電量傳感器灌封工藝及常見問題解決方案

蔣 偉

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電量傳感器灌封工藝及常見問題解決方案

蔣 偉

（綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽 621000）

本文介紹了電量傳感器常用灌封材料的特點，詳盡分析了灌封工藝各關鍵工序，并結合實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題進行分析，提出具體的解決方案。此灌封工藝經(jīng)過多批次生產(chǎn)驗證，完全能滿足產(chǎn)品設計要求。

電量傳感器；灌封；環(huán)氧樹脂；硅橡膠

隨著國家科學技術的發(fā)展，電量傳感器已廣泛應用于軍工、電網(wǎng)[1]、鐵路、新能源汽車等各個領域，其使用條件越來越多樣化，使用環(huán)境越來越嚴酷，因而對電量傳感器提出了越來越高的可靠性需求。根據(jù)產(chǎn)品的不同性能，選用不同的材料對電器元部件進行灌封，使其滲透至電氣線路系統(tǒng)元件和部件的所有縫隙，并使產(chǎn)品具有機械支持、包覆保護、防水、防潮、防腐蝕、抗振以及提高產(chǎn)品絕緣強度等特性。本文介紹了灌封流程中的關鍵工藝點和遇到的問題，找出了解決灌封問題的方法，提高了灌封品質。

1 常用灌封材料

灌封材料是灌封工藝的基礎，選擇適合的灌封材料是工藝成敗的關鍵所在，應根據(jù)產(chǎn)品不同的性能和使用環(huán)境，選擇不同性能的材料。目前灌封材料類型繁多，但應用最為普遍的是環(huán)氧樹脂、有機硅橡膠和聚氨酯。根據(jù)我司現(xiàn)有產(chǎn)品特點，主要使用環(huán)氧樹脂和硅橡膠兩類灌封材料。

1.1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂灌封膠是指以環(huán)氧樹脂為主要成分，按比例添加一定量的增韌劑、固化劑、填料等功能性助劑，再根據(jù)需求添加一定比例的顏料，制作而成的環(huán)氧樹脂液體封裝材料。

環(huán)氧樹脂具有較好的粘結性、良好的絕緣性能、較強的耐腐蝕性、優(yōu)良的機械強度、價格較低等特點，因此近年來發(fā)展迅速。目前國外半導體器件絕大部分是用環(huán)氧樹脂灌封材料封裝，其材料不但種類多，而且專用性強，性能優(yōu)異[2-3]。目前國內(nèi)電子行業(yè)用環(huán)氧灌封材料某些方面的性能與國外先進國家相比較還存在不足，如存在固化過程中有一定的內(nèi)應力以及容易開裂等問題。

1.2 硅橡膠

硅橡膠是指主鏈由硅原子和氧原子交替連接、硅原子上帶有機基團的半無機半有機高分子彈性 體[4]。

硅橡膠具有線性收縮率低、優(yōu)異的耐高低溫性能、良好的耐候性，以及較好的電絕緣性[5]。另外，硅橡膠灌封工藝簡單，常溫下即可短時間固化，且具有較好的可維修性。基于上述優(yōu)良的性能，最近幾年有機硅橡膠已被廣泛作為電子元器件封裝 材料。

但硅橡膠同樣存在一定的自身缺陷，如：機械性能較差，耐磨性能較低，粘結力不足等。

2 灌封電量傳感器工藝

2.1 灌封工藝流程

灌封電量傳感器常規(guī)工藝流程如圖1所示。

圖1 電量傳感器灌封常規(guī)工藝流程

2.2 關鍵工藝點

1）涂覆三防漆。對產(chǎn)品中須灌封的元器件部位均應涂覆三防保護劑。三防漆厚度以15～20mm為宜，涂覆層應均勻、光亮，無針孔、堆積、流痕等缺陷。

2）去濕。任何物質表面在自然環(huán)境下都會吸附水分，水分的存在不僅會降低灌封膠的粘接強度，還會使灌封材料的絕緣度急劇減少。因此需對灌封元部件進行烘干去濕處理。烘干后待溫度降到室溫應及時進行灌封，一般在2h內(nèi)完成灌封作業(yè)，否則會再次吸潮。綜合元部件壽命與水分子殘留情況，經(jīng)過多次試驗，電量傳感器去濕溫度控制在50± 5℃，去濕時間為2h。

3）混合攪拌。根據(jù)產(chǎn)品特性，依據(jù)相關工藝和技術文件要求配比混合灌封膠。對配比好的灌封膠應立即進行攪拌，攪拌通常分為手工攪拌和機械攪拌。手工攪拌極易造成混合不均勻，且會混入空氣，很難保證批量生產(chǎn)時灌封質量的穩(wěn)定性；機械攪拌能最大程度的保證混合均勻性。考慮到電量傳感器的高可靠性要求，一般使用攪拌器進行攪拌。

4）真空脫泡。氣泡的存在不但影響產(chǎn)品外觀品質，而且更主要的是對產(chǎn)品的電性能和機械性能產(chǎn)生嚴重的質量隱患。在硅橡膠中一般只考慮其對電性能的影響。對于環(huán)氧灌封材料來說，氣泡影響電氣性能，更重要的是它使膠體中的應力不能連續(xù)、均勻地傳遞，造成應力在氣泡處的集中，使得電器元件損壞、膠體開裂等，導致灌封失敗[6]。

5）灌封。目前灌封方法有靜態(tài)灌封、加壓灌封、真空灌封、真空壓力灌封法等[7]。根據(jù)產(chǎn)品特性與生產(chǎn)效率，我司選用加壓灌封工藝進行灌封。加壓灌封工藝是將脫泡好的灌封膠抽入熟料針筒內(nèi)，然后依靠一定的壓力將灌封料注入已去濕的產(chǎn)品灌封內(nèi)腔里。為保證灌封質量，灌封時應將產(chǎn)品放置于合適位置，使灌封面呈水平狀態(tài)，且灌封料應從一點緩慢注入被灌部位。

3 電量傳感器灌封常見問題及解決方案

3.1 電量傳感器灌封常見問題

我司早期使用硅橡膠和環(huán)氧樹脂灌封的部分產(chǎn)品在高低溫試驗時均出現(xiàn)過質量異常問題，嚴重影響產(chǎn)品質量。主要表現(xiàn)為：硅橡膠產(chǎn)品膠體與殼體分離問題和環(huán)氧樹脂產(chǎn)品出現(xiàn)膠體開裂和電器元件損壞現(xiàn)象，如圖2所示。經(jīng)過分析，主要有以下原因：①硅橡膠膠體結合力較差，殼體與膠體膨脹系數(shù)不一致；②固化溫度過高和制件固化后冷卻速度過快等；③灌封工藝設計不合理。

圖2 灌封質量異常示意圖

大多數(shù)情況下開裂和電器元件損壞主要是由內(nèi)應力所引起的。內(nèi)應力包括收縮應力和熱應力。其中收縮應力是環(huán)氧樹脂在固化過程中產(chǎn)生了收縮而對器件產(chǎn)生的應力；而熱應力是由于灌封產(chǎn)品中樹脂和灌封件的膨脹系數(shù)有較大差異，當溫度較大變化時而產(chǎn)生的應力。灌封材料在內(nèi)應力的作用下，使不同程度的缺陷和輕微裂紋擴大，從而造成膠體開裂并損壞電器元件。所以，內(nèi)應力的存在是導致開裂和元件損壞的根本原因。

3.2 解決方法

1）灌封工藝方案改進

改用硅橡膠和環(huán)氧樹脂復合工藝，首先在元器件表面包覆一層1mm厚的硅橡膠，然后再灌封環(huán)氧樹脂，利用硅橡膠良好的絕緣性、耐高低溫性以及線性收縮率低等特點，在元器件與環(huán)氧樹脂之間形成一層保護膜，以隔絕環(huán)氧樹脂內(nèi)應力對元器件的直接作用；再利用環(huán)氧樹脂優(yōu)異的粘結性、耐腐蝕性和較好的機械強度對產(chǎn)品進行封口處理，即可有效降低內(nèi)應力對元器件的影響，同時增加了產(chǎn)品的整體環(huán)境適應能力。

2）固化溫度改進

改用分段固化，能降低放熱峰值。同樣的灌封材料，采用分段固化雖然不能改變總放熱量，但是會改變放熱的最高溫度。通過分段固化，可將一個高放熱峰分成多個小放熱峰的形式釋放，這有利于反應熱的均勻釋放和降低放熱峰值。我司通過采用分段固化不僅使產(chǎn)品增強了抗開裂能力，還有效解決了灌封氣泡問題。

4 結論

影響電量傳感器灌封質量的因素較多，工程師只有根據(jù)每款產(chǎn)品特性合理地制定灌封工藝方案，且嚴格執(zhí)行，才能得到滿意的產(chǎn)品。

經(jīng)過多批次生產(chǎn)實踐，我司傳感器產(chǎn)品在高低溫試驗后未再出現(xiàn)膠體開裂和器件損傷現(xiàn)象，證明上述工藝方案的改進和工藝過程的控制能進一步提高產(chǎn)品的灌封質量，保證了其防護性能、絕緣性能完全滿足設計要求。

[1] 蔣遠東, 劉顯強, 梁慶龍, 等. 電流傳感器在線檢測高壓開關柜局放的研究[J]. 電氣技術, 2013, 14(12): 69-72.

[2] 羅剛. 電子器件灌封材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 實驗科學與技術, 2010, 8(3): 20-22, 33.

[3] 龔瑾, 李喆, 劉新月. 氧化鋁/環(huán)氧樹脂復合材料空間電荷特性與高溫高濕環(huán)境下交流電場老化[J]. 電工技術學報, 2016, 31(18): 191-198.

[4] 章堅, 葉全明. 雙組分加成型硅橡膠電子灌封料的制備[J]. 有機硅材料, 2009, 23(1): 31-35.

[5] 梁英, 陳逸昕, 劉云鵬. 運行復合絕緣子材料的體積電阻率-溫度特性研究[J]. 電工技術學報, 2014, 29(10): 312-317.

[6] 高華, 趙海霞. 灌封技術在電子產(chǎn)品中的應用[J]. 電子工藝技術, 2003, 24(6): 257-259.

[7] 楊書勤. 電子組部件的灌封[J]. 航空精密制造技術, 1993, 29(6): 19-23.

Sealing technology of electricity sensor and solution of common problems

Jiang Wei

(Mianyang Weibo Electronics Co., Ltd, Mianyang, Sichuan 621000)

The characteristics of the commonly used filling material for the energy sensor are introduced, and the key processes of the sealing process are analyzed in detail. Based on the analysis of the problems in actual production, a concrete solution is put forward. The filling process is verified by many batch production, can fully meet the requirements of product design.

electricity sensor; encapsulation; epoxy resin; silicone rubber

2018-01-07

蔣 偉（1982-），男，四川省綿陽市人，本科，助理工程師，主要從事電子產(chǎn)品的工藝工程應用研究工作。