高过载电子设备的灌封工艺研究

夏奥利

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033）

某电子设备要求能抗高过载冲击，而又有较长的使用寿命。电子元器件本身及电子组件都难以承受高过载冲击，因此工艺上采用了硬质聚氨酯发泡材料对电子组件进行了整体的灌封，灌封产品经过多次实验室过载试验和外场试验，证明采取的灌封技术合理有效。

1 灌封原料的选择

电子设备的灌封，所选灌封材料除了要求机械强度好外，还必须对设备电性能指标影响小。综合两者因素，我们选择了硬质聚氨酯发泡材料作为灌封材料：其电性能优异，比强度大，机械强度高，可以根据需要改变原料配方，调整原料规格而制成不同密度、硬度及不同电学性能的硬泡制品[1]。

硬质聚氨酯发泡材料为A、B双组分材料，混合后，反应迅速，一般0.5～3min内发泡完毕，经熟化后形成硬质聚氨酯泡沫塑料。

1.1 原料乳白时间调整

试验采用手工发泡的方法：将A、B料按配比混合均匀，在反应前即乳白时间前注入模具，经化学反应并发泡后，得到硬质聚氨酯泡沫塑料。所以在选择原材料时必须考虑原料的乳白时间。乳白时间太短的，手工来不及灌注。经过试验筛选出了乳白时间为50～60 s的原料来满足手工生产的需要。

1.2 原料自由发泡倍率调整

设计要求控制灌封的使用量，在用量一定的情况下，发泡倍率太小，聚氨酯发泡材料会填不满灌封空间；发泡倍率太大，在密封空间内发泡过程中，产生的压力太大，可能会对电子元器件产生挤压，造成电路的损坏。

经过多次试验，最终确定了合适数值的发泡倍率来满足使用要求：增重一定的情况下，既能填满灌封空间，灌封后密度、硬度适当，也不会影响电路的正常工作。

2 模具设计

设备由若干电子组件和电池组件组成，均安装在设备的壳体内（如图1所示）。其中电池组件需单独灌封后再装入。电池组件的灌封须进行模具的设计。

图1 设备灌封简图

硬质聚氨酯发泡材料发泡过程中温度高达130℃、会产生一定的压力，因此模具应有足够的强度，笔者所采用的模具为金属哈呋模（如图2），在反应热的情况下，不会变形，不影响零件尺寸，又便于拆摸。出气孔的设置和大小需合理设计，保证既能顺利排气，又不至于漏料太多[2]。试验证明，准1.5mm的排气孔刚好满足要求。

图2 灌封模具

3 操作工艺

聚氨酯发泡材料混合后，反应迅速，为控制灌封重量，保证产品品质，必须对操作过程进行严格的控制。灌封工艺流程见图3。

图3 灌封工艺流程简图

3.1 堵漏

反应过程中，聚氨酯发泡材料无孔不入，因此灌封前必须对可能产生渗漏的缝隙（如电池组件的穿线孔等）进行堵漏处理，以控制灌封的净质量和泡沫塑料的密度。采用的方法是用硅橡胶进行堵漏，固化后再灌封。

因为电池组件是单独灌封的，灌封后必须保证能装入壳体内，因此还必须对灌封后的尺寸进行控制。同时也要保证灌封过程中不会有灌封料渗漏。所以在装模时，模具夹持电池组件部位必须严实牢固，不能有大的缝隙存在。装模完成后还须用卡尺测量模具开口垂直方向的内径，必须严格控制在公差范围之内。

进料口也是发泡材料容易渗漏的部位，电子组件灌封采用的方法是用金属销钉与壳体过盈配合堵塞；电池组则主要从模具的设计上解决的。如图2所示，进料孔设计成螺纹孔，制作相应的带柄塞气螺钉（见图4），方便旋入堵塞。

图4 塞气螺钉

3.2 温度控制

发泡过程中，原料温度与环境温度的高低与恒定与否，直接影响泡沫塑料的制品的品质，温度过高或过低，都不易得到高品质的制品。环境温度以20～30℃为宜；原料温度可控制在20～30℃或稍高一些。

3.3 操作过程控制

因为聚氨酯发泡材料混合后反应迅速，所以必须在材料乳白时间前，将其完全注入灌封空间内，并在发泡前及时堵住进料口，防止灌封料渗漏而影响产品质量。因此必须对操作过程进行严格的控制。

（1）物料的混合。反应物必须混合均匀，否则会在局部范围内出现化学配比失调，而大大影响产品品质。由于原料乳白时间短，反应迅速，为保证混合效率，搅拌器应有足够的功率与转速。解决的方法是将搅拌器装在手电钻上进行搅拌，搅拌速度2000 r/min，搅拌时间5～10 s。

（2）增加灌封压力。电子组件的灌封空间大，仅靠注射器的压力足够将硬泡材料在乳白时间前能全部注进内腔，而电池组件由12节2#电池分两层呈圆周排列，相邻电池间距很窄，仅为0.5mm，欲使发泡材料在乳白时间前能全部注进内腔，手工操作单靠注射器的压力还不够,必须想办法增加灌封压力。

试验初期采用的方法是：在橡胶板上打孔，让一次性注射器的针孔刚好从中穿过，再盖住进料口灌封。经过多次试验，我们发现：只要设计的模具进料口直径与灌封用注射器配合得好，灌封时，注射器能盖住整个进料口，就能达到增加灌封压力的效果。经过多次试验,我们将模具进料口设计为5mm，刚好能达到要求。

（3）合理安排操作过程。试验证明合理安排操作过程也能为灌封争取时间，保证产品品质。试验初期只有3人操作，配料的人要混合搅拌，灌封的人要堵孔，经常手忙脚乱，容易出错而浪费时间；现改为5人操作：配料1人，混合搅拌1人，灌封2人，堵孔1人，每人分工明确，操作更熟练有序。

（4）熟化时间和温度。泡沫塑料固化后，还不能马上拆模，必须在一定温度下放置一段时间，进行熟化，目的是让化学反应进行完全。熟化不充分，泡沫塑料强度会达不到要求，产生变形。一般熟化温度越高，所需时间越短。

4 硬质聚氨酯泡沫塑料的使用寿命

使用寿命是这样确定的：使用过程中，性能逐渐发生变化，一旦主要性能指标中任何一项开始明显劣化，或其值降到预先确定的最低极限时，此时刻即为使用终点。为预测硬质聚氨酯泡沫塑料的寿命，Potts.C.G等进行了研究，发现泡沫塑料使用寿命的对数和温度的倒数大致上呈直线关系，如图5所示。

图5 硬质聚氨酯泡沫塑料的使用寿命预测

图中实线表示实测值，虚线部分为外推值。利用实验结果并外推之，即可预测使用寿命。如图2中硬泡曲线，在130℃下，可使用30年左右[3]。

5 结束语

为验证灌封的有效性，制作了关键件灌封试件，进行了实验室过载冲击试验：所有试件均通过规定的过载试验，大部分超过规定的过载指标。随后的数次外场试验也获得了成功。

试验结论：用硬质聚氨酯发泡材料对电子设备的灌封，工艺过程控制有效，达到了电子设备抗高过载的要求。

[1]电子科学研究院.电子设备三防技术手册[M].北京：兵器工业出版社，2000.

[2]沈 耿.高过载电子设备的加固技术[A].2006年机械加工技术学术年会论文集[C]，昆明：中国电子学会机械加工技术部，2006.

[3]朱吕民，刘益军.聚氨酯泡沫塑料[M].北京：化学工业出版社，2005.