微電路模塊灌封工藝研究

關(guān)亞男，王廣奇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000）

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，電子裝備在現(xiàn)代高科技武器裝備中所起到的作用越來(lái)越重要。武器裝備在對(duì)電子設(shè)備提出小型化要求的同時(shí)，對(duì)其信息容量的需求也迅速增長(zhǎng)。小型化、高集成度的微型元器件、組件、微電路模塊已構(gòu)成電子裝備的基本單元。電氣產(chǎn)品在航空航海等領(lǐng)域中的使用，因其環(huán)境特殊性，對(duì)器件也提出了更高的使用要求，例如更寬的耐高低溫范圍，以及耐壓、耐潮濕、抗腐蝕性等[1-5]。

灌封是將液態(tài)的灌封膠用機(jī)械或手工方式灌入裝有電子元件、線(xiàn)路的器件內(nèi)，并在常溫或加熱條件下固化成為性能優(yōu)異的熱固性高分子絕緣材料。其作用是整體增強(qiáng)電子器件的強(qiáng)度，提高對(duì)外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力，提升內(nèi)部元件線(xiàn)路絕緣效果，避免元件線(xiàn)路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。灌封質(zhì)量主要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元件選擇、組裝及所用灌封材料密切相關(guān)，灌封工藝也是不容忽視的因素[6-9]。此處以某型號(hào)微電路模塊為研究對(duì)象，開(kāi)展對(duì)灌封工藝的研究。

2 問(wèn)題分析及方案設(shè)計(jì)

2.1 電路模塊存在的可靠性問(wèn)題

所分析的該款微電路模塊采用金屬外殼結(jié)構(gòu)、PCB 雙面表面貼裝、平行縫焊封蓋的組裝工藝。產(chǎn)品的電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

該模塊電路在無(wú)保護(hù)狀態(tài)下，貼裝了元器件的PCB 板與管殼底部需要一定的距離，以保證元器件和管殼底部完全絕緣，避免元器件與管殼底部接觸造成短路。但這樣的安裝狀態(tài)會(huì)造成器件的穩(wěn)定性能較差，在突發(fā)的劇烈振動(dòng)下可能導(dǎo)致元器件與管殼底部接觸，造成瞬間的短路失效，或是因?yàn)楹副P(pán)不穩(wěn)定造成元器件脫焊。而且在PCB 板安裝時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)操作不當(dāng)，導(dǎo)致元器件接觸管殼底部，進(jìn)而造成短路，由于管殼腔體小，PCB 板拆卸困難，此時(shí)返工容易對(duì)管殼和PCB 板造成損傷，影響產(chǎn)品組裝成品率，不利于產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。因此有必要在管殼和PCB 板之間進(jìn)行有效的絕緣性隔離，避免上述問(wèn)題。經(jīng)分析研究，決定使用有機(jī)硅膠進(jìn)行灌封隔離處理。

2.2 灌封膠的選擇

灌封膠具有絕緣、散熱、耐溫、防震的作用，可以有效提升電路的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，杜絕電路的安全隱患。市面上灌封膠的種類(lèi)有很多，在使用中對(duì)灌封膠的基本要求是要有良好的絕緣效果，固化后要有一定的彈性。此外還要有散熱、耐高溫的特點(diǎn)，同時(shí)固化溫度不能太高（至少要低于焊接溫度），固化時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。

綜合考慮上述要求，通過(guò)試驗(yàn)比較，選擇了某型號(hào)的雙組份導(dǎo)熱型有機(jī)硅灌封膠?？绦凸喾饽z具有高絕緣性、高散熱性和阻燃性，液體狀態(tài)時(shí)具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，適合手工小批量操作。該灌封膠在高溫固化后粘合力提高，具有良好的耐熱沖擊性，在密閉空間內(nèi)加熱不會(huì)發(fā)生解聚，因此很適合本款電路使用。

2.3 灌封方案設(shè)計(jì)

以更方便、更易實(shí)現(xiàn)灌封操作為原則，設(shè)計(jì)了以下三種灌封方案：

方案一：焊接→灌封→固化

先將PCB 板焊接到管殼內(nèi)，隨后進(jìn)行灌封。PCB 板焊接到管殼上之后，若與管殼內(nèi)壁之間的間隙過(guò)小，如圖1 所示，PCB 板的存在會(huì)影響灌封膠的流淌，導(dǎo)致PCB 板上面的灌封膠很難通過(guò)管殼和PCB 板周?chē)@樣狹小的間隙流淌充滿(mǎn)底層空間，從而出現(xiàn)空洞；也可能在安裝PCB 板時(shí)直接將PCB板接觸到管殼底部，導(dǎo)致元器件短路。該方案操作難度大，弊端也很明顯，未能避免安裝PCB 板時(shí)操作不當(dāng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)灌封的目的。

方案二：灌封底層→焊接→灌封頂層→固化

先將管殼底部灌入一定量的灌封膠，隨后進(jìn)行PCB 板安裝焊接，再進(jìn)行頂部灌膠，最后固化。由于未固化的灌封膠處于液體狀態(tài)，安裝PCB 板時(shí)很難控制安裝狀態(tài)。如果控制不好施加在PCB 板上的力度和安裝位置，會(huì)導(dǎo)致灌封膠浸入引線(xiàn)的焊接孔，使得PCB 板無(wú)法進(jìn)行焊接，產(chǎn)品無(wú)法繼續(xù)組裝，依靠返工來(lái)清理引線(xiàn)焊接孔也非常麻煩，成功率很低。該方案灌封操作難度不大，但會(huì)影響接下來(lái)的焊接操作，弊端明顯，無(wú)法保障產(chǎn)品的成品率。

方案三：灌封底層→固化→焊接→灌封頂層→固化

先將管殼底層灌入一定量的灌封膠，待其固化后，再安裝PCB 板，焊接后再進(jìn)行頂層灌封，最后再進(jìn)行一次固化。該方案操作難度不大，也不會(huì)影響焊接操作，而且在給PCB 板貼裝元器件的同時(shí)，就可以給管殼底層灌膠，并進(jìn)行固化；固化需要的時(shí)間也不長(zhǎng)，一般不會(huì)影響到生產(chǎn)效率。

對(duì)比上述三種方案，方案一和方案二操作上不方便，增加了很多隱患；方案三操作比較簡(jiǎn)單，還能起到PCB 雙面器件的加固作用，在絕緣、散熱的同時(shí)，可以防震、提高器件的穩(wěn)定性，又保證了管殼內(nèi)的灌封膠充分填充于管殼，確保電路的正常工作。因此選用方案三作為灌封操作的最終方案。

3 灌封工藝研究

3.1 灌封工藝核心步驟

(1) 配比制備

先將選用的灌封膠各組份徹底攪拌均勻，然后用大針管按配比比例分別抽取，注入量杯中，再用玻璃棒單方向均勻、充分?jǐn)嚢?。注入到量杯中的灌封膠不應(yīng)大于量杯容積的2/3。由于手工攪拌會(huì)混入空氣，因此要將配制好的膠液進(jìn)行抽真空脫泡操作。為確保灌封膠中無(wú)氣泡殘留，須多次反復(fù)進(jìn)行抽→放→抽的操作。

(2) 灌膠填充

用小針管從量杯中抽取適量灌封膠，并將其勻速緩慢推入管殼內(nèi)。這樣操作的目的一方面是控制灌封膠的量，另一方面是為了避免在灌膠過(guò)程中再次混入空氣。

(3) 固化

將灌封件放入烘箱中，按照設(shè)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行固化；也可以在室溫條件下自然固化，不過(guò)這樣固化時(shí)間較長(zhǎng)，且粘合力也沒(méi)有高溫固化的效果好。如果條件允許，應(yīng)盡量在烘箱中完成固化，以最大限度提高粘合力。

3.2 灌封膠量的確定

首先進(jìn)行底層灌封膠量的確定。根據(jù)管殼腔體的高度、焊接后的PCB 板正反面器件中最高器件的高度差，可計(jì)算出管殼腔體內(nèi)剩余高度。為確保灌封膠完全灌封以及封蓋等需求，還應(yīng)考慮針管的精度、操作可行性，最終確定灌封膠量底層的灌膠量。

隨后進(jìn)行上層灌封膠量的確定。在上一步底層灌封膠量確定之后，由于組裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差，為確保灌膠后不影響封蓋，需要預(yù)留出蓋板的高度；通過(guò)反復(fù)的操作觀(guān)察，在保證封蓋要求的同時(shí)灌滿(mǎn)元器件。

最終，確定總膠量：為了不影響封蓋，需要在管殼頂部預(yù)留出蓋板厚度的距離。為了便于觀(guān)察，可用記號(hào)筆在該位置做上標(biāo)記。取一只組裝后的管殼，按要求做好標(biāo)記后，將管殼固定，然后抽取一定量的水，注入到該管殼中，注意觀(guān)察水在管殼中的位置變化，當(dāng)達(dá)到標(biāo)記位置時(shí)停止注水，放上蓋板，然后取下蓋板，觀(guān)察蓋板是否有水印，如果有，證明水量偏多。通過(guò)反復(fù)嘗試，最終可確定總灌封膠量。

3.3 工藝過(guò)程控制

首先要選用適合的灌膠工具。由于該款模塊電路管殼腔體較小，第一次灌封需要的灌膠量較少（大約0.1 ml），常見(jiàn)20 ml 針管的刻度精度為1 ml，無(wú)法滿(mǎn)足膠量的精準(zhǔn)控制。為了滿(mǎn)足灌封需求，在此選取了2 ml 帶刻度玻璃針管，精度為0.1 ml。在抽取灌封膠時(shí)發(fā)現(xiàn)，針管的氣密性不好，無(wú)法準(zhǔn)確控制灌封膠抽取量，難改滿(mǎn)足對(duì)灌封膠量控制的要求，于是又改用一種1 ml 帶刻度塑料針管，精度為0.05 ml。使用時(shí)，針管氣密性好，很容易控制注膠量，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌封膠量的精準(zhǔn)控制。

其次要考慮對(duì)輔助工具的選取，包括：大針管（帶刻度）、小針管（帶刻度）、量杯、玻璃棒、傳送盒，防靜電手環(huán)。

此外還要注意環(huán)境要求，灌封操作工藝應(yīng)在一定級(jí)別的潔凈室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)要保持一定的溫濕度，并且要有合乎標(biāo)準(zhǔn)的防靜電措施。

4 驗(yàn)證結(jié)果及結(jié)論

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，共選取8只樣品，采用上述方案三的操作方法進(jìn)行灌封操作，并在烘箱內(nèi)按要求固化，固化后進(jìn)行平行縫焊封蓋。對(duì)樣品進(jìn)行篩選試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)，以驗(yàn)證灌封方案的可靠性。篩選試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。篩選結(jié)論：8只樣品全部合格。

表1 篩選試驗(yàn)

再將做過(guò)篩選試驗(yàn)的樣品進(jìn)行鑒定檢驗(yàn)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與結(jié)果如表2 所示。鑒定結(jié)論：按照鑒定檢驗(yàn)流程進(jìn)行分組試驗(yàn)，各分組試驗(yàn)全部合格。

表2 鑒定檢驗(yàn)

5 結(jié) 束 語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，灌封后的電路相對(duì)于未灌封的電路，電路在功能、性能及電參數(shù)上沒(méi)有明顯的差異，可見(jiàn)灌封處理并沒(méi)有影響產(chǎn)品的功能、質(zhì)量及可靠性，而且還提高了產(chǎn)品的組裝成品率，極大程度減少了產(chǎn)品的質(zhì)量隱患。對(duì)于該型電路模塊，灌封膠的選擇和灌封方案的設(shè)計(jì)是合理的、可行的，其設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方案對(duì)于其他型號(hào)的電路產(chǎn)品，也具有一定的參考與推廣價(jià)值。