周鵬偉，瞿浩潔，朱景春，劉濤，劉瑜，劉杰

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

引言

隨著電源單機(jī)產(chǎn)品不斷趨于小型化、高集成化、高電壓方向發(fā)展，產(chǎn)品的絕緣防護(hù)愈發(fā)困難。通過真空灌封獲得固體絕緣方式是最常用的，可以有效降低高壓組件對環(huán)境氣壓的敏感性，提高產(chǎn)品電氣絕緣強(qiáng)度和多余物防護(hù)效果。而選用合適的灌封材料和確認(rèn)工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)真空灌封工藝技術(shù)的關(guān)鍵[1]。目前，國外Thales、ASP以及Tesat等各自獨(dú)自開發(fā)獨(dú)特灌封材料配方及灌封工藝，其作為空間高壓電源最核心技術(shù)而被嚴(yán)格保密。而國內(nèi)諸多單位針對灌封材料的選用和真空灌封工藝技術(shù)路線及參數(shù)的確認(rèn)同樣做了大量研究工作。原產(chǎn)品常用室溫硫化硅橡膠，如D04。該種室溫硫化硅橡膠是以粘度較低的聚硅氧烷為聚合物，在室溫下通過吸收空氣中濕氣硫化成彈性體。因此D04材料作為灌封材料使用時(shí)難以使真空灌封效果：一方面難以避免混進(jìn)氣體，另一方面D04從表面向內(nèi)部逐步固化的，混入的內(nèi)部氣體難以逸出[2]。常用的灌封材料有三種，包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯以及硅橡膠。其中環(huán)氧樹脂一般具有更強(qiáng)的界面粘接強(qiáng)度，但是耐溫度沖擊能力較差，易開裂，不易于返修；聚氨酯材料一般彈性好、硬度低，具有較好界面粘接性能，但是該種材料具有毒性，一般不宜使用；硅橡膠類材料無毒性，固化過程中不收縮、不放熱，具有良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛用于高壓組件、部件的灌封工藝中[3,4]。

本研究工作主要以高壓電源產(chǎn)品中高壓功率管為例，著重介紹一下利用道康寧和國產(chǎn)某有機(jī)硅橡膠兩種硅橡膠開展真空灌封工藝技術(shù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料選用

針對真空灌封工藝，選用合適的真空灌封材料和確認(rèn)工藝參數(shù)是關(guān)鍵。為了保證真空灌封的絕緣效果，灌封材料的選用一般遵從以下原則[1]：

1）高的絕緣強(qiáng)度（介電強(qiáng)度、擊穿電壓）；

2）若是環(huán)氧樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)高于產(chǎn)品工作溫度；

3）灌封材料工作溫度高；

4）黏度系數(shù)?。?/p>

5）材料耐溫度沖擊；

6）導(dǎo)熱性高為宜。

本次研究工作需用的灌封材料是道康寧Sylgard 160和國產(chǎn)有機(jī)硅橡膠，其物性參數(shù)見表1所示。在先期進(jìn)行材料驗(yàn)證過程中對兩種材料的物性參數(shù)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)有機(jī)硅橡膠比道康寧Sylgard 160具有更低的混合粘度、更長的可用時(shí)間以及更寬的溫度適用范圍，更加適用于真空灌封工藝實(shí)施。

表1 灌封用硅橡膠的物性參數(shù)

1.2 高低溫循環(huán)試驗(yàn)

1）溫度范圍：（-55～100）℃；

2）變溫率（箱內(nèi)空氣溫度變化的平均速率）：（5～10）℃/min；

3）一個(gè)循環(huán)周期：1 h，其中高溫停留不小于15 min、低溫停留不小于15 min；

4）循環(huán)次數(shù)：100次循環(huán)。

1.3 低氣壓放電試驗(yàn)

圖1所示的是低氣壓放電試驗(yàn)組成示意圖。具體試驗(yàn)條件參考QJ2630.3A進(jìn)行開展。具體步驟如下：

圖1 低氣壓放電試驗(yàn)組成示意圖

1）使用電源設(shè)備設(shè)置輸出電壓400 V；

2）啟動真空室粗抽系統(tǒng)，使真空室內(nèi)壓力由正常環(huán)境壓力逐漸下降，可以通過調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式來控制壓力變化速率：真空室內(nèi)壓力從1 個(gè)大氣壓降至20 Pa 的時(shí)間不小于10 min；壓力從850 Pa 降到650 Pa 的時(shí)間不少于2 min，在此期間應(yīng)密切監(jiān)測組件是否發(fā)生低氣壓放電；

3）真空室內(nèi)壓力降至試驗(yàn)要求的壓力時(shí)，開始監(jiān)視降低過程中組件是否出現(xiàn)異常情況，直至20 Pa，如發(fā)生異常情況，則應(yīng)根據(jù)組件特點(diǎn)、工作性能等技術(shù)數(shù)據(jù)判斷是否出現(xiàn)低氣壓放電現(xiàn)象；

4）關(guān)閉粗抽系統(tǒng)機(jī)組，關(guān)閉電源；

5）啟動復(fù)壓系統(tǒng)，對真空室進(jìn)行復(fù)壓，然后按b～e的要求重復(fù)試驗(yàn)，共進(jìn)行3次試驗(yàn)；

6）試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉儀器設(shè)備。

2 真空灌封工藝技術(shù)

2.1 工藝路線

圖2所示的是常壓灌封工藝路線。在使用過程中，手工攪拌配制和常壓灌封過程難以避免引入空氣導(dǎo)致固化后灌封本體中出現(xiàn)大量空洞，可以滿足低電壓產(chǎn)品使用要求。為了實(shí)現(xiàn)灌封過程中的質(zhì)量和一致性保證，重新規(guī)劃了“真空灌封工藝路線”，開展真空灌封工藝，如圖3所示。

圖2 常壓灌封工藝路線

圖3 真空灌封工藝路線

2.2 灌封模具設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高壓功率管的局部區(qū)域灌封，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝。工裝材料是使用聚四氟乙烯材料進(jìn)行制作，并且灌封模具內(nèi)角需要設(shè)計(jì)倒圓，方便后續(xù)灌脫模。

2.3 清洗

灌封材料與待灌封組件的結(jié)合強(qiáng)度與其表面清潔狀態(tài)密切相關(guān)。需要使用酒精對待灌封元器件進(jìn)行清洗三次，以去除表面油脂和其他多余物，然后將清洗后待灌封組件放入熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘干處理。

2.4 涂覆底涂劑

硅橡膠的應(yīng)用過程中需要充分了解界面結(jié)合性能，在通過前期界面性能檢測發(fā)現(xiàn)兩種硅橡膠與灌封器件界面結(jié)合力不佳，易在力、熱沖擊下導(dǎo)致界面開裂問題。因此，為了增強(qiáng)兩種硅橡膠的粘接強(qiáng)度，需要使用底涂劑對待灌封的高壓功率管表面進(jìn)行涂覆。

2.5 防漏處理

使用GD414或其他適用硅橡膠對工裝間隙進(jìn)行封堵，目視檢查確認(rèn)間隙封堵到位。

2.6 脫氣處理

灌封材料中如果存在氣泡、分層、開裂等缺陷，易引起局部放電擊穿現(xiàn)象，該種局部電應(yīng)力將不斷侵蝕灌封材料電氣絕緣性能，逐漸形成完全擊穿通道，發(fā)生高壓閃弧、放電擊穿現(xiàn)象。本次工作中低氣壓放電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果灌封試件出現(xiàn)放電擊穿現(xiàn)象后，再進(jìn)行低氣壓放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)放電擊穿的電壓閾值減小或擊穿氣壓會升高，并且反復(fù)多次試驗(yàn)后取樣觀察到灌封材料本體會出現(xiàn)裂紋。

因此，為了避免灌封后材料出現(xiàn)空洞等缺陷，需要使用真空脫氣設(shè)備進(jìn)行脫氣處理。在硅橡膠混料配制以及澆注過程中易引入空氣或水汽等，需要進(jìn)行脫氣處理。在脫氣處理過程中，膠液中氣泡膨脹會導(dǎo)致體積增長3～4倍，一般控制膠液配制高度盡量不要超過配膠容器的1/3。在抽氣中，膠液膨脹上升，控制膠液不溢出的情況下，關(guān)閉抽氣泵，打開放氣閥，升高設(shè)備內(nèi)壓力致使灌封材料中氣泡破裂；再關(guān)閉放氣閥和打開抽氣泵進(jìn)行抽氣，通過“抽-放-抽”方式進(jìn)行反復(fù)操作，直至膠液無氣泡。

2.7 分次澆注

為了避免灌封膠液澆注后在脫氣過程中可能溢出，需要采用分次澆注方式。此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，兩種硅橡膠如果存在多次固化情況時(shí)，分次固化硅橡膠灌封材料之間存在界面分層問題，在低氣壓放電試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)無法滿足產(chǎn)品絕緣要求。因此，本研究工作中確認(rèn)第一次硅橡膠澆注為器件灌封高度的1/2～2/3，然后在真空脫氣設(shè)備中進(jìn)行脫氣處理去除卷入的空氣，然后再進(jìn)行一次補(bǔ)膠、脫氣等操作。最后將整體灌封后膠液進(jìn)行整體式室溫固化，固化時(shí)間為24 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示的是未處理與真空灌封處理后高壓功率管低氣壓放電試驗(yàn)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，在低氣壓放電試驗(yàn)過程中隨著氣壓降到一定數(shù)值，施加的電源電壓400 V激發(fā)未處理的高壓功率管發(fā)生放電現(xiàn)象。這與文獻(xiàn)[1]中提到了氮氧氣體在低氣壓環(huán)境中的最小擊穿電壓在350 V左右的結(jié)論相吻合。而經(jīng)過真空灌封處理后器件先按照1.2所示的條件進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，再按照1.3所示的條件進(jìn)行低氣壓放電試驗(yàn)，結(jié)果顯示灌封材料與器件之間界面結(jié)合良好，并且在低氣壓放電試驗(yàn)中未出現(xiàn)擊穿放電、漏電等現(xiàn)象（如圖4所示），滿足該高壓器件的絕緣要求。

圖4 未處理與真空灌封處理后高壓功率管低氣壓放電試驗(yàn)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文以高壓功率管為研究對象，將道康寧和國產(chǎn)有機(jī)硅橡膠作為灌封材料進(jìn)行真空灌封工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，確認(rèn)了該項(xiàng)灌封技術(shù)的可行工藝路線，為滿足高壓產(chǎn)品或高壓組件的設(shè)計(jì)及研制提供了工藝支撐能力。