前如抽真空做的不太好，會(huì)在周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過(guò)程中氣體混入膠體內(nèi)形成氣泡；

2）在從原廠膠桶抽入灌膠桶時(shí)，膠水與空氣接觸以及膠水沖入桶內(nèi)導(dǎo)致將空氣帶入膠水中而產(chǎn)生氣泡；

針對(duì)這2點(diǎn)產(chǎn)生的氣泡，最優(yōu)的方案就是對(duì)料筒抽真空處理，料筒的真空解決方案參考如圖1。

抽過(guò)真空的原材料雖然膠體本身不帶有氣泡，但是在后工序的操作過(guò)程中還是會(huì)引入新的氣泡，這些氣泡來(lái)源于以下2個(gè)方面：

1）控制器PCB板內(nèi)的水氣在高溫下釋放產(chǎn)生的氣泡；

聚氨酯灌封膠通常為A、B組分，A組分為原材料，B組分為固化劑，灌封膠固化過(guò)程是膠體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生比較大的熱量，熱量會(huì)傳遞到PCB板，PCB板內(nèi)殘存的水氣會(huì)隨著反應(yīng)過(guò)程的高溫從PCB板表面逸散出來(lái)，如果來(lái)不及跑出就會(huì)殘留在膠體內(nèi)形成氣泡。

2）器件底部如QFP芯片底部，器件周邊因毛細(xì)作用在灌封過(guò)程中灌封膠無(wú)法及時(shí)填充排出氣體，膠體回包而產(chǎn)生的氣泡殘留。

針對(duì)以上2個(gè)方面產(chǎn)生的氣泡，PCB預(yù)熱是比較合適的解決方案之一，如圖2。

預(yù)熱溫度和時(shí)間是其中比較關(guān)鍵的2個(gè)參數(shù)，溫度太低，水氣無(wú)法排出來(lái)，溫度太高，對(duì)器件質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響，通常我們認(rèn)為60～70 ℃是比較合適的溫度，30 min基本可以將板上的水氣排空。我們?nèi)绾稳ヅ袛嗨畾馐欠褚雅懦觯容^簡(jiǎn)單的方式是在預(yù)熱前進(jìn)行稱重，預(yù)熱完成后再進(jìn)行稱重，重量不再大幅減少，我們即可認(rèn)為水氣已基本排出。

PCB板所藏水氣，除了在灌膠固化過(guò)程中產(chǎn)品氣泡的影響，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性也會(huì)有一些影響。電子產(chǎn)品完成灌封后，其產(chǎn)品在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程會(huì)不斷發(fā)熱，熱量會(huì)使得板內(nèi)的水氣慢慢的發(fā)散出來(lái)，發(fā)散出來(lái)的水氣由于灌封膠的阻擋不易向外界逃逸，那么就會(huì)沉積在灌封膠和電路板之間的微小縫隙內(nèi)進(jìn)行累積，大量累積的水氣會(huì)形成水膜，水膜溶解電子產(chǎn)品表面殘留的助焊劑及其它溶劑而形成電解液，當(dāng)水膜厚度達(dá)到200 um時(shí)，電化學(xué)遷移速率最大。因此這個(gè)預(yù)熱非常重要。

PCB板上潮氣得到控制后，下一步需要解決器件底部及器件周邊的灌封無(wú)法及時(shí)完全填充膠體回包而產(chǎn)生的氣泡。

灌封膠有一定的粘度，粘度越低，滲透性越好，粘度越高，滲透性越差。那么合適的灌膠溫度，是解決此問(wèn)題的比較好的方法，溫度越高，膠體的粘度會(huì)隨之下降，帶來(lái)的就是對(duì)器件周邊及底部的滲入性更好。因此我們推薦對(duì)膠桶及灌膠管道進(jìn)行加熱，經(jīng)驗(yàn)證評(píng)估40～50 ℃會(huì)是一個(gè)比較好的加熱溫度選擇。

以上各種方案都落實(shí)后，可以解決大部分的氣泡問(wèn)題，但是還有一個(gè)我們無(wú)法回避的難題，即在灌膠過(guò)程中膠體和空氣的接觸，這個(gè)過(guò)程都還是會(huì)有一些氣泡存在，這些氣泡也需要排除掉。

眾所周知，氣泡在液體內(nèi)，由于氣體比較輕，會(huì)慢慢上浮，什么條件下，氣泡逃逸速度最快，這里面涉及2個(gè)參數(shù)，溫度和時(shí)間，溫度越高，氣泡逃逸越快，但隨之帶來(lái)的是灌封膠的加速固化，粘度快速上升，反而阻止了氣泡的上升。以下是我們選的一款灌封膠進(jìn)行的驗(yàn)證，40～50 ℃之間是氣泡逃逸最快的溫度，如圖3。

圖1 料筒的真空解決方案參

圖2 PCB預(yù)熱

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可看出，在不考慮生產(chǎn)效率的情況下，可以選擇固化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的AB組分膠水，灌膠完成后直接將樣品靜置放置24 h，利用膠體固化過(guò)程中粘度不會(huì)發(fā)生太大變化前，減少氣泡逸出的阻力，來(lái)使得膠體中的氣泡得到較好的逸出。

但是事實(shí)上在工業(yè)制造過(guò)程中，效率也是相當(dāng)重要的一個(gè)指標(biāo)，過(guò)長(zhǎng)的固化時(shí)間會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅上升，也需要大量的周轉(zhuǎn)場(chǎng)地，那么我們需要解決的是如何在快速的固化過(guò)程中把氣泡問(wèn)題解決。

為此，我們研究了膠體樣品的固化效率和活性激活問(wèn)題，曲線圖如圖4。

從圖4看出，65～75 ℃使材料混合后活性激活，材料粘度迅速升高，促進(jìn)固化，切阻止了氣泡的有效排放，氣泡排放和材料固化2者之間形成了無(wú)法克服的矛盾體，如圖5。

我們可以通過(guò)調(diào)整灌封膠主劑和固化劑的比例讓膠體在最適宜氣泡逃逸的溫度（40～50 ℃）下，多停留一些時(shí)間來(lái)滿足氣泡完全逃逸的要求。通過(guò)對(duì)聚氨酯材料特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在正常配比的比例上下浮動(dòng)10%都是可以讓材料完全固化且材料的特性不會(huì)發(fā)生顯著變化?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，我們從這點(diǎn)出發(fā)，將固化劑的比例降低5 %，同時(shí)讓膠水在40～50 ℃之間的時(shí)間停留加長(zhǎng)，使得氣泡得以以最快的速度進(jìn)行釋放。同步我們將固化溫度同步降低5 ℃，讓固化曲線變得平滑，具體如圖7。

通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)以上方式調(diào)整后，灌封膠按上曲線通過(guò)隧道爐加熱30 min后實(shí)現(xiàn)了氣泡100 %排除，同時(shí)可達(dá)到90 %以上的固化完成率，可以直接進(jìn)行下一生產(chǎn)工序。該方式滿足了質(zhì)量要求，同時(shí)取消了過(guò)程周轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率高，是比較理想的固化工藝。

綜上，對(duì)灌封膠進(jìn)行比例調(diào)整，同步對(duì)固化曲線優(yōu)化后，可以得到一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的結(jié)果，固化效率高同時(shí)氣泡問(wèn)題得到解決，當(dāng)然不同廠家不同型號(hào)的膠水的混合比例和溫度曲線是不一樣的，但處理方法是一樣的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)都可以得出最合適的匹配關(guān)系。

圖3 氣泡變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)表

圖4 膠體樣品固化效率和活性激活問(wèn)題

圖5 固化使阻止氣泡排放

圖6 固化曲線規(guī)律

圖7 固化曲線優(yōu)化

4 總結(jié)

灌封材料在施工過(guò)程中所產(chǎn)生的氣泡來(lái)源于多個(gè)方面，從以下這6個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選擇最合適的灌膠施工設(shè)備及工藝，可解決行業(yè)中灌封膠成品所存在的氣泡問(wèn)題。

1）灌膠設(shè)備密封性，最好可帶有抽真空功能。

2）灌膠設(shè)備及灌膠管道帶有溫度控制。

3）原材料配比可以在允許范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤{(diào)整優(yōu)化。

4）因涉及原料配比的調(diào)整，灌封設(shè)備混合比例精度要提高，推薦在1 %以內(nèi)。

5）需增加PCB預(yù)熱去除PCB所帶水氣。

6）需要對(duì)固化曲線進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)置。

不同廠家不同型號(hào)的灌封膠特性會(huì)有些差異，我們需要通過(guò)以上所論述實(shí)驗(yàn)方法去選擇最適合的工藝生產(chǎn)方法和條件來(lái)解決灌封膠的氣泡問(wèn)題。