机载电子设备密封设计

杨龙， 赵刚， 董伟， 刘冰野

（中国航空计算技术研究所，西安710068）

机载电子设备密封设计

杨龙， 赵刚， 董伟， 刘冰野

（中国航空计算技术研究所，西安710068）

机载电子设备要求更小、更轻和价格更低，同时，安装环境也更加恶劣。为满足塑封元器件抗恶劣环境要求，电子设备将设计成一个密封的腔体。而由于凝露现象和呼吸效应的存在，密封腔体需解决积水等问题。文中介绍了密封机箱的设计方法，解决了密封腔体带来的问题。

机载电子设备；塑封器件；密封腔体；防水透气阀

0 引言

随着机载电子设备综合化程度的提高，一些小型的电子设备如远程接口单元得到了广泛的应用。这些电子设备要求体积小、重量轻、价格低，而且可能经受诸如淋雨、流体污染、砂尘等恶劣环境。为满足体积、重量、价格要求，在电子设备中使用了许多塑封元器件。而为满足恶劣环境影响，机箱需采用密封的结构形式。密封结构会因呼吸效应和凝露现象导致机箱内部出现潮气和积水，而潮气对塑封元器件的可靠性有较大的影响。本文就电子设备密封设计、密封设计导致的问题进行了探讨，并提出了解决方法。

1 水汽对塑封元器件的影响

塑封器件的塑封材料以环氧树脂为基本树脂，以酚醛树脂为固化剂，再加以填充材料。该材料为高分子材料，本身存在较高的吸湿性。塑封器件为非气密封装，而封装材料中的氯离子在遇到空气中的水汽时，就可能产生酸性液体，从而导致芯片的键合区发生腐蚀，也会腐蚀到芯片的金属化层，导致器件短路、开路的失效现象［1］。因此，水汽对塑封元器件可靠性有较大影响。为提高塑封元器件的可靠性，应避免液态的水进入机箱，尽量减少机箱内部的水蒸气。同时，为满足防淋雨及流体污染等环境适用性的要求，机箱应设计为密封结构。

2 密封结构设计

在密封结构设计时，可选择的形式有很多种［2］。机箱采用金属材料时，板材自身的密封性能良好。而机箱零件之间的配合表面密封方法有焊接、密封圈/板等。焊接密封效果好，但不便于维修。合适的O型密封圈可以有很高的接合面压力，可满足防水和气密要求。平板橡胶能满足防水和空气气密要求，但不能满足水蒸气气密的要求。模块和元器件可采用树脂、陶瓷等材料将被保护的物理周围空隙填充，方法可靠，但可维修性很差。同时密封电子机箱不应有穿过外部结构壁板进入机箱内部的螺栓或其他紧固件。如果要求螺栓穿过外壁，则建议采用压铆的结构形式，或在机箱内壁板采用合适的垫片密封。

为满足体积小重量轻的要求，电子设备结构设计时，需要将壳体设计到很薄甚至到加工极限，目前在工程中一些不受力的异形盖板厚度可加工至0.7 mm。

3 密封结构导致的问题及解决方案

当机箱成为一个密封腔体后，由于凝露现象和呼吸效应的存在，可能导致机箱内部形成积水。

3.1 凝露现象

凝露作用是吸附作用的一种。当高温、高湿的气体遇到低温物体时，空气中的水蒸气低于露点温度，即可在物理的表面产生凝结现象，这种现象称为凝露作用［3］。机载电子设备使用环境恶劣，可能遇到暴雨天气下在其外表面形成凝露，而在升空过程中由于温度的急速降低，在产品的内部形成凝露。考虑到塑封电子设备可靠性要求，内部的凝露应能够通过某种形式排出，而外部的凝露也尽量不要侵入产品内。同时，根据空气湿度与温度的关系曲线，空气相对湿度越大，凝露现象就越容易出现。当电子设备处于我国南方或海洋等环境下，凝露现象则更容易出现。

3.2 呼吸效应

密封腔体内的气体会产生一定的压强，压强的变化因温度变化而变化。理想气体状态方程如下:

式中：P为气体压强；V为气体体积；n为气体的量；R为普适气体常量；T为气体的热力学温度。

当密封腔体内气体温度发生变化时，压强的变化量可表示为：

从式（2）中可以看出，腔体体积越大，温差越大，产生的压差越大。机载电子设备在一次加电、下电工作周期，从地面上升到高空时或从高空下降至地面等多个任务剖面下，都会导致设备内外出现压差，从而导致用于密封的密封圈和密封垫承受很大的压力，导致其加速老化，甚至失效。一旦密封圈出现了细小的缝隙，就会导致气体在缝隙处的流动。密封腔体的呼吸效应除了呼吸大气外，还可以吸进缝隙或小孔附近的液体，特别是当湿度较大的情况下，如果遇到气温急剧下降，在密封腔体内外就会形成较大的压差，而空气中的水汽由于凝露现象会形成液态的水，在水覆盖缝隙或小孔的情况下，就会被吸入腔体内部。作为一个密闭的腔体，内部的水汽排出将非常困难。同时，对于壁厚只有0.7 mm的盖板，压力会导致其产生不可逆的变形。

3.3 解决方法

为防止在密封的电子设备内部形成积水及将内部的积水排出，一些可参考的方案有：吸湿剂法、充填正压气体法、预设排水结构法、双层密封结构法、“人工肺”法［4］等。这些方法对于小型的电子设备造成重量增加、维修性变差等问题。而在一些户外使用的照明灯具、汽车灯具或其它类似产品中也存在相同问题，其解决方法是在腔体上安装防水透气阀来解决。典型的防水透气阀结构如图1所示。

图1 防水透气阀结构示意图

防水透气阀主要功能组成是防水透气膜。其主要成分是聚四氟乙烯，具有优良的稳定性和耐腐蚀性。其经过膨化处理后，形成三维网状结构的薄膜。其防水的工作原理是非常小的水蒸气分子一旦其凝结成水珠之后，由于水珠表面张力的作用，即可导致其不能穿过防水透气膜。同时，聚四氟乙烯本身具有防水、防尘等特点，从而保证了其在户外条件下长期稳定的工作。另外，防水透气阀容许气体的出入，能够起到平衡密封腔体内外压力的作用［5］。

在安装防水透气阀后，空气和水蒸气可自由出入。当温度降低时，腔体内水蒸气的相对湿度增加，将促使其向腔体外移动，从而防止凝露现象的发生。同时，腔体内部和外部的气压基本平衡，可解决内外压力变化可能导致的结构件变形、密封圈老化、失效等问题。由于电子设备在工作状态下是一个发热体，内部一旦形成积水，可通过发热促使其形成水蒸气，并通过防水透气阀排出腔体。

由于目前防水透气阀大多应用在工业环境下，为满足机载电子设备的需求，还需对其做一定的改进，例如选用合适的密封圈材料以满足低温（-55℃）的要求，壳体基材采用不锈钢材料，以满足三防要求等。

4 结论

电子设备应用环境越来越苛刻，给工程化带来了全新的挑战。为解决这些问题，需设计人员从各个方面进行分析和权衡，以期取得较好的综合效果。电子设备的密封可更好的为内部功能模块提供保护，但同时也带来了一系列问题。选用一些在工业产品中成熟的技术可很好地解决此类问题，并为同类产品的应用带来了启示。

［1］ 张臻鉴，刘文媛.塑封半导体器件的可靠性保证措施［J］.现代电子技术，2010，327（16）：164-165.

［2］ Steinberg D S.电子设备热循环和振动故障预防［M］.常勇，丁其伯，译.北京：航空工业出版社，2012.

［3］ 韦生文.雷达电子设备的呼吸凝露作用及其预防［J］.雷达科学与技术，2010，8（6）：571-576.

［4］ 龚光福.呼吸效应研究［J］.雷达科学与技术，2009，7（3）：236-239.

［5］ 樊友军，陈刚，仙锦.防水透气阀在雷达密封腔体中的应用［J］.电子机械工程，2012，28（2）：12-14.

（编辑黄 荻）

Sealed Design of Avionic Device

YANG Long，ZHAO Gang，DONG Wei，LIU Bingye
（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China）

Avionic device was required to be smaller,lighter and cheaper to adapt atrocious environment.The cabinet of avionic device should be sealed to meet this requirement.The sealed cabinet should solve seeper for respiration effect and congealing dew.Design method of sealed cabinet is introduced for solving the question of sealed cabinet.

avionic device;respiration effect;congealing dew;waterproof ventilated valve

V 243

B

1002－2333（2014）05－0214－02

杨龙（1981—），男，高级工程师，研究方向为电子设备结构设计。

2014-03-04