电路灌封体的失效机理分析*

郑 星，黄海莹，陈 颖，聂 飞，张 凯

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

电路灌封体的失效机理分析*

郑 星，黄海莹，陈 颖，聂 飞，张 凯

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

在面对高强冲击、剧烈振动和高低温冲击等恶劣环境时，对离线存储测试装置中电路系统运行的可靠性提出了更高的要求。为了确保电路系统在恶劣环境中的正常工作，需对存储测试装置中的电路模块进行灌封加固。利用环氧树脂对电路模块进行灌封，形成的电路灌封体在试验过程中时常会出现运行失效的现象。通过分析表明：应力集中是引起电路灌封体失效的主要因素。分析了灌封过程中导致应力集中的原因，并从灌封材料、灌封工艺以及产品设计几个方面对缓解灌封体内部应力集中的方法进行了分析和探讨。

电路灌封体；环氧树脂；失效机理；应力集中

1 引言

弹载离线存储测试装置克服了带线传输数据信号在高强冲击、剧烈振动、高低温冲击等恶劣环境试验过程中的局限性，而且拥有体积小，可靠性高和数据回收方便等优点。其中，电路系统是弹载存储测试装置有效运行的关键模块之一，它的抗冲击能力直接影响存储测试装置的稳定性和可靠性。因此，对存储测试装置的电路板需要进行灌封加固，以提升其抗冲击抗过载的能力。

环氧树脂以其优异的力学、电气绝缘性能被广泛应用于电子电路的灌封。目前，对环氧树脂灌封料及其灌封工艺的研究已逐渐成为一个热点[1,2]。然而，在利用环氧树脂对电路模块进行灌封时，形成的电路灌封体在试验过程中时常会出现运行失效的现象，即使是同一个电路灌封体，当外界条件改变时（比如温度、振动或冲击等），灌封的电路模块有时也会出现运行失效的现象，而其失效机理尚不明确。

已有研究大多是从灌封材料的制备以及灌封工艺中出现的问题开展，而对电路灌封体的失效机理方面还鲜有详细的研究[3~5]。

为了确定引起电路灌封体失效的因素，本文从灌封料和灌封件方面出发，探寻引起电路灌封体失效的机理，为存储测试装置中电路板的有效灌封提供理论指导和技术支持。

2 理论分析

灌封后，电路灌封体的失效通常表现为暂时性失效与永久性失效。暂时性失效是指当电路灌封体在环境试验过程中（振动、冲击和温度等）电路系统不能正常工作，而当外界条件去除后又恢复正常工作；永久性失效是指当电路灌封体进行环境试验之后发生失效，不能继续工作。

2.1电路灌封体失效原因分析

应力集中是灌封体中普遍存在的问题，电路灌封体内部应力集中必然会对电路系统的运行产生影响。在试验过程中，受内部应力的影响，当灌封体受到外部过载时，应力集中处极易产生微裂纹，而微裂纹的存在会降低电路灌封体的电气绝缘性能，阻碍应力在灌封体内部传递的连续性。特别地，当应力集中越接近电路板时，裂纹对电路系统造成的影响越大。

在进行振动试验过程中，灌封体内部微裂纹在长时间的振动负荷作用下会逐渐结合在一起，当达到一定大小时，裂纹的传播会变得越来越不稳定。由材料力学知识，裂纹的传播可以表示为[6]：

其中，l为裂纹长度，N为应力重复次数，c、m、n是取决于材料性质的常数，εr为相对应变。由式（1）可知，裂纹变大，剩余材料内的应力也会变大，最终形成材料的疲劳破坏，导致电路灌封体的运行失效。

由于电路板及其电子元器件与环氧树脂属于不同的材料，当电路灌封体受到外部高强冲击作用时，应力的传递不会像在单一材料当中那样均匀传递，而会在电路板、电子元器件和焊点处集中。当应力超过一定限度时，就会在应力集中处产生裂纹，影响电路系统的运行。而且，由于电路板和电子元器件的强度远低于灌封材料，当应力超过电路板或者电子元器件的抗压强度时，就会发生破坏，导致电路系统瘫痪。

2.2应力集中产生的原因

根据材料力学知识，材料内部应力可以表示为：

其中，σI为内应力，σs为固化收缩应力，σh为热应力，Es为树脂弹性模量，ΔLs为树脂固化收缩变形，ΔLa为树脂与嵌入件线膨胀系数差异产生的变形，αr为树脂的线膨胀系数，αm为嵌入件的线膨胀系数，Th为灌封体在高温状态下的温度，Tr为室温。

由公式（2）~（4）可知，材料内应力主要由灌封料在固化过程中的收缩应力和热应力组成。其中，收缩应力包括灌封料由液态到固态过程中的化学收缩以及降温过程中的物理收缩[7]。而热应力受材料线膨胀系数以及灌封温度的影响较大。环氧树脂固化交联示意图如图1所示。

图1 环氧树脂固化交联示意图

随着环氧树脂的固化程度提高，环氧树脂分子之间逐渐交联形成空间网状结构，如图1所示。在树脂分子交联过程中，材料的体积不断收缩，当环氧树脂凝胶化以后，树脂分子之间交联形成的空间网状结构将大大限制分子链的运动。此时，由于材料收缩造成收缩应力被束缚在材料内部不能及时松弛，就会产生收缩应力。

由式（4）可知，灌封材料和灌封件线膨胀系数的差异是导致灌封体内部热应力的主要因素之一。已有研究表明，环氧树脂灌封料的线膨胀系数比所埋电子元器件大3到5倍[8]。这就导致了在灌封体固化过程中电路模块与灌封料之间应力的聚集，如果应力得不到及时松弛，就会导致灌封体内部热应力的集中。当灌封体受到外部振动、冲击和高低温冲击时，就会对灌封体内部电路系统的运行造成影响。

环氧树脂固化过程中，固化温度也会对材料内部应力集中和裂纹的出现产生巨大影响。我们将制备好的环氧树脂灌封料分别倒入三个烧杯中，如图2所示，1到3号样品成分完全相同。1号样品固化温度在10 ℃左右，2、3号样品采用由低温到高温的分段固化。待样品充分固化后，对1到3号灌封料进行切割加工，如图3所示。

图2 环氧树脂灌封料

图3 切割加工后的环氧树脂灌封料

由图3可见，受固化温度的影响，同一批次相同成分的环氧树脂灌封料在固化后内部呈现出了不同的状态。1号样品切割面上出现了较多的裂纹，而2、3号样品切割面上则较为光滑。环氧树脂的固化过程是一个急剧放热的过程，由式（4）可知，环氧树脂的相对放热峰值越高，反应就越剧烈，在材料内部就越容易形成热应力的局部集中，导致材料内部应力增大。当受到外部应力作用时，应力集中处就越容易产生开裂，从而引起电路灌封体的失效。而采用由低温到高温分段固化的灌封料，降低了材料固化过程中的相对放热峰值，使材料的放热较为平缓，从而降低了材料固化过程中的热应力集中。

另外，灌封料搅拌不均匀也会导致内应力的存在。为了降低灌封材料和灌封件之间线膨胀系数的差异，增加灌封体的导热性能，通常会在灌封料的配方中加入氧化镁和纳米铝等无机填料。由于填料的加入，搅拌不均匀使得微型颗粒在材料内部聚集，当外力达到一定程度时就会产生裂纹，如图4所示。

图4 颗粒聚集处在外力作用下产生裂纹示意图

3 结果与讨论

由以上分析可知，电路灌封体内部应力的存在是导致电路系统运行失效的主要因素，而受灌封材料、灌封工艺和产品工艺的影响，灌封体不可避免地会产生内应力，因此如何有效地减少灌封体内部应力是保证电路系统正常运行的关键。

环氧树脂灌封料作为灌封的主体，直接关系到灌封产品的好坏。环氧树脂的固化是一个剧烈的放热过程，因此选择合适的添加剂能够有效降低固化过程的放热峰值。液体酸酐固化剂具有耐热性高和化学稳定性好等特点，与环氧树脂固化交联时放热峰较为平缓，可以明显降低固化热应力[9]。在灌封料制备过程中，通过采用带液晶基团聚酯型环氧树脂增韧剂，在一定程度上限制了交联网络的形成历程，减缓了交联速率，使得最终交联体积收缩程度减小，避免材料的内应力产生和聚集[5]。活性稀释剂能够有效增加灌封料的流动性和渗透性，便于材料的消泡和试件的灌封，灌封料制备过程中常选用油醚类活性稀释剂。无机填料的加入能够有效耗散环氧树脂固化过程中以及电路板工作时产生的热量，同时也能降低材料的收缩率和线膨胀系数。本文在灌封料的制备过程中，选用氧化铝作为无机填料，有效增加了材料的导热性能。同时，在材料混合过程中，对灌封料进行充分的搅拌，避免无机填料在灌封料内部聚集成团。

在灌封前，利用烘箱对灌封件进行预热，去除灌封件上吸附的水分，避免对材料粘结强度和灌封体绝缘性能的影响。同时，在灌封前对灌封件进行适当的预热也能够有效降低灌封料与灌封件之间的温差，降低材料固化过程中的相对放热峰值，避免热应力在电路板附近集中。在灌注时，应尽量一次灌注，控制灌注速度，避免灌封过快或过慢引起的应力集中。灌注完成后，将灌封体放入真空干燥箱进行二次抽真空处理，去除灌封过程中产生的气泡。在灌封体固化后期，通过控制室内温度，有效降低材料固化时的相对放热峰值，促使热量缓慢均匀释放，以达到减少灌封体收缩率和应力集中的目的。

在产品工艺方面，在焊接前，应利用酒精或丙酮对电路板进行清洗去除油污，防止焊接不牢导致焊点在受到外部作用力挤压时脱离电路板，引起电路系统工作异常。另外，由于电路板上电子元器件较多，在进行焊接时应尽量避免焊点处尖角的出现，保证焊点的圆润光滑，避免应力在焊点处集中。

4 结论

利用环氧树脂对电路模块进行灌封，通过对灌封料和灌封件的分析表明，引起电路灌封体运行失效的主要原因为内部应力集中。应力集中引起材料的开裂导致了电路灌封体绝缘性能的下降，同时也影响了外部应力在灌封体内部传播的连续性，应力集中越接近电路模块，外部过载对电路系统造成的影响越大。分析了引起灌封体应力集中和开裂的因素，并对目前从灌封材料、灌封工艺和产品工艺上消除应力集中的方法进行了分析和探讨。本文的研究为理解电路灌封体的失效机理提供了理论指导，也为电路板的有效灌封提供了相应的技术支持。

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Failure Mechanical Analysis of Circuit Encapsulation Body

ZHENG Xing, HUANG Haiying, CHEN Ying, NIE Fei, ZHANG Kai
（Institute of Systemic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang621900,China）

When offline storage test device work in high shock, severe vibration, temperature impact and other harsh environments, the reliability of the circuit system running is extremely important. In order to ensure the circuit system work normally in the harsh environment, the circuit module is reinforced by potting. The circuit encapsulation body which circuit module are potted with epoxy resin often failure operation in test. The analysis result show that stress concentration is the main factor which lead to that. The reason of stress concentration in the potting is analyzed. Furthermore, the method of avoiding stress concentration is discussed from encapsulation material, encapsulation technology and product designing.

circuit encapsulation body; epoxy resin; failure mechanical; stress concentration

TQ323.5

A

1681-1070（2014）08-0036-03

2014-03-03

中国工程物理研究院总体工程研究所创新与发展基金(13cxj-33)