几种有机硅电子灌封材料西沙热带海洋大气环境效应研究

何 俊，刘丽红

（1. 工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；3. 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；4. 泰州赛宝工业技术研究院有限公司，泰州 225300）

几种有机硅电子灌封材料西沙热带海洋大气环境效应研究

何 俊，刘丽红

（1. 工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；3. 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；4. 泰州赛宝工业技术研究院有限公司，泰州 225300）

在南海西沙试验站开展三种有机硅电子灌封材料为期24个月户外、棚下大气暴露试验。通过周期性能测试，分析其各性能劣化规律，用主成分法综合评价其环境适应性，以研究灌封材料南海海洋大气环境效应。试验结果表明：三种试验样品西沙棚下海洋大气环境耐候性明显优于西沙户外，西沙海洋大气环境中环境适应性顺序是：C3＞C1＞C2。

有机硅电子灌封材料；西沙户外和棚下；海洋大气暴露试验；环境适应性

引言

灌封材料有着良好的绝缘、防腐、防潮、固定、隔离等作用，对强化电子器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力、提高内部元件、线路间的绝缘性、器件的防水、防潮性能及可靠性起着重要的作用，在电子产品的应用十分广泛［1～3］。目前的灌封材料多种多样，常用的主要包括有机硅、环氧树脂和聚氨酯三大类。有机硅灌封材料因其特殊的硅氧键主链结构而具有耐高低温、机械性能、耐候、电绝缘等一系列优良性能，在高科技领域具有显著的研究潜力并被广泛应用[4～6]。我国经过多年的研究，有机硅灌封材料性能的提高已取得了长足的进步[7～9]，可满足通用电子灌封领域的使用要求。然而由于自然环境的影响效应，灌封材料的性能会有不同程度的下降，尤其是三防性能。研究有机硅电子灌封材料的环境效应，尤其是恶劣环境的环境效应，对提高灌封材料的环境适应性，对提高电子产品高可靠性和环境适应性，减少部件、整机故障，有着十分重要的现实意义。本文选用电子装备常用有机硅灌封材料样品，在南海西沙试验站进行海洋大气暴露试验，观察其性能劣化规律，研究其耐热带海洋环境适应性。

1 试验材料及方法

1.1 试样

本试验选择不同工艺成分有机硅灌封材料，根据测试性能按相应测试标准制作标准平板样品试验样品清单见表1。

1.2 试验方法

试验选择南海西沙试验站户外、棚下大气暴露试验，试验过程中进行外观、电性能变化、拉伸性能变化及剥离性能变化周期检测，观察其性能劣化规律。每种样品采用5块平行样来综合评价，本文对样品暴露24个月的试验结果进行对比分析。

表1 试验样品

西沙大气暴露试验条件：参考GB/T 3681-2000《塑料大气暴露试验方法》标准执行，将样品暴露海洋大气环境中（户外朝南45°，棚下垂直悬挂），总试验时间24个月。

2 结果与讨论

2.1 西沙海洋大气环境劣化规律

本试验中三种有机硅电子灌封材料试样西沙户外、棚下大气暴露24个月的主要性能指标变化趋势见图1。

由图1及试验数据可看出，试验2年后：

1）介电性能变化规律

户外：C1及C3样品介电常数明显下降，损耗因数轻微下降，试验后介电性能未下降；C2样品在试验18个月后介电常数先轻微下降再明显上升，损耗因数明显下降，24个月时样品完全龟裂无法测试。

棚下：参试样品介电性能总趋势呈轻微下降的趋势，工艺损耗因数总趋势呈微弱下降趋势，试验后介电性能未下降。

分类汇总并处理两组患者的各项记录数据,采取统计学软件SPSS19.0对进行分析和处理,计数资料采取率(%)表示,用平均值±标准差(±s)表示计量资料,采取x2检验(或者采用T检验)表示组间率对比;对比以P<0.05为有显著性差异和统计学意义。

2）电阻性能变化规律

户外：C1样品表面电阻基本无变化，体积电阻基本无变化，C3样品表面电阻明显下降，体积电阻基本无变化；C2样品在试验18个月后，表面电阻和体积电阻均基本无变化，24个月时样品完全龟裂无法测试。

棚下：C1样品表面电阻和体积电阻基本无变化，C2和C3样品表面电阻很轻微下降，下降了一个数量级；C2和C3样品体积电阻基本无变化。

3）耐电性能变化规律

户外：C1样品击穿电压强度严重下降，C3样品击穿电压强度试验前后基本无变化,该两种工艺耐压强度（2 000 V·60 s）性能良好；C2样品击穿电压强度试验18个月后明显下降，24个月时样品完全龟裂无法测试。

棚下：参试样品工艺击穿电压强度总趋势呈下降趋势，C1样品击穿电压强度下降明显，C2样品击穿电压强度严重下降，C3样品击穿电压强度试验前后基本无变化；三种样品工艺耐压强度（2 000 V·60 s）性能均良好。

户外：C1工艺样品表面明显失光（3级），邵氏硬度明显上升；C2工艺样品试验12个月时表面严重失光，明显龟裂（3级），试验18个月时表面完全失光（5级），严重龟裂（5级），试验24个月时表面完全龟裂开，邵氏硬度明显下降；C3工艺样品试验24个月后，样品表面完全严重失光、明显粉化（3级），邵氏硬度基本未变。

棚下：该类工艺样品表面均发生失光老化现象。C1工艺样品表面轻微失光（2级），邵氏硬度明显上升，C2工艺样品表面严重失光（4级），邵氏硬度明显下降，C3工艺样品表面明显失光（3级）、很轻微粉化（1级），邵氏硬度明显上升。

5）拉伸性能变化规律

户外：该类工艺样品拉伸性能变化总趋势呈下降趋势。C1工艺样品拉伸强度明显下降，断裂伸长率严重下降；C2工艺样品试验12个月后拉伸强度明显下降，断裂伸长率严重下降，试验18个月时样品断裂无法测试；C3工艺样品拉伸强度轻微上升，试验后试验未下降，断裂伸长率试验前后基本无变化。

棚下：该类工艺样品拉伸性能变化总趋势呈下降趋势。C1工艺样品拉伸强度基本无变化，断裂伸长率明显下降；C2工艺样品试验6个月时拉伸强度严重下降，断裂伸长率从严重下降，试验12个月时样品断裂无法测试；C3工艺样品拉伸强度基本无变化，断裂伸长率严重下降。

6）剥离性能变化规律

户外样品：工艺样品剥离强度基本无变化，试验前后变化不大，破坏形式始终是100 %内聚破坏。

棚下样品：C1、C2工艺样品剥离强度基本无变化，试验前后变化不大，破坏形式始终是100 %内聚破坏；C3工艺样品剥离强度轻微变化，破坏形式始终是100 %内聚破坏。

图1 有机硅试样西沙大气暴露性能劣化趋势图

7）西沙户外大气环境对参试样品性能影响明显，尤其击穿强度劣化明显，超60 %样品击穿强度下降超过40 %；其次，外观、拉伸强度劣化严重，有超60 %样品外观劣化达3级以上；超60 %样品拉伸强度劣化达3级以上；

西沙棚下大气环境对参试样品击穿强度影响明显，超60 %样品击穿强度下降超过20 %，其次，拉伸强度劣化相对也比较明显，其它性能变化不明显。

2.2 西沙热带海洋环境适应性综合评价

有机硅灌封材料西沙大气暴露老化试验后，有多项性能指标发生变化，每项性能的变化行为各不相同，需要综合各项指标的变化综合评价其老化行为，评价其环境适应性。主成分分析法是一种将多个指标转化为少数几个互相无关的综合指标的统计方法。这种方法能从较多的指标中找出较少的几个能较好地反映原来质量信息综合指标，在保证数据信息损失最少的前提下，经线性变换好舍弃一小部分信息，以少数的综合变量取代原始的多维变量。这种方法在材料领域有较多的应用，在研究橡胶、塑料等高分子材料的老化规律中得到应用[10～13]。

本项目采用主成分分析法对有机硅电子灌封材料的老化行为进行综合评价优选。选择介电常数、表面电阻、体积电阻、击穿强度、耐压强度、拉伸强度、剥离强度、表面外观变化（粉化、开裂等）评级指标作为评价环境适应性变化的关键性能参数，通过Metlab软件计算上述关键性能参数的原始数据的相关矩阵、特征值、贡献率和累积贡献率，以特征值的贡献率为权数，计算每种试验样品的综合评价值Z，如表2所示。根据Z值变化趋势和变化速度快慢，评价并对比各样品环境适应性的优劣。

以Z为纵坐标、老化时间t为横坐标，绘制其在自然环境下的老化曲线，结果见图2、图3。

由图2可以看出，在西沙户外大气环境下，有机硅灌封材料样品的环境适应性顺序是：C3＞C1＞C2；由图3可以看出，在西沙棚下大气环境下，有机硅灌封材料样品的环境适应性顺序是：C3＞C1＞C2。

2.3 分析

表2 有机硅电子灌封材料样品综合评价值Z

图2 西沙户外大气环境对灌封绝缘材料样品老化性能的影响

图3 西沙棚下自然环境对灌封绝缘材料样品老化性能的影响

有机硅灌封材料属于高分子材料，在自然环境中，易受到热、氧、水、光、微生物、力、化学介质等影响发生老化，从而使其物理性能、电性能等降低，甚至丧失。空气中的氧会引起高分子发生氧化，造成降解或交联反应；光在老化过程中起活化作用，同时也是游离基生成过程中的引发剂，能引起高分子材料的光氧化反应；热会引起热老化，影响化学反应速率，加速破坏作用；湿气附在表面凝结成露后遇到亲水基团或者水溶性物质就会被吸附并渗透到高分子材料内层，破坏结构，降低其电学性能、物理性能和力学性能；在一定的温度、湿度条件下，高分子材料表面沉附的氯离子通过材料的微孔逐步渗透到内部，引起材料的老化；高分子材料表面在一定的温度、湿度和介质条件下会滋长霉菌等微生物，吃掉高分子材料中的某些成分及分解碳氢化合物，从而降低其电学性能、机械强度，甚至破坏其组分、结构，引起老化［14,15］。

在西沙大气暴露试验时，户外年平均温度27.7 ℃，年平均相对湿度为RH78.1 %，棚下年平均气温27.6 ℃，棚下年平均相对湿度为RH79.1 %，户外年平均太阳辐照量6 760.6 MJ/m2，户外月平均氯离子含量为0.152 ☒g/ ml，霉菌种类繁多，为典型热带海洋大气环境。因此西沙环境特有的高温、高湿、高盐雾、强太阳辐射及霉菌交互作用，是有机硅灌封材料性能劣化的主要因素。

3 结论

本文通过对三种有机硅电子灌封材料样品在西沙户外、棚下海洋大气暴露试验，研究其海洋大气环境效应，采用主成分分析法综合评价其环境适应性，主要结论如下：

1）西沙环境恶劣，高温、高湿、高盐雾、强太阳辐射及多霉菌的南海热带海洋大气气候对参试的有机硅电子灌封材料样品性能影响明显，试验2年后各性能均有明显变化；

2）参试样品西沙棚下海洋大气环境耐候性明显优于西沙户外；

3）参试样品西沙海洋大气环境中环境适应性顺序是：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，贵州人，工业和信息化部电子第五研究所助理工程师，大学本科，主要从事电子产品可靠性与环境试验研究工作。

2015年工业转型升级强基工程——装备环境适应性公共技术服务平台基金资助（NO：TC150B5C0/41）