楊龍， 趙剛， 董偉， 劉冰野

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

機(jī)載電子設(shè)備密封設(shè)計(jì)

楊龍， 趙剛， 董偉， 劉冰野

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

機(jī)載電子設(shè)備要求更小、更輕和價(jià)格更低，同時(shí)，安裝環(huán)境也更加惡劣。為滿足塑封元器件抗惡劣環(huán)境要求，電子設(shè)備將設(shè)計(jì)成一個(gè)密封的腔體。而由于凝露現(xiàn)象和呼吸效應(yīng)的存在，密封腔體需解決積水等問題。文中介紹了密封機(jī)箱的設(shè)計(jì)方法，解決了密封腔體帶來的問題。

機(jī)載電子設(shè)備；塑封器件；密封腔體；防水透氣閥

0 引言

隨著機(jī)載電子設(shè)備綜合化程度的提高，一些小型的電子設(shè)備如遠(yuǎn)程接口單元得到了廣泛的應(yīng)用。這些電子設(shè)備要求體積小、重量輕、價(jià)格低，而且可能經(jīng)受諸如淋雨、流體污染、砂塵等惡劣環(huán)境。為滿足體積、重量、價(jià)格要求，在電子設(shè)備中使用了許多塑封元器件。而為滿足惡劣環(huán)境影響，機(jī)箱需采用密封的結(jié)構(gòu)形式。密封結(jié)構(gòu)會因呼吸效應(yīng)和凝露現(xiàn)象導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部出現(xiàn)潮氣和積水，而潮氣對塑封元器件的可靠性有較大的影響。本文就電子設(shè)備密封設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)導(dǎo)致的問題進(jìn)行了探討，并提出了解決方法。

1 水汽對塑封元器件的影響

塑封器件的塑封材料以環(huán)氧樹脂為基本樹脂，以酚醛樹脂為固化劑，再加以填充材料。該材料為高分子材料，本身存在較高的吸濕性。塑封器件為非氣密封裝，而封裝材料中的氯離子在遇到空氣中的水汽時(shí)，就可能產(chǎn)生酸性液體，從而導(dǎo)致芯片的鍵合區(qū)發(fā)生腐蝕，也會腐蝕到芯片的金屬化層，導(dǎo)致器件短路、開路的失效現(xiàn)象［1］。因此，水汽對塑封元器件可靠性有較大影響。為提高塑封元器件的可靠性，應(yīng)避免液態(tài)的水進(jìn)入機(jī)箱，盡量減少機(jī)箱內(nèi)部的水蒸氣。同時(shí)，為滿足防淋雨及流體污染等環(huán)境適用性的要求，機(jī)箱應(yīng)設(shè)計(jì)為密封結(jié)構(gòu)。

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇的形式有很多種［2］。機(jī)箱采用金屬材料時(shí)，板材自身的密封性能良好。而機(jī)箱零件之間的配合表面密封方法有焊接、密封圈/板等。焊接密封效果好，但不便于維修。合適的O型密封圈可以有很高的接合面壓力，可滿足防水和氣密要求。平板橡膠能滿足防水和空氣氣密要求，但不能滿足水蒸氣氣密的要求。模塊和元器件可采用樹脂、陶瓷等材料將被保護(hù)的物理周圍空隙填充，方法可靠，但可維修性很差。同時(shí)密封電子機(jī)箱不應(yīng)有穿過外部結(jié)構(gòu)壁板進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部的螺栓或其他緊固件。如果要求螺栓穿過外壁，則建議采用壓鉚的結(jié)構(gòu)形式，或在機(jī)箱內(nèi)壁板采用合適的墊片密封。

為滿足體積小重量輕的要求，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將殼體設(shè)計(jì)到很薄甚至到加工極限，目前在工程中一些不受力的異形蓋板厚度可加工至0.7 mm。

3 密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的問題及解決方案

當(dāng)機(jī)箱成為一個(gè)密封腔體后，由于凝露現(xiàn)象和呼吸效應(yīng)的存在，可能導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部形成積水。

3.1 凝露現(xiàn)象

凝露作用是吸附作用的一種。當(dāng)高溫、高濕的氣體遇到低溫物體時(shí)，空氣中的水蒸氣低于露點(diǎn)溫度，即可在物理的表面產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為凝露作用［3］。機(jī)載電子設(shè)備使用環(huán)境惡劣，可能遇到暴雨天氣下在其外表面形成凝露，而在升空過程中由于溫度的急速降低，在產(chǎn)品的內(nèi)部形成凝露?？紤]到塑封電子設(shè)備可靠性要求，內(nèi)部的凝露應(yīng)能夠通過某種形式排出，而外部的凝露也盡量不要侵入產(chǎn)品內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)空氣濕度與溫度的關(guān)系曲線，空氣相對濕度越大，凝露現(xiàn)象就越容易出現(xiàn)。當(dāng)電子設(shè)備處于我國南方或海洋等環(huán)境下，凝露現(xiàn)象則更容易出現(xiàn)。

3.2 呼吸效應(yīng)

密封腔體內(nèi)的氣體會產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的變化因溫度變化而變化。理想氣體狀態(tài)方程如下:

式中：P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體的量；R為普適氣體常量；T為氣體的熱力學(xué)溫度。

當(dāng)密封腔體內(nèi)氣體溫度發(fā)生變化時(shí)，壓強(qiáng)的變化量可表示為：

從式（2）中可以看出，腔體體積越大，溫差越大，產(chǎn)生的壓差越大。機(jī)載電子設(shè)備在一次加電、下電工作周期，從地面上升到高空時(shí)或從高空下降至地面等多個(gè)任務(wù)剖面下，都會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)外出現(xiàn)壓差，從而導(dǎo)致用于密封的密封圈和密封墊承受很大的壓力，導(dǎo)致其加速老化，甚至失效。一旦密封圈出現(xiàn)了細(xì)小的縫隙，就會導(dǎo)致氣體在縫隙處的流動。密封腔體的呼吸效應(yīng)除了呼吸大氣外，還可以吸進(jìn)縫隙或小孔附近的液體，特別是當(dāng)濕度較大的情況下，如果遇到氣溫急劇下降，在密封腔體內(nèi)外就會形成較大的壓差，而空氣中的水汽由于凝露現(xiàn)象會形成液態(tài)的水，在水覆蓋縫隙或小孔的情況下，就會被吸入腔體內(nèi)部。作為一個(gè)密閉的腔體，內(nèi)部的水汽排出將非常困難。同時(shí)，對于壁厚只有0.7 mm的蓋板，壓力會導(dǎo)致其產(chǎn)生不可逆的變形。

3.3 解決方法

為防止在密封的電子設(shè)備內(nèi)部形成積水及將內(nèi)部的積水排出，一些可參考的方案有：吸濕劑法、充填正壓氣體法、預(yù)設(shè)排水結(jié)構(gòu)法、雙層密封結(jié)構(gòu)法、“人工肺”法［4］等。這些方法對于小型的電子設(shè)備造成重量增加、維修性變差等問題。而在一些戶外使用的照明燈具、汽車燈具或其它類似產(chǎn)品中也存在相同問題，其解決方法是在腔體上安裝防水透氣閥來解決。典型的防水透氣閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防水透氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

防水透氣閥主要功能組成是防水透氣膜。其主要成分是聚四氟乙烯，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。其經(jīng)過膨化處理后，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜。其防水的工作原理是非常小的水蒸氣分子一旦其凝結(jié)成水珠之后，由于水珠表面張力的作用，即可導(dǎo)致其不能穿過防水透氣膜。同時(shí)，聚四氟乙烯本身具有防水、防塵等特點(diǎn)，從而保證了其在戶外條件下長期穩(wěn)定的工作。另外，防水透氣閥容許氣體的出入，能夠起到平衡密封腔體內(nèi)外壓力的作用［5］。

在安裝防水透氣閥后，空氣和水蒸氣可自由出入。當(dāng)溫度降低時(shí)，腔體內(nèi)水蒸氣的相對濕度增加，將促使其向腔體外移動，從而防止凝露現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，腔體內(nèi)部和外部的氣壓基本平衡，可解決內(nèi)外壓力變化可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件變形、密封圈老化、失效等問題。由于電子設(shè)備在工作狀態(tài)下是一個(gè)發(fā)熱體，內(nèi)部一旦形成積水，可通過發(fā)熱促使其形成水蒸氣，并通過防水透氣閥排出腔體。

由于目前防水透氣閥大多應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下，為滿足機(jī)載電子設(shè)備的需求，還需對其做一定的改進(jìn)，例如選用合適的密封圈材料以滿足低溫（-55℃）的要求，殼體基材采用不銹鋼材料，以滿足三防要求等。

4 結(jié)論

電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境越來越苛刻，給工程化帶來了全新的挑戰(zhàn)。為解決這些問題，需設(shè)計(jì)人員從各個(gè)方面進(jìn)行分析和權(quán)衡，以期取得較好的綜合效果。電子設(shè)備的密封可更好的為內(nèi)部功能模塊提供保護(hù)，但同時(shí)也帶來了一系列問題。選用一些在工業(yè)產(chǎn)品中成熟的技術(shù)可很好地解決此類問題，并為同類產(chǎn)品的應(yīng)用帶來了啟示。

［1］ 張臻鑒，劉文媛.塑封半導(dǎo)體器件的可靠性保證措施［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，327（16）：164-165.

［2］ Steinberg D S.電子設(shè)備熱循環(huán)和振動故障預(yù)防［M］.常勇，丁其伯，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2012.

［3］ 韋生文.雷達(dá)電子設(shè)備的呼吸凝露作用及其預(yù)防［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（6）：571-576.

［4］ 龔光福.呼吸效應(yīng)研究［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（3）：236-239.

［5］ 樊友軍，陳剛，仙錦.防水透氣閥在雷達(dá)密封腔體中的應(yīng)用［J］.電子機(jī)械工程，2012，28（2）：12-14.

（編輯黃 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

楊龍（1981—），男，高級工程師，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2014-03-04