微电路模块灌封工艺研究

关亚男，王广奇

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

随着科技的发展，电子装备在现代高科技武器装备中所起到的作用越来越重要。武器装备在对电子设备提出小型化要求的同时，对其信息容量的需求也迅速增长。小型化、高集成度的微型元器件、组件、微电路模块已构成电子装备的基本单元。电气产品在航空航海等领域中的使用，因其环境特殊性，对器件也提出了更高的使用要求，例如更宽的耐高低温范围，以及耐压、耐潮湿、抗腐蚀性等[1-5]。

灌封是将液态的灌封胶用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内，并在常温或加热条件下固化成为性能优异的热固性高分子绝缘材料。其作用是整体增强电子器件的强度，提高对外来冲击、震动的抵抗力，提升内部元件线路绝缘效果，避免元件线路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。灌封质量主要与产品设计、元件选择、组装及所用灌封材料密切相关，灌封工艺也是不容忽视的因素[6-9]。此处以某型号微电路模块为研究对象，开展对灌封工艺的研究。

2 问题分析及方案设计

2.1 电路模块存在的可靠性问题

所分析的该款微电路模块采用金属外壳结构、PCB 双面表面贴装、平行缝焊封盖的组装工艺。产品的电路结构见图1。

图1 产品结构示意图

该模块电路在无保护状态下，贴装了元器件的PCB 板与管壳底部需要一定的距离，以保证元器件和管壳底部完全绝缘，避免元器件与管壳底部接触造成短路。但这样的安装状态会造成器件的稳定性能较差，在突发的剧烈振动下可能导致元器件与管壳底部接触，造成瞬间的短路失效，或是因为焊盘不稳定造成元器件脱焊。而且在PCB 板安装时，可能会出现操作不当，导致元器件接触管壳底部，进而造成短路，由于管壳腔体小，PCB 板拆卸困难，此时返工容易对管壳和PCB 板造成损伤，影响产品组装成品率，不利于产品质量和可靠性。因此有必要在管壳和PCB 板之间进行有效的绝缘性隔离，避免上述问题。经分析研究，决定使用有机硅胶进行灌封隔离处理。

2.2 灌封胶的选择

灌封胶具有绝缘、散热、耐温、防震的作用，可以有效提升电路的稳定性，使产品质量更加稳定，杜绝电路的安全隐患。市面上灌封胶的种类有很多，在使用中对灌封胶的基本要求是要有良好的绝缘效果，固化后要有一定的弹性。此外还要有散热、耐高温的特点，同时固化温度不能太高（至少要低于焊接温度），固化时间也不宜过长。

综合考虑上述要求，通过试验比较，选择了某型号的双组份导热型有机硅灌封胶。刻型灌封胶具有高绝缘性、高散热性和阻燃性，液体状态时具有很强的流动性，适合手工小批量操作。该灌封胶在高温固化后粘合力提高，具有良好的耐热冲击性，在密闭空间内加热不会发生解聚，因此很适合本款电路使用。

2.3 灌封方案设计

以更方便、更易实现灌封操作为原则，设计了以下三种灌封方案：

方案一：焊接→灌封→固化

先将PCB 板焊接到管壳内，随后进行灌封。PCB 板焊接到管壳上之后，若与管壳内壁之间的间隙过小，如图1 所示，PCB 板的存在会影响灌封胶的流淌，导致PCB 板上面的灌封胶很难通过管壳和PCB 板周围这样狭小的间隙流淌充满底层空间，从而出现空洞；也可能在安装PCB 板时直接将PCB板接触到管壳底部，导致元器件短路。该方案操作难度大，弊端也很明显，未能避免安装PCB 板时操作不当带来的风险，无法完全实现灌封的目的。

方案二：灌封底层→焊接→灌封顶层→固化

先将管壳底部灌入一定量的灌封胶，随后进行PCB 板安装焊接，再进行顶部灌胶，最后固化。由于未固化的灌封胶处于液体状态，安装PCB 板时很难控制安装状态。如果控制不好施加在PCB 板上的力度和安装位置，会导致灌封胶浸入引线的焊接孔，使得PCB 板无法进行焊接，产品无法继续组装，依靠返工来清理引线焊接孔也非常麻烦，成功率很低。该方案灌封操作难度不大，但会影响接下来的焊接操作，弊端明显，无法保障产品的成品率。

方案三：灌封底层→固化→焊接→灌封顶层→固化

先将管壳底层灌入一定量的灌封胶，待其固化后，再安装PCB 板，焊接后再进行顶层灌封，最后再进行一次固化。该方案操作难度不大，也不会影响焊接操作，而且在给PCB 板贴装元器件的同时，就可以给管壳底层灌胶，并进行固化；固化需要的时间也不长，一般不会影响到生产效率。

对比上述三种方案，方案一和方案二操作上不方便，增加了很多隐患；方案三操作比较简单，还能起到PCB 双面器件的加固作用，在绝缘、散热的同时，可以防震、提高器件的稳定性，又保证了管壳内的灌封胶充分填充于管壳，确保电路的正常工作。因此选用方案三作为灌封操作的最终方案。

3 灌封工艺研究

3.1 灌封工艺核心步骤

(1) 配比制备

先将选用的灌封胶各组份彻底搅拌均匀，然后用大针管按配比比例分别抽取，注入量杯中，再用玻璃棒单方向均匀、充分搅拌。注入到量杯中的灌封胶不应大于量杯容积的2/3。由于手工搅拌会混入空气，因此要将配制好的胶液进行抽真空脱泡操作。为确保灌封胶中无气泡残留，须多次反复进行抽→放→抽的操作。

(2) 灌胶填充

用小针管从量杯中抽取适量灌封胶，并将其匀速缓慢推入管壳内。这样操作的目的一方面是控制灌封胶的量，另一方面是为了避免在灌胶过程中再次混入空气。

(3) 固化

将灌封件放入烘箱中，按照设定的温度和时间进行固化；也可以在室温条件下自然固化，不过这样固化时间较长，且粘合力也没有高温固化的效果好。如果条件允许，应尽量在烘箱中完成固化，以最大限度提高粘合力。

3.2 灌封胶量的确定

首先进行底层灌封胶量的确定。根据管壳腔体的高度、焊接后的PCB 板正反面器件中最高器件的高度差，可计算出管壳腔体内剩余高度。为确保灌封胶完全灌封以及封盖等需求，还应考虑针管的精度、操作可行性，最终确定灌封胶量底层的灌胶量。

随后进行上层灌封胶量的确定。在上一步底层灌封胶量确定之后，由于组装过程中会出现误差，为确保灌胶后不影响封盖，需要预留出盖板的高度；通过反复的操作观察，在保证封盖要求的同时灌满元器件。

最终，确定总胶量：为了不影响封盖，需要在管壳顶部预留出盖板厚度的距离。为了便于观察，可用记号笔在该位置做上标记。取一只组装后的管壳，按要求做好标记后，将管壳固定，然后抽取一定量的水，注入到该管壳中，注意观察水在管壳中的位置变化，当达到标记位置时停止注水，放上盖板，然后取下盖板，观察盖板是否有水印，如果有，证明水量偏多。通过反复尝试，最终可确定总灌封胶量。

3.3 工艺过程控制

首先要选用适合的灌胶工具。由于该款模块电路管壳腔体较小，第一次灌封需要的灌胶量较少（大约0.1 ml），常见20 ml 针管的刻度精度为1 ml，无法满足胶量的精准控制。为了满足灌封需求，在此选取了2 ml 带刻度玻璃针管，精度为0.1 ml。在抽取灌封胶时发现，针管的气密性不好，无法准确控制灌封胶抽取量，难改满足对灌封胶量控制的要求，于是又改用一种1 ml 带刻度塑料针管，精度为0.05 ml。使用时，针管气密性好，很容易控制注胶量，最终实现了对灌封胶量的精准控制。

其次要考虑对辅助工具的选取，包括：大针管（带刻度）、小针管（带刻度）、量杯、玻璃棒、传送盒，防静电手环。

此外还要注意环境要求，灌封操作工艺应在一定级别的洁净室内进行，室内要保持一定的温湿度，并且要有合乎标准的防静电措施。

4 验证结果及结论

在验证实验中，共选取8只样品，采用上述方案三的操作方法进行灌封操作，并在烘箱内按要求固化，固化后进行平行缝焊封盖。对样品进行筛选试验和鉴定试验，以验证灌封方案的可靠性。筛选试验结果如表1 所示。筛选结论：8只样品全部合格。

表1 筛选试验

再将做过筛选试验的样品进行鉴定检验试验，试验条件与结果如表2 所示。鉴定结论：按照鉴定检验流程进行分组试验，各分组试验全部合格。

表2 鉴定检验

5 结 束 语

试验结果表明，灌封后的电路相对于未灌封的电路，电路在功能、性能及电参数上没有明显的差异，可见灌封处理并没有影响产品的功能、质量及可靠性，而且还提高了产品的组装成品率，极大程度减少了产品的质量隐患。对于该型电路模块，灌封胶的选择和灌封方案的设计是合理的、可行的，其设计思路与实现方案对于其他型号的电路产品，也具有一定的参考与推广价值。