电气电子灌封在电力电子设备中的应用及实现

黄华强，王浩龙，高小清，罗小强，徐长磊

（广州擎天实业有限公司，广东 广州 510860）

电力电子设备在日常使用过程中，易受到潮湿气体、凝露、盐雾、酸碱气体腐蚀等环境因素的影响，存在故障发生率高和使用寿命缩短等问题，这需要对PCBA板、部分电子器件进行灌封处理，采用科学合理的灌封工艺，避免电力电子元件受到外部环境腐蚀等影响而出现运行故障，进一步提升整流电源产品防腐等级和使用寿命，为提高电力电子产品质量提供技术支撑与保障。因此，应该深入研究国内主流的电气灌封材料，结合电力电子产品在具体应用过程中存在的问题，通过对样品进行泡水试验、盐雾试验、燃烧试验来对比分析，并结合附着力、环境影响、价格等因素对灌封材料进行选型，并对灌封工艺进行研究，最终确定灌封工艺方法并编写工艺规程。

1 电路板灌封胶的选型及实现

针对复杂恶劣的使用环境，采用灌封密封胶可以对电力电子设备中的电路板提供良好的防护作用，避免机械强振动和高速撞击对电子器件精密度产生影响，确保电路板可以在长期暴露腐蚀性化学气体、浸没于腐蚀性液体或环境温度发生剧烈变化时不受到损坏，这就需要根据使用环境来采用恰当的灌封材料和工艺。将构成电力电子设备的元件根据设计要求进行合理布置与连接，再采用灌封材料进行密封，实现电子元器件与外部环境的隔离，可以避免环境中的水分、灰尘和腐蚀性物质进入而造成损坏，把灌封后的胶体与电子元器件形成整体，可以提升设备的整体抗冲击性能。常规电路板处理多采用三防涂覆工艺，对防腐等级和电气性能要求高的电子精密器件需要进行灌封处理，电子元器件灌封胶主要有环氧树脂、聚氨酯和有机硅3个种类。

1.1 环氧树脂灌封材料

该灌封材料主要特征是于分子两端都存在环氧基，通过环氧基团产生化学反应形成热固性物质，苯环分子结构具有刚性特性，次甲基、醚键等化学结构具有柔性特性，上述分子结构的存在可以环氧树脂灌封材料在固化以后具有良好的物理性能。一般情况下，环氧树脂为混合状物质，液体条件下的环氧树脂不具有太多的使用价值，需要添加合适比例的固化剂，通过固化反应形成

胶剂，当有额外灌封工艺要求里还需要加入活性炭、玻璃微珠等其它成份，才能达到稀释、增韧等性能要求，才可用于电子元件器封灌领域。环氧树指灌封材料分子间具有较强的内聚力，内应力小且不易开裂，黏结性强且电性能良好，配方设置灵活且不存在杂质。按照固化方法的不同可划分为2种方式，一种为不采用固定剂，进行加热处理就可以形成固化反应则为单组份灌封胶，另一种为与固化剂分别存放的双组份灌封胶，可根据使用要求和环境特性合理配置成不同的成分比例，可以形成不同配方来满足不同的使用要求，不同配方条件下的固化产物具有不同的分子结构与性能，即便是相同的配方，也会受到灌封工艺和环境因素的不同而存在硬度、密度和韧性等方面的差异。以HL-1112双组份环氧树脂灌封材料为例，具有高透明性可在灌封后可以清楚地看到内部电子元件，具有很好的耐候性和绝缘性，抗冲击强度可达到7～9kg/cm/mm2、弯曲模具为7～10kg/mm2、抗压强度为21～23kg/mm2、温度区间为-40～110℃。

1.2 聚氨脂灌封材料

聚氯基甲酸酯材料已经在汽车制造、航空航天、电子灌封等领域得到应用，电子灌封采用聚氨脂浇注弹性体。聚氨酯为复杂高分子，具有特殊的化学结构，不同的制造工艺可使得聚氨脂产物存在较大的差异，硬度跨度可从A至D，比其他的电子灌封材料具有更好的硬度优异性，但脆性却劣于环氧树脂材料，而强度性能比较好，有机硅材料无法达到上述性能，具有很好的附着力、黏结力、耐温和耐水性能，可以吸收外界冲击能量。采用硬质聚氨酯泡沫进行灌封时，发泡会受到环境、气压等因素影响而使气泡分布不均，浇注后也会存在分布不均等问题，无法将吸能、隔振性能真正发挥出来，在真空环境下对聚氨酯材料进行配置与浇注灌封更好。

1.3 有机硅灌封材料

有机硅灌封材料有缩合与加成两种类型，缩合型有机硅在催化剂作用下，在室温条件下遇到湿气或混匀会产生缩合反应，生成具有网络状的弹性体，还会释放到水、二氧化碳等小分子化合物，加成型有机硅可形成网络结构，固化时不会形成小子分物质，具有良好的收缩率，可以满足多种灌封工艺，有着很高的生产效率，具有取代缩合型有机硅的趋势。加成型有机硅线性收缩率＜1.0%，可以实现深层固化且不会形成副产物，电气性能绝缘性、耐热性和耐湿性能良好，可根据使用要求选择不同的填料。

1.4 电子元器件灌封性能对比

三种电子元器件灌封胶性能比较，如表1所示。

表1 灌封材料性能对比表

从表1中可以发现，有机硅灌封材料具有无色透明、强性好，耐高湿和耐溶剂等优点，成型时会释放具备较小的内应力，不会对精密的电子元器件造成损伤，可以选择加成型有机硅作为灌封材料。硅凝胶是灌封硅胶材料中的一种，具备良好的弹性、较高的纯度和较好的耐高温性能，液态成型时可达到-40°柔软性，固化成型以后为半凝状态，受到外力挤压和破损后可实现自动愈合，严密性高且具有很好的防潮防水性能，对环境具有很好的适应性，可应用于精密电子元器件、电气模块等的封装处理，电源产品电子元件灌封可选用硅凝胶。

2 电路板灌封胶的分析和选择

根据电力电子产品的实际情况，选择市面上主流的电子灌封硅凝胶，进行泡水试验、盐雾试验、燃烧试验等数据对比分析，并结合附着力、环境影响、价格等因素来对硅凝胶进行选型。并根据实际情况与选型结果，对硅凝胶的灌封工艺进行研究，确定灌封工艺方法，编写工艺规程，具体对比试验数据见表2所示。

表2 市面主流硅凝胶对比试验

对比实验采用相同的电路板，测量A、B两点间的阻值后采用不同型号的硅凝胶对电路进行灌封。对灌封后的电路板分别进行耐水、耐盐雾试验，持续72h后测A、B两点间的阻值，对不同硅凝胶灌封的电路板防护效果评价。结果表明，耐盐雾实验测试中，C胶、E胶表现不好，A胶次之，B胶、D胶表现最好。但泡水性能试验和燃烧试验，B胶略好于D胶，而且价格相对便宜。所以，依据本实验初步结论，优选B胶，次选D胶。但实际的选型中，还需要结合考虑材料的固化性能，是否有硅油析出等因素。

3 PCBA板灌封工艺

采用的灌封处理PCBA板工艺，可作为同类产品的参考：（1）确认待灌封的PCBA板是否合格。PCBA板必须通过检测合格才能进行灌封；及检查表面是否整洁，如PCBA板表面有灰尘、锡珠、焊渣等影响灌封质量问题的，需退给检测人员处理。（2）对封装外壳进行密封处理，涂密封胶。把硅橡胶装在针筒里，用针筒在塑料外壳的密封槽上打一圈硅橡胶进行密封，打胶必须连贯无缺口，均匀。（3）密封硅橡胶固化。等待硅橡胶固化后进行灌封。硅橡胶固化时间视天气变化、室内温度变化而定，常温（25℃左右）半小时初固，24h全固。常温加热100℃，20min，待冷却后可基本固化。（4）灌封。灌封胶以产品说明书推荐比例勾兑搅拌均匀，用定量注射的方式灌封模块，注射时速度均匀。常温灌封胶灌封可操作时间约为50min。（5）清理残胶。灌封后的PCBA板要先清理灌封口上残留的灌封胶，否则，固化后将难以清理。（6）灌封胶固化。将灌封后的PCBA板静置平整的桌面等待灌封胶固化，常温固化时间为8～24h。（7）检查。检查PCBA板是否有灌封胶泄漏，如有泄漏需返工灌封。

4 灌封质量问题及解决办法

4.1 电子灌封胶

双组分灌封胶固化时间随温度变化，温度越高固化越快。当常温超过35℃后，灌封胶固化时间变快，可灌封操作时间变短，器件还没灌满时灌封胶已经开始产生化学反应逐渐固化，流动性变低而影响灌封效果，造成空鼓、气泡多、灌封效率低等现象，可在B料单独搅拌前加入适量延时剂，温度越高延时剂添加比例越高，可以解决空鼓、气泡多、灌封效率低的问题。

灌封器件里的物质（玻璃胶、黄腊管等）容易与灌封胶产生化学反应，导致灌封胶不固化或固化不充分，产生中毒现象，需对灌封器件做器件胶中毒反应实验，确认灌封器件里的物质不会与灌封胶产生中毒后再进行灌封操作，避免灌封胶与灌封体产生中毒反应。灌封器件如有间隙无法排气，导致灌封后灌封不足、气泡等缺陷，需要重新补胶。可在灌封器件壳体上开合适的排气孔，减少灌封不足、气泡等缺陷，提高灌封质量。

器件灌封完后，灌封胶会缓慢地渗透或气泡向上排出，灌封口位置的灌封胶减少，导致灌封口存在灌封不足，影响灌封质量及外观。正常灌封完成后，需要30～40min才能完成排气，灌封完成后，30min左右进行一次补胶，避免灌封口灌封不足。

4.2 硅凝胶

硅凝胶在固化过程中与PBT材质等外壳产生化学反应，导致硅凝胶中毒，无法固化或固化不充分，影响PCBA板的使用及性能，在灌封完后的40min内，放在加热平台上加温60℃，1h固化。加温状态的硅凝胶固化时间比硅凝胶与外壳产生化学反应的时间更快，避免了中毒反应，杜绝硅凝胶不固化或固化不充分的现象，保证PCBA的性能及正常使用。

硅凝胶张力大，容易黏附在导电连接处并扩张渗透，影响电气连接，可用硅橡胶进行围坝处理，进行隔断。

5 结语

该灌封工艺推广应用到电力电子设备的PCBA板及变压器等器件，特别是高频整流电源，能很好地提高电力电子设备在实际使用环境下的防腐能力，大大减少了因为腐蚀问题引起的故障，从而提高了电力电子设备的寿命和稳定性。