产品电子元器件封装及加固技术

许磊

（西安电子工程研究所，西安 710100）



产品电子元器件封装及加固技术

许磊

（西安电子工程研究所，西安 710100）

为保证电子器件的环境适应性和可靠性要求，在传统“三防”的基础上，着重论述了产品电子元器件的封装、加固技术。方法 介绍了常用的封装加固材料的性能，针对不同的器件，规定了封装加固工艺流程，其中针对导引头提出了两种封装材料，其耐冲击指标达到8×103g～20×103g。为三防设计及选材提供了依据，对工艺防护提供了实际经验和技术要求，从而避免缺陷导致的质量问题。电子元器件封装加固技术，能够提高电子产品的防护性能，具有一定指导作用。

电子器件；材料；三防技术；封装技术；加固技术

为保证电子器件的环境适应性和可靠性，满足恶劣环境下的使用要求，需对调试后的印制板及电子模块进行三防涂覆处理。三防涂覆处理就是将“三防”涂料涂覆在印制板、屏蔽盒及组合表面上，使被涂覆的对象与周围的环境腐蚀物隔离开来，从而提高其防潮湿、防霉菌、防盐雾的能力。对于一些特殊环境（如高湿热及高盐雾条件下的海洋气候、弹体发射及运行过程中的高过载冲击等）下使用的电子产品，还必须在以上三防涂覆的基础上，对电子器件采取整体封装、加固措施，将腐蚀介质和被保护对象隔离开来，防止防护层失效后腐蚀介质的渗入，对高过载冲击的器件，通过灌封，提高电子元器件防振、抗高过载冲击能力。

1　元器件封装技术

1.1封装材料的选择

三防涂层可以提供一层20～200 μm的保护膜，但它不耐高机械冲击，膜层间存在针孔，不能完全抵抗水气进入。这种防护层可用于一般大气环境下或舱内使用的电子设备，尚能满足防护要求，但对于暴露在海洋环境下使用的产品，就必须选用合适材料对电子器件进行整体封装。元器件整体封装，就是用合适的封装材料将需要封装的器件包裹起来，与使用环境彻底隔绝，保证器件电气性能不受外界环境影响，达到防护目的［1］。

电子工业中常用的灌封材料有环氧树脂、有机硅和聚氨酯，其中有机硅和环氧树脂应用最广泛［2］。环氧树脂具有耐化学药品性能良好、附着力强、绝缘性优良、耐磨性强、力学强度高、反应后尺寸稳定和耐辐照性较强等优点［3—5］。其缺点是弹力不够［6］，脆性大，韧性不足，固化时有一定的内应力［7］。器件为一次性封装，一旦封装无法拆装，不可维修，一般多用于高可靠电路的封装，如高压变压器、电源等产品的封装。

有机硅凝胶和聚氨酯材料属于弹性封装材料，其综合性能优越，便于拆装，可维修性好，所以应用于一些复杂电路，如印制板、中低频模块等。常用的硅凝胶有GN521，GN522等，硅橡胶有南大704、南大 705、硅酮 482c等，聚氨酯材料有UR5048。一些常见封装材料的性能见表1。

表1　常见的封装材料的主要性能Table 1　Main properties of common encapsulating materials

1.2元器件的封装

1.2.1印制板上元器件的封装

印制板上元器件封装的工艺流程如图1所示。

图1　印制板元器件封装工艺流程Fig.1　Encapsulating process of PCB components

对于印制板的封装材料，GN522及UR5048均能满足使用要求，二者都是双组分包装，使用时将甲、乙组分按比例混合搅匀后，应放入真空箱中抽真空消除气泡后，倒入需封装的部位，常温固化。对于局部小器件的封装，也可采用南大705作为封装材料。

1.2.2电缆插头尾部的封装

电缆插头焊接完后，应选用6101环氧树脂、GD-414、南大703等对其进行封装，以防止其受潮导致短路、打火。对高压插头焊接点，预先采用常温固化的环氧树脂或南大703封装，最后用热缩套管进行热缩处理，这样处理的插头，具有很好的抗折弯能力和防水绝缘能力，已在多种型号产品中得到应用，防护效果十分显著。具体操作工艺流程为：焊接插头—清洗—乙醇检漏—驱潮—封装—固化、封尾—套热缩套管—热缩—贴标志—检验。

1.2.3导引头弹载器件的封装

导引头弹载电子器件在随弹体发射及飞行过程中，要承受巨大冲击力，冲击强度达上万个g。为保证弹载电子器件正常工作，防止由于冲击导致器件受损或连接失效，必须对电子器件进行封装处理。

用于弹载电子器件的封装材料，必须满足特定的条件，主要有以下三点。

1）具有较小的介电常数和较大的体积电阻。被封装的电子器件及印制板，往往是一些高频组件，因此，选用的封装材料必须具有较低的介电常数，以减少电损耗。同时具有较高的体积电阻，确保器件封装后有较高的绝缘性。

2）具有较强的抗冲击能力。强度高的封装材料，可以保证电子器件在受到高冲击后，不至于出现器件管腿断裂、器件损坏的情况，

3）具有流动性好、常温固化的特点。由于弹载电子器件安装空间有限，排列比较集中，缝隙小，要求填充物固化前有好的流动性，能够充满所有缝隙，保证封装无死角。另外，考虑弹体内的电子器件不能耐高温，封装材料最好是常温固化。

电子工业中常见的封装材料有硅橡胶类、聚氨酯橡胶、环氧树脂类、聚氨酯泡沫类等等，其中后两种比较常用。环氧树脂具有优异的粘接性能，能够将金属和金属，金属和非金属很好地粘接在一起，并且能形成平整的表面，密封性能良好［8—9］。作为工程中使用的环氧树脂灌浆材料和电器绝缘材料，阮峥等［10］对国内外研究成果进行了分类总结和详细分析，并对环氧树脂材料的优点以及其功能化研究现状进行了细致的分析。

目前，国内研制的灌封材料通常只满足正常环境下的使用性能，很少涉及特殊环境（如高冲击过载）［11］。有关高过载封装报道较少，笔者对高过载导引头封装做了一些研究，配制的环氧封装胶已用于多型号导引头雷达电子组件的封装，其抗过载冲击能力已达（8×103g～20×103g）。具体操作流程如图2所示。

图2　弹载环氧树脂抗过载封装工艺流程Fig.2　Anti-over-load encapsulating process of missile borne epoxy resin

聚氨酯发泡材料为异氰酸酯和多元醇加一定的助剂后聚合而成，其主要特点为：

1）聚氨酯发泡材料具有比较优良的电性能。其介电常数在 4.0～7.5范围内，tan σ=0.015～ 0.041，体积电阻系数为2×1011～2×1015Ω·cm。

2）具有质量轻、比强度高、尺寸稳定性好的优点，中密度聚氨酯泡沫材料的密度为40～60 kg/m3，机械强度高，尺寸稳定性好，不收缩，可在-90～70℃下长期使用［12—13］。

3）粘附力强，绝热效果好，聚氨酯泡沫材料对钢、铝、不锈钢等金属具有很好的附着力，对非金属材料（除聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯外）均有良好的粘附力。导热系数为0.025 W/（m·K），绝热效果极佳，能隔绝弹体在飞行中与空气摩擦产生的热量将器件烧坏。当然器件产生的热量也不容易散出去，需要进行散热设计。

4）反应混合物流动性好。反应混合物在发泡固化前为液体，具有良好的流动性，封装时在外压力的作用下，能顺利充满复杂形状的模腔或室间，不会出现空腔现象。

由于聚氨酯泡沫材料具有上述特点，可以选用它作为弹载电子器件封装材料，特别是设计上有质量要求的弹体，聚氨酯泡沫材料为首选材料，可根据不同冲击指标，通过控制压力来实现封装体的密度。封装装工艺流程如图3所示。

图3　弹载聚氨酯发泡抗过载封装工艺流程Fig.3　Anti-over-load encapsulating process of missile borne polyurethane foam

封装时需要通过试验确定熟化温度及时间。熟化是指泡沫初步固化并生成固态物后，还需要继续在一定温度下放置的过程［14］。泡沫初步成型，性能不稳定，易收缩，应在一定温度下放置一段时间，以保证泡沫尺寸不再变化。将聚氨酯发泡技术用于某型弹体封装，抗冲击能力达1.3×104g，质量只增加几十克，大大低于质量设计指标。

2　元器件的加固

由于电子产品在运输移动过程中，可能受到颠簸振动，易使印制板或组合上某些器件遭受损害，为避免这种情况发生，通常在三防涂覆后对器件进行加固。加固的材料通常分为刚性加固材料和弹性加固材料。刚性材料一般选用环氧树脂，具有粘接强度高，耐候性好等优点。弹性加固材料一般选用硅橡胶和硅酮胶，常用的型号有南大703、南大705、晨光GD414和硅宝482，具有良好的粘接性和抗冲击能力，同时具有可维修的优点。常见单组份硅胶的性能见表2，便于实际选用。

表2　常用单组份硅胶性能Table 2　Performance of common single component silicone

操作时，若器件的太高，可垫支垫后加固，支垫可选用聚酯型塑料材料。

3　讨论

1）电子元器件的封装、加固是比较有效的防护措施之一，用于恶劣环境下使用的电子产品的防护。由于封装是永久性防护，封装完成后，不能或不便于拆卸，因此对器件的可靠性要求较高。

2）封装虽然大大提高了器件的防护性能，但不利于器件的散热，对于发热量较大的器件需解决散热问题。因而在设计时，必须考虑到散热结构形式。

3）封装材料在配料和封装的过程中会裹入气泡，影响封装材料的强度和绝缘性。灌封材料应从模具一边缓慢加入，灌注速度不宜过快，尽量排除模具中的气体［15—17］。有些封装材料在固化的过程中，往往要伴随着气体放出。因此这类封装应在真空烘箱中进行操作，采用抽-放-抽的方式操作，一次最大封装厚度不超过30 mm。厚度太大，可采用多次封装。

4）为保证封装面的光滑、平整，必要时采用封装模具，模具表面涂抹合适的脱膜剂，常用的脱膜剂有硅脂、硅油等。

4　结语

随着高科技的发展，兵器电子化程度越来越高，环境适应性要求成为武器装备技术指标之一。为提高武器设备的可靠性和环境适应性，确保武器装备的全寿命周期，就必须对电子产品采取有效的防护，而封装、加固技术是三防技术中比较有效和可靠的措施。随着新的封装材料及技术的不断发展，其必将得到广泛的应用。

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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

许磊（1963—），男，陕西西安人，高级工程师，主要研究方向为雷达防护工艺。

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