灌封胶固化工艺对传感器元器件焊点热应力影响的研究

柯飙 吕阳 刘丹 张燕亮 郑华雄 金波

宁波中车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021

0 引言

轨道交通传感器为列车监控系统提供实时温度、压力、速度、加速度等信息，保障列车运行安全，是轨道交通智能化、网络化的重要组成部分[1-2]。中国轨道交通线路长、分布广、运行环境复杂，对随车传感器提出了宽温域、长寿命、高可靠的性能要求[3]。因此，为提高传感器防水、防潮、防腐蚀、抗振及绝缘强度等性能，常选用不同的材料对传感器电气元部件进行灌封，灌封材料包覆保护电气元部件，并起到机械支持作用[4]。

传感器作为典型微机电设备，除机械结构失效外，其内部电气元部件失效也是引起传感器故障的主要因素。电气元部件失效模式主要分为元部件本身因物理或化学过程导致的元部件失效模式和元部件焊点疲劳类失效模式。对于元部件本身的失效，可通过选型设计有效规避，因此，元部件焊点疲劳失效是电气元部件失效的关注热点[5]。

本文对灌封型速度传感器焊点失效现象开展分析，从灌封材料固化工艺出发，研究不同固化工艺带来的灌封胶性能差异，定性指出不同工艺下灌封胶体热膨胀系数的差异，同时基于现车实际运营情况，确定传感器温度载荷工况，最后通过仿真及试验对比，验证灌封胶固化工艺对焊点热应力及疲劳强度的影响情况。

1 产品焊点疲劳失效分析

灌封型速度传感器核心组成包括内芯组件、壳体及灌封材料。如图1 所示，敏感元件及电子元器件贴焊在PCB 上，形成内芯组件并放入传感器壳体中，随后进行整体灌封，实现绝缘及防护功能。

实际应用中，灌封型速度传感器偶发故障，经产品解剖发现，传感器敏感元件与PCB 焊点存在开裂失效现象。对焊点进行切片分析，焊点裂纹处存在明显的晶粒生长粗化，属于焊点典型疲劳损伤现象，如图2 所示。

焊点疲劳失效的主要因素为焊点与周围材料的热膨胀系数不匹配[6]。图3 给出了温度环境中焊点应力的产生机理示意。对于灌封型传感器，其内部电子元器件焊点主要与PCB 及灌封材料接触。在温度环境中，因材料热膨胀系数差异，焊点、PCB 及灌封胶之间会产生相对位移，并将在焊点处产品应力和应变，随温度的高低温交替，相对位移不断变化，从而使得焊点承受应力循环载荷，当载荷过大或循环次数过高时，将导致焊点裂纹的萌生和扩展，从而导致焊点疲劳失效。因此，材料间热膨胀系数的适配性对于电子设备焊点疲劳强度有重要意义。

2 灌封胶固化工艺研究

本文中传感器灌封胶为双组分聚氨酯液体树脂，该材料不含溶剂和卤素，固化成型后的胶体具备极佳的耐热性能和防火阻燃性能，广泛应用于机械件和众多电气元件中，表1 给出了材料成分及部分物理性能。

表1 灌封材料成分组成及物理性能

灌封胶从固化工艺条件上可分为常温固化（25 ℃）和高温固化（80 ℃）。

宏观层面上，常温固化工艺和高温固化工艺过程中胶体硬度变化不同，如图4 所示。一般以40 A（标准硬度57 A 的70%）作为工序判断标准，常温固化工艺下，胶体在48 h 后达到40 A 硬度；高温固化工艺下，胶体仅需10 h 即达到40 A 硬度，并在16 h 时达到常温固化72 h 的效果。

微观层面上，灌封胶固化过程是一个高分子聚合化学反应[7]。内部分子结构相互交联，形成聚合物网络结构，可通过交联度来衡量聚合反应的充分程度。交联度可通过胶体在丙酮溶剂中的溶胀试验进行定性测定，溶胀率越小，交联度越高，聚合反应越充分，即胶体内部残存的未参与反应的自由基团越少，聚合物网络结构更稳定，胶体的抗变形能力更强，体积膨胀越难发生。表2 给出了常温固化和高温固化下灌封胶的溶胀率。可见，高温固化形成的胶体溶胀率更小，固化过程中的聚合反应更加充分，胶体稳定性更好。

表2 不同固化工艺下胶体性能差异

综上，高温固化工艺下形成的灌封胶胶体硬度更高，交联度更高，热稳定性更好，抗变形能力更强，可定性反应高温固化工艺胶体热膨胀系数更低，为便于后续计算，取高温固化胶体膨胀系数为常温固化下的一半。

3 基于实际运营的温度载荷工况

为更真实反映传感器焊点热应力及疲劳强度，本文结合现车实际运行环境，确定基于实际运营的温度载荷工况。图5 和图6 分别给出了某型高速动车组运行状态和停运状态下转向架电机非传动端温度信息。可见，电机非传动端在一天内的温度变化较为缓慢，温度循环频率较小，约1 cycle/day，温度的峰谷值较少，即温度循环次数较少。运行工况下，电机非传动端内部温度与环境温度差值最大可达20 ℃；停运状态下，电机非传动端内部温度与环境温度差值最大仅为5 ℃。

提取连续一个月的温度峰谷值，建立温度循环时间历程数据，并通过雨流计数法识别实际运营中电机非传动端内部温度循环分布，如图7 所示。可见，连续时间历程上，电机非传动端内部温度循环最大幅值为30 ℃，多数情况下，温度循环幅值较小（5 ℃以内循环），温度均值在40 ℃左右，即实际情况下，电机非传动端内部温度动态变化规律是趋于平稳的。

综上，确定基于实际运营的传感器温度载荷工况，如表3 所示。

表3 基于实际运营的温度载荷工况表

4 焊点热应力分析及疲劳寿命预测

建立有限元模型，基于实际运营温度载荷工况开展仿真分析，对比常温固化和高温固化下传感器内部焊点的热应力及疲劳寿命。仿真流程如图8 所示。首先，基于实际温度工况求取传感器温度场分布，分析焊点热应力情况；然后，根据材料S-N 曲线及温度循环幅值分布求取焊点疲劳损伤，预测焊点疲劳寿命[8]。

仿真结果表明，焊点与PCB 接触区域、焊点与敏感元件引脚接触区域均为应力集中区，与产品焊点实际失效位置高度吻合，如图9 所示。表4 给出了各温度工况下不同固化工艺的焊点热应力对比情况。可见，常温固化工艺下焊点热应力幅值远大于高温固化工艺下焊点热应力幅值；焊点热应力幅值与温度幅值变化范围相关，温度幅值变化越大，焊点热应力越大。

表4 不同温度及不同固化工艺下焊点热应力对比

由上可知，温度循环幅值是影响焊点热应力的主要因素。因此，对图7 中温度循环数据进行幅值概率分布拟合。图10 给出了实际运营中电机非传动端内部温度幅值概率分布曲线。传感器应用环境温度循环频率约1 cycle/day，传感器寿命取15 年，安全系数2.5，则传感器全寿命周期内温度载荷循环次数约13,700 次。随后根据温度变化幅值概率分布曲线，按30 级分级统计传感器全寿命周期内各温度变化情况的频次，如表5 所示。

表5 传感器全寿命周期温度载荷分级及频次统计表

由此，以多级载荷循环对焊点疲劳进行分析，传感器工作时间历程上承受各级温度幅值变化，内部焊点受到由s1,s2,…,sr等r个不同应力水平构成的疲劳载荷历程，且每个应力水平作用频次分别为n1,n2,…,nr。根据锡铅材料典型双对数S-N 曲线，如图11 所示，可计算得到对应于应力水平si作用时的疲劳寿命循环Ni，计算公式如式（1）：

其中，m表示材料指数斜率；C表示常数。计算应力水平si造成的损伤值，如式（2）：

其中，D(si)表示应力水平si，作用频次ni情况下产生的疲劳损伤值。

根据Miner 累积损伤理论，可得到传感器全寿命周期内焊点的累积损伤值D，如式（3）：

一般定焊点疲劳失效时，总累积损伤值为1，则可以计算焊点所能经历的载荷作用总数ω，即预测焊点温度循环疲劳寿命，如式（4）：

图12 给出了疲劳强度计算结果，常温固化下焊点全寿命周期疲劳损伤值D1=1.78，预测疲劳寿命循环仅为7,700 次，焊点存在失效风险；高温固化下焊点全寿命周期疲劳损伤值D2=0.064，预测疲劳寿命循环达20 万次，焊点可靠性有极大提升。

5 试验验证

对常温固化工艺和高温固化工艺的传感器进行同条件温度快变试验，为加速焊点疲劳失效进程，参考GB/T 2423.2016 和GB/T 2423..22-2012，取试验温度变化范围-40～90 ℃，温度变化速率10 ℃/min，极限温度保温时间20 min。试验过程中，实时监测传感器输出；试验结束后，对传感器进行解剖，查看焊点状态。

试验进行初期，常温固化工艺制成的传感器输出信号出现异常跳变，对该传感器进行解剖，检查焊点状态，发现4 处焊点均发生不同程度的疲劳开裂现象，如图13 所示。

试验持续进行至后期时，常温固化工艺制成的传感器均出现信号异常跳变，解剖后发现焊点均有开裂现象；而高温固化工艺制成的传感器信号未出现异常，解剖后，焊点未出现位移或开裂现象，如图14 所示。

试验验证表明，采用高温固化工艺的灌封型速度传感器内部焊点疲劳强度有极大提高，传感器可靠性更好，更能适应高速动车组电机内部温度环境，满足列车应用需求。

6 结束语

本文对灌封型速度传感器焊点开裂失效现象及机理进行分析，指出材料热膨胀系数适配性对元器件焊点疲劳的重要性，从灌封胶固化工艺角度出发，研究不同固化工艺下灌封胶性能，结果表明，高温固化形成的胶体硬度更高，稳定性更好，抗变形能力更强，定性说明高温固化下胶体热膨胀系数更小。同时，基于现车实际运营情况，对传感器安装位置的温度载荷进行统计分析，确定了基于实际运营的温度载荷工况。最后，通过仿真及试验，对比分析常温固化工艺和高温固化工艺下焊点热应力，评估焊点疲劳损伤及循环寿命。结果表明，采用高温固化工艺可以有效提高灌封型速度传感器焊点的疲劳强度，提升灌封型速度传感器可靠性。