幾種新工藝在軍用電子設備中的應用探討

生建友,王明月

（總參第六十三研究所,南京 210007）

幾種新工藝在軍用電子設備中的應用探討

生建友,王明月

（總參第六十三研究所,南京 210007）

高效熱傳導工藝、達克羅及氟涂料涂覆工藝、三元合金電鍍工藝等是近幾年在民用設備中使用比較廣泛的新型工藝。詳細介紹了這幾種工藝的現狀及特點,探討了高效傳熱元件的傳熱效果、在設備中的使用情況;達克羅涂層和氟涂層的防腐效果,達克羅涂層上涂覆油漆及油漆層的硬度、耐沖擊與附著力問題,提高氟涂層附著力的具體措施,以及銅錫鋅三元合金電鍍層的三防性能、導電性、可焊性、附著力等。試驗、試用和使用結果證明,這幾種新工藝對提高軍用電子設備的可靠性和環境防護能力非常有效。

軍用電子設備;新工藝;高效熱傳導;氟涂料;銅錫鋅三元合金

1 引 言

由于大規模（超大規模）芯片的運行速度越來越快,芯片的發熱量成倍增加,設備內部聚集的熱量越來越多,加上軍用電子設備的結構越來越緊湊,且通常是密封型結構,設備內部的熱流密度越來越高,使得設備的散熱問題越來越突出。隨著國際維和以及遠洋反恐任務的增多,設備的全球環境適應性問題開始顯現,特別是海洋環境中的高溫高濕及鹽霧腐蝕,采用傳統工藝其防護效果不太理想。電子設備中經常要用的屏蔽盒、焊片等零件,一般是采用鍍銀工藝,如果鍍銀層上不涂覆DJB-823等固體膜保護劑,鍍銀層會很快變色發黑,從而影響外觀與電性能等。所有這些促使人們進一步探索新工藝、新方法,從根本上解決軍用電子設備的散熱與環境防護難題。

2 工藝介紹

隨著科學技術的不斷發展,以及材料科學研究的不斷深入,最近幾年相繼出現了很多新工藝,如:高效熱傳導工藝;達克羅、氟涂料涂覆工藝;三元合金電鍍工藝等,它們在民用設備中已經廣泛使用,經試驗、試用和使用,這幾種新工藝對解決軍用電子設備的傳熱與表面防護有很好的效果。

2.1 高效熱傳導工藝

高效熱傳導工藝是利用無機傳熱技術將設備內部功率元器件耗散功率產生的熱量遠距離迅速傳離熱源的工藝。無機傳熱技術是類似于熱管的高效傳熱技術[1],由美國人在20世紀90年代發明,并迅速在余熱回收、太陽能集熱等領域廣泛應用,其良好的傳熱性能深受人們的青睞。無機傳熱技術的核心是高效無機傳熱元件,其結構形式和傳熱機理與熱管相似[1],只是管芯結構、工藝及工質不同,管芯分為溝槽芯、網狀芯、纖維芯和粉末金屬燒結芯,其中粉末金屬燒結芯傳熱效率最高,廠家出于保密,具體的工質未見介紹。

該工藝的特點是:能夠遠距離傳遞熱量,且傳熱速度快;可以使分散安裝的電子元器件均勻散熱;傳熱無方向性,傳熱元件在設備中可靈活布置,可以進行定點散熱;傳熱無需動力,可消除或取消散熱器的動力消耗;結構緊湊、重量輕;無噪音,免維修;尤其適用于密閉設備的散熱問題等。國內已開發成商品的無機傳熱元件有微型傳熱元件和柱形傳熱元件兩類,其橫截面可以是圓形也可以是方形,外形可以是直的也可以彎曲?，F在,民用電子設備中已普遍使用的柱管散熱器、鑲管式散熱器、穿管式散熱器等散熱模塊都是以無機傳熱元件為核心結合金屬散熱片與直流風機而做成的。

2.2 達克羅涂覆工藝

達克羅涂覆工藝是將達克羅涂料涂覆于金屬/非金屬表面,形成完整、堅固防腐層的涂裝工藝。達克羅涂料是一種鋅和鋁的鉻酸鹽為主要成份的無機防腐蝕水基鋅鉻涂料,系一種高分散性水基溶液,它的主要原料為微米級的磷片狀鋅粉和鋁粉。

在發達國家,達克羅涂覆工藝已作為替代污染嚴重的電鍍鋅、電鍍鎘、鋅基合金鍍層等傳統工藝的防腐處理新工藝,是一種從根本上減少環境污染的新工藝。達克羅涂層具有其它表面涂層（鍍層）無法比擬的優點[2,3]:

（1）獨特的防腐機理使其具有三重防護效果,即犧牲陽極保護基體陰極;鋅鋁漿由于高價鉻鹽的氧化直接與機體材料反應生成鈍化膜;微米級鋅鋁片與鉻酸鈍化反應,經烘烤后層層疊加形成無數個鈍化膜,因而其耐腐蝕性很好,尤其耐鹽霧性好,是鍍鋅層的7～10倍,可長期用于沿海及海洋條件下;

（2）耐熱腐蝕性極好,涂層的固化溫度為300℃,可在高溫下長期使用;

（3）附著力好,與金屬（鋼、鋁等）基體以及油漆涂層均有良好的結合力,因此達克羅涂層上再進行油漆涂覆可滿足各軍兵種對設備的不同顏色的要求;

（4）無氫脆。生產工藝無需酸、堿清洗,避免與酸、堿及電解液作用接觸,且在高溫下固化,故沒有氫脆現象;

（5）高滲透性。達克羅涂料是水溶性的,它有極強的滲透性和浸潤性,在縫隙處和孔洞內都能形成膜,有效解決了盲孔、深孔、長管以及細縫的防腐蝕問題。

2.3 氟涂料涂覆工藝

氟涂料涂覆工藝是將氟碳樹脂為主要成膜物質的涂料涂覆于金屬/非金屬表面,形成完整、堅固防腐涂層的涂裝工藝。涂料中的氟碳樹脂含有大量的C-F強力鍵,由于該鍵的化學能高（485 J/mol）,在熱、光（紫外線）、化學介質作用下,分子結構仍非常穩定,因此該涂料具有多種優異的性能,在涂料市場贏得了涂料王的美譽和涂料貴族的稱號[4,5]:

（1）卓越的耐候性。由于氟碳樹脂具有超強的熱穩定性和化學惰性,在現有已知的涂料中,其耐候性性能是最好的,該涂層在海洋及沿海以及其它惡劣環境下可保持長期穩定,室外條件下可保持20年不失光、不粉化;

（2）高疏水性。水是重要的腐蝕介質,水的表面張力低于金屬,故對所有金屬均能潤濕,在其它介質的共同作用下能加速金屬的腐蝕及非金屬的降解和溶漲變形,使設備壽命降低。而氟的表面張力低于水,因此水不能潤濕氟涂層（水在其上呈珠狀）,使得氟碳涂層具有高疏水性,從而確保設備的防護性能;

（3）耐沾污、耐化學品、耐溶劑性能優良。氟原子極性很低,氟的表面張力在非金屬材料中是最低的,同時具有自潤滑表面,所以具有不粘性及平滑性,油脂等有機物不能很好地附著在氟涂層上,因此抗沾污性較強,即使污染了也容易清洗;

（4）由于涂料極低的摩擦系數,涂層的耐磨性比較好。

2.4 銅錫鋅三元合金電鍍工藝

合金電鍍一直是電鍍領域花大力氣進行研發的工藝課題,特別是多元合金,包括三元合金、四元合金等。銅錫鋅三元合金電鍍工藝就是在材料基體或高導電性的電鍍層上覆蓋銅錫鋅合金薄層的電鍍工藝,3種金屬成份的比例通常為銅45%～55%、錫25%～30%、鋅10%～15%,有時根據零件的使用要求,適當調整3種金屬的成份比例,鍍層的外觀與不銹鋼相似。合金鍍層綜合了單金屬鍍層的優點,且具有單金屬鍍層無法達到的新特性[6]:耐腐蝕性好,能經受惡劣大氣環境及人體汗漬等腐蝕物的影響而長期保持光亮的外觀,而鍍銀層通常環境下會迅速變色;導電性好,銅錫鋅三元合金鍍層與鍍銀層電導性相近,經測試,在10 GHz的范圍內其交調特性等與銀鍍層一致;鍍層表面硬度高,對刮擦、磕碰不敏感,避免了鍍銀層表面易損傷的缺陷;鍍層易于焊接（錫鉛焊）。

多元合金電鍍作為一種新工藝,由于其獨特的優點越來越受到人們的重視,其應用范圍也越來越廣。

3 在設備中的應用探討

按照質量管理體系中“三新”（新技術、新器材、新工藝）的要求,也為新工藝在軍品的應用獲取最大有效數據,結合產品特點,對這幾種工藝的應用效果進行了探討與驗證。

3.1 高效熱傳導工藝應用

為獲取較為精確的傳熱效果數據,設計了管徑分別為 Υ 6、Υ 8,長度均為180 mm的U形無機傳熱元件和帶散熱器（散熱面積約為0.14 m2）的鋁質密封盒體以及能使盒體內部溫度達到硅芯片最高結溫（170℃）的熱源（200 W）。實驗時,熱源安裝在印制板上,保證與發熱芯片的實際安裝情況相同,用電子溫度計實時測量熱源的表面溫度,在環境溫度為15℃和40℃的條件下,分別對 Υ 6、Υ 8單獨應用以及兩個傳熱元件同時應用的傳熱效果進行了試驗,并與空載（未安裝傳熱元件）的情況進行了比較,其傳熱效果參見圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出,傳熱元件能迅速地將熱源的熱量傳遞到散熱上,在保證一定散熱面積的情況下,能顯著降低熱源的表面溫度,無論是在環境溫度較高的情況下,還是在盒體內部趨于熱平衡時,熱源表面的溫度都能顯著降低。

圖1 環境溫度為15℃時的傳熱效果圖Fig.1 Heat transfer effect at 15℃

圖2 環境溫度為15℃、40℃時的傳熱效果對比圖Fig.2Contrast of heat transfer effect at 15℃and 40℃

某電子設備由于設備的功耗比較大,設計時采取了所有常規散熱措施,包括傳導、自然對流、輻射換熱以及強迫風冷、機箱上開通風孔、增加散熱面積等,然而,夏天做野外試驗時,設備經常開機時間不長就停止工作。經檢查、分析,發現是由于屏蔽盒內的幾個芯片因為溫度太高停止工作而造成的。鑒于此,采用了高效熱傳導工藝,通過高效傳熱元件將芯片產生的熱量直接傳遞到散熱面積較大的機箱壁和蓋板上,再通過它們和周圍環境進行熱交換,從而將熱量散出去,進而降低盒體內部的溫度。高效傳熱元件的結構形式參見圖3。如果發熱芯片數量比較多,可增加傳熱元件兩端的接觸面積,將它們的熱量集中傳遞到機箱側壁上,并在相應位置安裝風扇,再利用強迫風冷對其進行散熱。采用高效熱傳導工藝后,很好地解決了設備內部芯片的散熱問題,再沒有出現以前的故障。

需要注意的是,芯片與傳熱元件的蒸發段之間以及冷凝段與機箱壁之間需要均勻涂導熱硅脂,減小熱阻,同時,傳熱元件的安裝方向有嚴格的限制,其蒸發段必須低于冷凝段[1]。另外,設備內部由于傳熱路徑比較復雜,相應增加了高效傳熱元件結構外形的復雜程度,如圖3所示,為保證傳熱元件二維方向6個安裝尺寸的精度,需要設計專門模具進行加工,會相應增加一定成本。

圖3 采用的高效傳熱元件的結構形式Fig.3 Structure shapes of efficient heat transfer element

3.2 達克羅涂覆工藝應用

20世紀80年代末期,美國將此工藝在陸、海、空軍裝備上廣泛使用。我國在20世紀90年代中期引進了該項技術,起初主要是在汽車上使用,現在逐步應用到了軍品的研發中。

因為達克羅涂層是犧牲陽極與陰極保護為一體的防護涂層,所以它的防腐性能與膜的厚度成正比,對于有配合精度要求的零件,如螺釘等,控制在5～8 μ m之間;沒有配合精度要求的零件,一般控制在10 μ m 左右 。資料表明[2,3]:按 GJB150.11-1986《軍用設備環境試驗方法:鹽霧試驗》要求進行試驗,1 000 h后涂層表面完好如新;在野外暴露試驗半年后,涂層表面無任何銹蝕,而鍍鋅及其它電鍍件已嚴重腐蝕,顯示出超強的防腐蝕性能。在300℃加熱12 h后,涂層表面無任何變化,而鍍鋅層則嚴重起泡,顯示出達克羅涂層很好的耐熱腐蝕性。達克羅涂層的主要成分是微米級的片狀鋅、鋁及鉻酸鹽,均為導電物質或電解質,使得涂層具有一定的導電性,確保了電子設備對金屬零件的導電性要求,導電性的高低取決于達克羅涂料的配方。試驗表明,達克羅涂層的導電性比鍍鋅層的導電性要好。

達克羅涂層的外觀為亞光銀灰色,與銀粉漆相似,比較單一。而軍用電子設備由于使用環境的不同,對其外觀顏色往往有不同的要求,如機載設備通常要黑色,艦載設備為?；?、中綠灰色,地面及海防設備為草綠、褐綠色,因此,在達克羅涂層上必須要再涂覆油漆,油漆層的性能指標是否合乎要求,尤其是高溫高濕條件下的性能,影響著該工藝能否作為整個設備的表面防護措施,為此,進行了在達克羅涂層上涂裝草綠色丙烯酸油漆的高溫高濕（RH=95%,60℃～30℃交變、120 h）試驗,并按照相關國家標準對其外觀、硬度、附著力、耐沖擊等指標進行了檢測,檢測結果表明兩種樣件的油漆性能與鋼/鋁基材上直接涂覆油漆完全相同,能滿足各軍兵種電子設備外觀不同顏色的要求。

達克羅涂覆工藝被譽為可持續發展清潔生產技術,是“綠色電鍍”技術,該技術列為1999年國家重點環境保護實用技術推廣項目。該工藝在國內軍用設備上試驗應用多年,工藝成熟,效果明顯,能有效解決艦載以及邊海防電子設備防鹽霧腐蝕難題。

3.3 氟涂料涂覆工藝應用

由于氟碳樹脂的熔點多在180℃～380℃之間,在常溫下呈固態,需經300℃以上的高溫才能形成膜層,加上長期以來無論是國內還是國外,氟碳涂料價格奇高,被譽為貴族化產品,因而在很長時間內使用領域狹窄。直到20世紀80年代,美、日等國家成功研制了常溫固化型氟涂料,使得氟涂料的應用領域進一步擴大,近年來我國也有多家單位相繼成功開發了氟涂料,并實用化[4,5]。近年來,通過氟樹脂與丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺等樹脂進行化學改性的新涂料的不斷出現,不僅使涂層的附著力、易施工性得到提高,而且進一步降低了價格,為其在軍用電子設備中的推廣應用提供了可能,尤其是惡劣環境、海洋環境使用的設備。

為驗證其防腐蝕性能,進行了常溫人工氣候老化試驗（2 400 h）和鹽霧試驗（1 000 h）,試驗完成后,涂層表面無起泡、剝落、裂紋現象,完好如新,達到保護10級水平。由于氟涂料涂層超越的耐腐蝕性,可實現一次涂裝,終身免修的效果。值得注意的是,由于氟樹脂表面張力小,潤濕困難,對金屬材料的結合性能很差,因此涂層對基材的附著力不是很好,為此,應采取以下工藝措施,提高涂層的附著力:

（1）粗化基材表面。將基材表面用物理或化學的方法粗化,產生錨定效應,然后涂氟樹脂。常用的化學方法包括電解腐蝕和化學多孔膜法,常用的物理方法主要是表面機械處理,如滾花、拉絲等;或者采取噴砂（丸）工藝措施;

（2）底漆法。先在基材上涂覆一層底漆,根據需要可以涂兩層或三層,使底漆對基材和氟樹脂均有良好的黏結性能。鐵質材料一般為磷化底漆;鋁質材料為鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆。另外,噴面漆時,氟涂料應用專用稀釋劑調配,控制好噴涂粘度,一般為15～18 s（涂-4粘度計,23℃±2℃）,跟據設備的使用環境要求,確定是噴一道面漆還是兩道面漆,通常一道漆的涂層厚度為23 μ m±3 μ m。氟涂料具體的涂裝工藝及涂層質量檢驗可按照油漆涂覆工藝執行。

氟涂料是符合環保要求和國民經濟可持續發展的新材料,在船用、邊海防及野外固定電子設備應推廣使用這種工藝,做到一勞永逸,大大提高設備的可靠性與環境適應性。

3.4 三元合金電鍍工藝應用

眾所周知,銀鍍層在大氣中易受SO2等有害氣體的腐蝕而發黃、變黑,雖然可以采用涂DJB-823等保護劑進行表面防護,但耐久性差,而且在高溫高濕條件下表面防護層易起泡、剝落。而銅錫鋅三元合金鍍層常溫下能長期保持不變色,只有在高于150℃環境下會出現變色現象[2]。試驗結果表明,溫度為150℃時,15 m in后鍍層由銀白色變為青色,而屏蔽盒、焊接片等的焊接時間一般都是幾分鐘,單個焊點甚至還不到1 min,所以不會出現變色現象。按照GB/T5270-2005的要求對三元合金鍍層的附著力進行了檢測,鍍層未出現剝離現象,符合標準要求。三元合金鍍層的可焊接性對于電子設備中的金屬焊接件來說非常重要,可焊性差,則易出現虛焊、焊接不牢等缺陷,而使設備的抗機械應力能力差、屏蔽盒的接地效果不好導致屏蔽效能差等。按照GB/T16745-97的要求對三元合金鍍層的可焊性進行了測試,試樣95%以上實驗面的焊料覆蓋層附著牢靠、光亮、平滑、均勻,符合標準要求。三元合金鍍層的導電性的好壞會直接影響到屏蔽盒的電參數以及屏蔽效果,從而影響整個電路單元的性能。經檢測,發現三元合金鍍層的導電性與鍍銀層（表面涂保護劑）的導電性相近,屬于同一數量級,約為0.080 mΨ,導電性比較好。

資料表明[6]:單一三元合金鍍層的三防性能不是很理想,必須通過中間鍍層來提高三元合金鍍層三防性能。對于鐵基體材料,先鍍鎳再鍍三元合金;對于銅質基材,先鍍銅再鍍三元合金;對于鋁質基材,先鍍鎳或鍍銅再鍍三元合金,鍍層厚度一般為7 μ m 以上 。

電鍍銅錫鋅三元合金作為一種新的合金電鍍工藝,其鍍層具有漂亮的外觀、良好的導電性、防護性、可焊性等一系列優點,且價格較鍍銀工藝低,現已廣泛應用于各類電連接器、濾波器、波導和微波器件及其它射頻元器件、結構件中。

4 結束語

經過幾年的試驗及在設備上的試用與使用結果證明,這幾種工藝對提高軍用電子設備的熱可靠性和“三防”能力非常有效,解決了大功率電子設備單元盒內發熱芯片的散熱問題,以及設備中零部件、整機的表面防護問題。隨著科學技術的不斷發展,新的“綠色環保”工藝會不斷出現,設計人員應及時吸收并應用到項目研制中,這樣才能大大提高設備的可靠性和環境適應性能力。

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Discussing on Application of New Processes in M ilitary Electronic Equipment

SHENG Jian-you,WANG Ming-yue
（The 63rd Research Institute of the General Staff Headquarters,Nanjing 210007,China）

The efficient heat transfer technology,Dacromet and fluorine paint coating process,Cu-Sn-Zn ternary alloy plating process are mew technology with more extensive applications in civilian equipment in recent years.Their actualitiesand characteristics are described in detail,the heat transfer effect and applications in device are discussed,as well as the anticorrosion effect of Dacromet coat and fluorine coat,questions about painting on Dacromet coat and the paint′s rigidity,impact resistance and adhesion,the concrete measures of improving fluorine coat′s adhesion,the Cu-Sn-Zn ternary alloy plating′s three-protection capability,conductivity,solder ability,adhesion,ect.The experiment,tryout and applications prove these new processes can effectively improve the reliability and environmental protection capacity of military electronic equipment.

military electronic equipment;new process;efficient heat transfer;fluorine paint;Cu-Sn-Zn ternary alloy

TN805

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.022

1001-893X（2011）02-0107-05

2010-11-24;

2010-12-28

生建友（1968-）,男,江蘇泰興人,碩士,高級工程師,主要從事軍用電子設備結構、工藝、可靠性的研究與設計工作,已發表論文40余篇。

SHENG Jian-you was born in Taixing,Jiangsu Province,in 1968.He is now a senior engineerwith the M.S.degree.H is research concerns the design of struture,technology and reliablity of military electronic equipment.He has published more than 40 papers.

Email:shjy668@sohu.com