鄭 星，黃海瑩，陳 穎，聶 飛，張 凱

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

電路灌封體的失效機(jī)理分析*

鄭 星，黃?，?，陳 穎，聶 飛，張 凱

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

在面對(duì)高強(qiáng)沖擊、劇烈振動(dòng)和高低溫沖擊等惡劣環(huán)境時(shí)，對(duì)離線存儲(chǔ)測試裝置中電路系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提出了更高的要求。為了確保電路系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的正常工作，需對(duì)存儲(chǔ)測試裝置中的電路模塊進(jìn)行灌封加固。利用環(huán)氧樹脂對(duì)電路模塊進(jìn)行灌封，形成的電路灌封體在試驗(yàn)過程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行失效的現(xiàn)象。通過分析表明：應(yīng)力集中是引起電路灌封體失效的主要因素。分析了灌封過程中導(dǎo)致應(yīng)力集中的原因，并從灌封材料、灌封工藝以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾個(gè)方面對(duì)緩解灌封體內(nèi)部應(yīng)力集中的方法進(jìn)行了分析和探討。

電路灌封體；環(huán)氧樹脂；失效機(jī)理；應(yīng)力集中

1 引言

彈載離線存儲(chǔ)測試裝置克服了帶線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)在高強(qiáng)沖擊、劇烈振動(dòng)、高低溫沖擊等惡劣環(huán)境試驗(yàn)過程中的局限性，而且擁有體積小，可靠性高和數(shù)據(jù)回收方便等優(yōu)點(diǎn)。其中，電路系統(tǒng)是彈載存儲(chǔ)測試裝置有效運(yùn)行的關(guān)鍵模塊之一，它的抗沖擊能力直接影響存儲(chǔ)測試裝置的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對(duì)存儲(chǔ)測試裝置的電路板需要進(jìn)行灌封加固，以提升其抗沖擊抗過載的能力。

環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的力學(xué)、電氣絕緣性能被廣泛應(yīng)用于電子電路的灌封。目前，對(duì)環(huán)氧樹脂灌封料及其灌封工藝的研究已逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)[1,2]。然而，在利用環(huán)氧樹脂對(duì)電路模塊進(jìn)行灌封時(shí)，形成的電路灌封體在試驗(yàn)過程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行失效的現(xiàn)象，即使是同一個(gè)電路灌封體，當(dāng)外界條件改變時(shí)（比如溫度、振動(dòng)或沖擊等），灌封的電路模塊有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行失效的現(xiàn)象，而其失效機(jī)理尚不明確。

已有研究大多是從灌封材料的制備以及灌封工藝中出現(xiàn)的問題開展，而對(duì)電路灌封體的失效機(jī)理方面還鮮有詳細(xì)的研究[3~5]。

為了確定引起電路灌封體失效的因素，本文從灌封料和灌封件方面出發(fā)，探尋引起電路灌封體失效的機(jī)理，為存儲(chǔ)測試裝置中電路板的有效灌封提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

2 理論分析

灌封后，電路灌封體的失效通常表現(xiàn)為暫時(shí)性失效與永久性失效。暫時(shí)性失效是指當(dāng)電路灌封體在環(huán)境試驗(yàn)過程中（振動(dòng)、沖擊和溫度等）電路系統(tǒng)不能正常工作，而當(dāng)外界條件去除后又恢復(fù)正常工作；永久性失效是指當(dāng)電路灌封體進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)之后發(fā)生失效，不能繼續(xù)工作。

2.1電路灌封體失效原因分析

應(yīng)力集中是灌封體中普遍存在的問題，電路灌封體內(nèi)部應(yīng)力集中必然會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。在試驗(yàn)過程中，受內(nèi)部應(yīng)力的影響，當(dāng)灌封體受到外部過載時(shí)，應(yīng)力集中處極易產(chǎn)生微裂紋，而微裂紋的存在會(huì)降低電路灌封體的電氣絕緣性能，阻礙應(yīng)力在灌封體內(nèi)部傳遞的連續(xù)性。特別地，當(dāng)應(yīng)力集中越接近電路板時(shí)，裂紋對(duì)電路系統(tǒng)造成的影響越大。

在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)過程中，灌封體內(nèi)部微裂紋在長時(shí)間的振動(dòng)負(fù)荷作用下會(huì)逐漸結(jié)合在一起，當(dāng)達(dá)到一定大小時(shí)，裂紋的傳播會(huì)變得越來越不穩(wěn)定。由材料力學(xué)知識(shí)，裂紋的傳播可以表示為[6]：

其中，l為裂紋長度，N為應(yīng)力重復(fù)次數(shù)，c、m、n是取決于材料性質(zhì)的常數(shù)，εr為相對(duì)應(yīng)變。由式（1）可知，裂紋變大，剩余材料內(nèi)的應(yīng)力也會(huì)變大，最終形成材料的疲勞破壞，導(dǎo)致電路灌封體的運(yùn)行失效。

由于電路板及其電子元器件與環(huán)氧樹脂屬于不同的材料，當(dāng)電路灌封體受到外部高強(qiáng)沖擊作用時(shí)，應(yīng)力的傳遞不會(huì)像在單一材料當(dāng)中那樣均勻傳遞，而會(huì)在電路板、電子元器件和焊點(diǎn)處集中。當(dāng)應(yīng)力超過一定限度時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，影響電路系統(tǒng)的運(yùn)行。而且，由于電路板和電子元器件的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于灌封材料，當(dāng)應(yīng)力超過電路板或者電子元器件的抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致電路系統(tǒng)癱瘓。

2.2應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，材料內(nèi)部應(yīng)力可以表示為：

其中，σI為內(nèi)應(yīng)力，σs為固化收縮應(yīng)力，σh為熱應(yīng)力，Es為樹脂彈性模量，ΔLs為樹脂固化收縮變形，ΔLa為樹脂與嵌入件線膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的變形，αr為樹脂的線膨脹系數(shù)，αm為嵌入件的線膨脹系數(shù)，Th為灌封體在高溫狀態(tài)下的溫度，Tr為室溫。

由公式（2）~（4）可知，材料內(nèi)應(yīng)力主要由灌封料在固化過程中的收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力組成。其中，收縮應(yīng)力包括灌封料由液態(tài)到固態(tài)過程中的化學(xué)收縮以及降溫過程中的物理收縮[7]。而熱應(yīng)力受材料線膨脹系數(shù)以及灌封溫度的影響較大。環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)示意圖

隨著環(huán)氧樹脂的固化程度提高，環(huán)氧樹脂分子之間逐漸交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在樹脂分子交聯(lián)過程中，材料的體積不斷收縮，當(dāng)環(huán)氧樹脂凝膠化以后，樹脂分子之間交聯(lián)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將大大限制分子鏈的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于材料收縮造成收縮應(yīng)力被束縛在材料內(nèi)部不能及時(shí)松弛，就會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。

由式（4）可知，灌封材料和灌封件線膨脹系數(shù)的差異是導(dǎo)致灌封體內(nèi)部熱應(yīng)力的主要因素之一。已有研究表明，環(huán)氧樹脂灌封料的線膨脹系數(shù)比所埋電子元器件大3到5倍[8]。這就導(dǎo)致了在灌封體固化過程中電路模塊與灌封料之間應(yīng)力的聚集，如果應(yīng)力得不到及時(shí)松弛，就會(huì)導(dǎo)致灌封體內(nèi)部熱應(yīng)力的集中。當(dāng)灌封體受到外部振動(dòng)、沖擊和高低溫沖擊時(shí)，就會(huì)對(duì)灌封體內(nèi)部電路系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。

環(huán)氧樹脂固化過程中，固化溫度也會(huì)對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)力集中和裂紋的出現(xiàn)產(chǎn)生巨大影響。我們將制備好的環(huán)氧樹脂灌封料分別倒入三個(gè)燒杯中，如圖2所示，1到3號(hào)樣品成分完全相同。1號(hào)樣品固化溫度在10 ℃左右，2、3號(hào)樣品采用由低溫到高溫的分段固化。待樣品充分固化后，對(duì)1到3號(hào)灌封料進(jìn)行切割加工，如圖3所示。

圖2 環(huán)氧樹脂灌封料

圖3 切割加工后的環(huán)氧樹脂灌封料

由圖3可見，受固化溫度的影響，同一批次相同成分的環(huán)氧樹脂灌封料在固化后內(nèi)部呈現(xiàn)出了不同的狀態(tài)。1號(hào)樣品切割面上出現(xiàn)了較多的裂紋，而2、3號(hào)樣品切割面上則較為光滑。環(huán)氧樹脂的固化過程是一個(gè)急劇放熱的過程，由式（4）可知，環(huán)氧樹脂的相對(duì)放熱峰值越高，反應(yīng)就越劇烈，在材料內(nèi)部就越容易形成熱應(yīng)力的局部集中，導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力增大。當(dāng)受到外部應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力集中處就越容易產(chǎn)生開裂，從而引起電路灌封體的失效。而采用由低溫到高溫分段固化的灌封料，降低了材料固化過程中的相對(duì)放熱峰值，使材料的放熱較為平緩，從而降低了材料固化過程中的熱應(yīng)力集中。

另外，灌封料攪拌不均勻也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的存在。為了降低灌封材料和灌封件之間線膨脹系數(shù)的差異，增加灌封體的導(dǎo)熱性能，通常會(huì)在灌封料的配方中加入氧化鎂和納米鋁等無機(jī)填料。由于填料的加入，攪拌不均勻使得微型顆粒在材料內(nèi)部聚集，當(dāng)外力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖4所示。

圖4 顆粒聚集處在外力作用下產(chǎn)生裂紋示意圖

3 結(jié)果與討論

由以上分析可知，電路灌封體內(nèi)部應(yīng)力的存在是導(dǎo)致電路系統(tǒng)運(yùn)行失效的主要因素，而受灌封材料、灌封工藝和產(chǎn)品工藝的影響，灌封體不可避免地會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此如何有效地減少灌封體內(nèi)部應(yīng)力是保證電路系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

環(huán)氧樹脂灌封料作為灌封的主體，直接關(guān)系到灌封產(chǎn)品的好壞。環(huán)氧樹脂的固化是一個(gè)劇烈的放熱過程，因此選擇合適的添加劑能夠有效降低固化過程的放熱峰值。液體酸酐固化劑具有耐熱性高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，與環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)時(shí)放熱峰較為平緩，可以明顯降低固化熱應(yīng)力[9]。在灌封料制備過程中，通過采用帶液晶基團(tuán)聚酯型環(huán)氧樹脂增韌劑，在一定程度上限制了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成歷程，減緩了交聯(lián)速率，使得最終交聯(lián)體積收縮程度減小，避免材料的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生和聚集[5]?；钚韵♂寗┠軌蛴行г黾庸喾饬系牧鲃?dòng)性和滲透性，便于材料的消泡和試件的灌封，灌封料制備過程中常選用油醚類活性稀釋劑。無機(jī)填料的加入能夠有效耗散環(huán)氧樹脂固化過程中以及電路板工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，同時(shí)也能降低材料的收縮率和線膨脹系數(shù)。本文在灌封料的制備過程中，選用氧化鋁作為無機(jī)填料，有效增加了材料的導(dǎo)熱性能。同時(shí)，在材料混合過程中，對(duì)灌封料進(jìn)行充分的攪拌，避免無機(jī)填料在灌封料內(nèi)部聚集成團(tuán)。

在灌封前，利用烘箱對(duì)灌封件進(jìn)行預(yù)熱，去除灌封件上吸附的水分，避免對(duì)材料粘結(jié)強(qiáng)度和灌封體絕緣性能的影響。同時(shí)，在灌封前對(duì)灌封件進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱也能夠有效降低灌封料與灌封件之間的溫差，降低材料固化過程中的相對(duì)放熱峰值，避免熱應(yīng)力在電路板附近集中。在灌注時(shí)，應(yīng)盡量一次灌注，控制灌注速度，避免灌封過快或過慢引起的應(yīng)力集中。灌注完成后，將灌封體放入真空干燥箱進(jìn)行二次抽真空處理，去除灌封過程中產(chǎn)生的氣泡。在灌封體固化后期，通過控制室內(nèi)溫度，有效降低材料固化時(shí)的相對(duì)放熱峰值，促使熱量緩慢均勻釋放，以達(dá)到減少灌封體收縮率和應(yīng)力集中的目的。

在產(chǎn)品工藝方面，在焊接前，應(yīng)利用酒精或丙酮對(duì)電路板進(jìn)行清洗去除油污，防止焊接不牢導(dǎo)致焊點(diǎn)在受到外部作用力擠壓時(shí)脫離電路板，引起電路系統(tǒng)工作異常。另外，由于電路板上電子元器件較多，在進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)盡量避免焊點(diǎn)處尖角的出現(xiàn)，保證焊點(diǎn)的圓潤光滑，避免應(yīng)力在焊點(diǎn)處集中。

4 結(jié)論

利用環(huán)氧樹脂對(duì)電路模塊進(jìn)行灌封，通過對(duì)灌封料和灌封件的分析表明，引起電路灌封體運(yùn)行失效的主要原因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力集中。應(yīng)力集中引起材料的開裂導(dǎo)致了電路灌封體絕緣性能的下降，同時(shí)也影響了外部應(yīng)力在灌封體內(nèi)部傳播的連續(xù)性，應(yīng)力集中越接近電路模塊，外部過載對(duì)電路系統(tǒng)造成的影響越大。分析了引起灌封體應(yīng)力集中和開裂的因素，并對(duì)目前從灌封材料、灌封工藝和產(chǎn)品工藝上消除應(yīng)力集中的方法進(jìn)行了分析和探討。本文的研究為理解電路灌封體的失效機(jī)理提供了理論指導(dǎo)，也為電路板的有效灌封提供了相應(yīng)的技術(shù)支持。

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Failure Mechanical Analysis of Circuit Encapsulation Body

ZHENG Xing, HUANG Haiying, CHEN Ying, NIE Fei, ZHANG Kai
（Institute of Systemic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang621900,China）

When offline storage test device work in high shock, severe vibration, temperature impact and other harsh environments, the reliability of the circuit system running is extremely important. In order to ensure the circuit system work normally in the harsh environment, the circuit module is reinforced by potting. The circuit encapsulation body which circuit module are potted with epoxy resin often failure operation in test. The analysis result show that stress concentration is the main factor which lead to that. The reason of stress concentration in the potting is analyzed. Furthermore, the method of avoiding stress concentration is discussed from encapsulation material, encapsulation technology and product designing.

circuit encapsulation body; epoxy resin; failure mechanical; stress concentration

TQ323.5

A

1681-1070（2014）08-0036-03

2014-03-03

中國工程物理研究院總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金(13cxj-33)