王 強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

灌封工藝是電子工業(yè)產(chǎn)品用于防腐蝕、防震、防塵、防水、絕緣等所采用的生產(chǎn)工藝中相當(dāng)普遍的一種方式，廣泛應(yīng)用于洗衣機(jī)控制器、電源、LED水下照明等領(lǐng)域，該工藝在生產(chǎn)應(yīng)用過程中很容易產(chǎn)生氣泡，如何減少灌封膠體中的氣泡，是本文主要論述的內(nèi)容。

1 灌封材料的分類

灌封材料行業(yè)中常用的有硅膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂三大體系，如表1。

在行業(yè)內(nèi)，聚氨酯憑借優(yōu)異的綜合性能及相對較低的應(yīng)用成本，成為3大類灌封材料中應(yīng)用最為廣泛的材料。本文主要論述聚氨酯灌封體系生產(chǎn)工藝過程中氣泡問題的剖析與解決方法。

2 灌封膠中氣泡的危害

這些氣泡的存在，不僅會影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量，而且還會影響到產(chǎn)品的各種質(zhì)量性能等。由于氣泡的存在，一方面無論是來自于材料內(nèi)部的應(yīng)力還是材料外部的應(yīng)力，這都會使這些應(yīng)力不能夠連續(xù)均勻傳遞，應(yīng)力往往會在形成氣泡處集中，容易造成裂紋。另一方面位于器件引腳位置的氣泡，在電性能方面長期可靠性的的危害更大。密封的膠體把空氣及水分也一起包裹住了，水氣無法逃逸，密封的水氣會與板面助焊劑之類的殘余雜質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而會引起絕緣電阻下降、電遷移之類的質(zhì)量問題。

表1 三大類灌封材料

3 控制器灌封工藝氣泡產(chǎn)生來源及解決方案

控制器灌封工藝中的氣泡，經(jīng)跟蹤分析主要來源于以下幾個個方面：

1）膠水出廠前如抽真空做的不太好，會在周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過程中氣體混入膠體內(nèi)形成氣泡；

2）在從原廠膠桶抽入灌膠桶時，膠水與空氣接觸以及膠水沖入桶內(nèi)導(dǎo)致將空氣帶入膠水中而產(chǎn)生氣泡；

針對這2點(diǎn)產(chǎn)生的氣泡，最優(yōu)的方案就是對料筒抽真空處理，料筒的真空解決方案參考如圖1。

抽過真空的原材料雖然膠體本身不帶有氣泡，但是在后工序的操作過程中還是會引入新的氣泡，這些氣泡來源于以下2個方面：

1）控制器PCB板內(nèi)的水氣在高溫下釋放產(chǎn)生的氣泡；

聚氨酯灌封膠通常為A、B組分，A組分為原材料，B組分為固化劑，灌封膠固化過程是膠體的化學(xué)反應(yīng)過程，在反應(yīng)過程中，會產(chǎn)生比較大的熱量，熱量會傳遞到PCB板，PCB板內(nèi)殘存的水氣會隨著反應(yīng)過程的高溫從PCB板表面逸散出來，如果來不及跑出就會殘留在膠體內(nèi)形成氣泡。

2）器件底部如QFP芯片底部，器件周邊因毛細(xì)作用在灌封過程中灌封膠無法及時填充排出氣體，膠體回包而產(chǎn)生的氣泡殘留。

針對以上2個方面產(chǎn)生的氣泡，PCB預(yù)熱是比較合適的解決方案之一，如圖2。

預(yù)熱溫度和時間是其中比較關(guān)鍵的2個參數(shù)，溫度太低，水氣無法排出來，溫度太高，對器件質(zhì)量會產(chǎn)生一定的影響，通常我們認(rèn)為60～70 ℃是比較合適的溫度，30 min基本可以將板上的水氣排空。我們?nèi)绾稳ヅ袛嗨畾馐欠褚雅懦?，比較簡單的方式是在預(yù)熱前進(jìn)行稱重，預(yù)熱完成后再進(jìn)行稱重，重量不再大幅減少，我們即可認(rèn)為水氣已基本排出。

PCB板所藏水氣，除了在灌膠固化過程中產(chǎn)品氣泡的影響，同時對產(chǎn)品長期可靠性也會有一些影響。電子產(chǎn)品完成灌封后，其產(chǎn)品在長期運(yùn)行過程會不斷發(fā)熱，熱量會使得板內(nèi)的水氣慢慢的發(fā)散出來，發(fā)散出來的水氣由于灌封膠的阻擋不易向外界逃逸，那么就會沉積在灌封膠和電路板之間的微小縫隙內(nèi)進(jìn)行累積，大量累積的水氣會形成水膜，水膜溶解電子產(chǎn)品表面殘留的助焊劑及其它溶劑而形成電解液，當(dāng)水膜厚度達(dá)到200 um時，電化學(xué)遷移速率最大。因此這個預(yù)熱非常重要。

PCB板上潮氣得到控制后，下一步需要解決器件底部及器件周邊的灌封無法及時完全填充膠體回包而產(chǎn)生的氣泡。

灌封膠有一定的粘度，粘度越低，滲透性越好，粘度越高，滲透性越差。那么合適的灌膠溫度，是解決此問題的比較好的方法，溫度越高，膠體的粘度會隨之下降，帶來的就是對器件周邊及底部的滲入性更好。因此我們推薦對膠桶及灌膠管道進(jìn)行加熱，經(jīng)驗(yàn)證評估40～50 ℃會是一個比較好的加熱溫度選擇。

以上各種方案都落實(shí)后，可以解決大部分的氣泡問題，但是還有一個我們無法回避的難題，即在灌膠過程中膠體和空氣的接觸，這個過程都還是會有一些氣泡存在，這些氣泡也需要排除掉。

眾所周知，氣泡在液體內(nèi)，由于氣體比較輕，會慢慢上浮，什么條件下，氣泡逃逸速度最快，這里面涉及2個參數(shù)，溫度和時間，溫度越高，氣泡逃逸越快，但隨之帶來的是灌封膠的加速固化，粘度快速上升，反而阻止了氣泡的上升。以下是我們選的一款灌封膠進(jìn)行的驗(yàn)證，40～50 ℃之間是氣泡逃逸最快的溫度，如圖3。

圖1 料筒的真空解決方案參

圖2 PCB預(yù)熱

通過以上實(shí)驗(yàn)可看出，在不考慮生產(chǎn)效率的情況下，可以選擇固化時間相對較長的AB組分膠水，灌膠完成后直接將樣品靜置放置24 h，利用膠體固化過程中粘度不會發(fā)生太大變化前，減少氣泡逸出的阻力，來使得膠體中的氣泡得到較好的逸出。

但是事實(shí)上在工業(yè)制造過程中，效率也是相當(dāng)重要的一個指標(biāo)，過長的固化時間會導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅上升，也需要大量的周轉(zhuǎn)場地，那么我們需要解決的是如何在快速的固化過程中把氣泡問題解決。

為此，我們研究了膠體樣品的固化效率和活性激活問題，曲線圖如圖4。

從圖4看出，65～75 ℃使材料混合后活性激活，材料粘度迅速升高，促進(jìn)固化，切阻止了氣泡的有效排放，氣泡排放和材料固化2者之間形成了無法克服的矛盾體，如圖5。

我們可以通過調(diào)整灌封膠主劑和固化劑的比例讓膠體在最適宜氣泡逃逸的溫度（40～50 ℃）下，多停留一些時間來滿足氣泡完全逃逸的要求。通過對聚氨酯材料特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在正常配比的比例上下浮動10%都是可以讓材料完全固化且材料的特性不會發(fā)生顯著變化?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，我們從這點(diǎn)出發(fā)，將固化劑的比例降低5 %，同時讓膠水在40～50 ℃之間的時間停留加長，使得氣泡得以以最快的速度進(jìn)行釋放。同步我們將固化溫度同步降低5 ℃，讓固化曲線變得平滑，具體如圖7。

通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)以上方式調(diào)整后，灌封膠按上曲線通過隧道爐加熱30 min后實(shí)現(xiàn)了氣泡100 %排除，同時可達(dá)到90 %以上的固化完成率，可以直接進(jìn)行下一生產(chǎn)工序。該方式滿足了質(zhì)量要求，同時取消了過程周轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率高，是比較理想的固化工藝。

綜上，對灌封膠進(jìn)行比例調(diào)整，同步對固化曲線優(yōu)化后，可以得到一個相當(dāng)不錯的結(jié)果，固化效率高同時氣泡問題得到解決，當(dāng)然不同廠家不同型號的膠水的混合比例和溫度曲線是不一樣的，但處理方法是一樣的，通過實(shí)驗(yàn)都可以得出最合適的匹配關(guān)系。

圖3 氣泡變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)表

圖4 膠體樣品固化效率和活性激活問題

圖5 固化使阻止氣泡排放

圖6 固化曲線規(guī)律

圖7 固化曲線優(yōu)化

4 總結(jié)

灌封材料在施工過程中所產(chǎn)生的氣泡來源于多個方面，從以下這6個方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選擇最合適的灌膠施工設(shè)備及工藝，可解決行業(yè)中灌封膠成品所存在的氣泡問題。

1）灌膠設(shè)備密封性，最好可帶有抽真空功能。

2）灌膠設(shè)備及灌膠管道帶有溫度控制。

3）原材料配比可以在允許范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤{(diào)整優(yōu)化。

4）因涉及原料配比的調(diào)整，灌封設(shè)備混合比例精度要提高，推薦在1 %以內(nèi)。

5）需增加PCB預(yù)熱去除PCB所帶水氣。

6）需要對固化曲線進(jìn)行針對性的設(shè)置。

不同廠家不同型號的灌封膠特性會有些差異，我們需要通過以上所論述實(shí)驗(yàn)方法去選擇最適合的工藝生產(chǎn)方法和條件來解決灌封膠的氣泡問題。