电量传感器灌封工艺及常见问题解决方案
绵阳市维博电子有限责任公司的研究人员蒋伟，在2018年第10期《电气技术》杂志上撰文，介绍了电量传感器常用灌封材料的特点，详尽分析了灌封工艺各关键工序，并结合实际生产中出现的问题进行分析，提出具体的解决方案。此灌封工艺经过多批次生产验证，完全能满足产品设计要求。
随着国家科学技术的发展，电量传感器已广泛应用于军工、电网[1]、铁路、新能源汽车等各个领域，其使用条件越来越多样化，使用环境越来越严酷，因而对电量传感器提出了越来越高的可靠性需求。
根据产品的不同性能，选用不同的材料对电器元部件进行灌封，使其渗透至电气线路系统元件和部件的所有缝隙，并使产品具有机械支持、包覆保护、防水、防潮、防腐蚀、抗振以及提高产品绝缘强度等特性。
本文介绍了灌封流程中的关键工艺点和遇到的问题，找出了解决灌封问题的方法，提高了灌封品质。
1 常用灌封材料
灌封材料是灌封工艺的基础，选择适合的灌封材料是工艺成败的关键所在，应根据产品不同的性能和使用环境，选择不同性能的材料。目前灌封材料类型繁多，但应用最为普遍的是环氧树脂、有机硅橡胶和聚氨酯。根据我司现有产品特点，主要使用环氧树脂和硅橡胶两类灌封材料。
1.1 环氧树脂
环氧树脂灌封胶是指以环氧树脂为主要成分，按比例添加一定量的增韧剂、固化剂、填料等功能性助剂，再根据需求添加一定比例的颜料，制作而成的环氧树脂液体封装材料。
环氧树脂具有较好的粘结性、良好的绝缘性能、较强的耐腐蚀性、优良的机械强度、价格较低等特点，因此近年来发展迅速。目前国外半导体器件绝大部分是用环氧树脂灌封材料封装，其材料不但种类多，而且专用性强，性能优异[2-3]。
目前国内电子行业用环氧灌封材料某些方面的性能与国外先进国家相比较还存在不足，如存在固化过程中有一定的内应力以及容易开裂等问题。
1.2 硅橡胶
硅橡胶是指主链由硅原子和氧原子交替连接、硅原子上带有机基团的半无机半有机高分子弹性 体[4]。
硅橡胶具有线性收缩率低、优异的耐高低温性能、良好的耐候性，以及较好的电绝缘性[5]。
另外，硅橡胶灌封工艺简单，常温下即可短时间固化，且具有较好的可维修性。基于上述优良的性能，最近几年有机硅橡胶已被广泛作为电子元器件封装材料。但硅橡胶同样存在一定的自身缺陷，如：机械性能较差，耐磨性能较低，粘结力不足等。
2 灌封电量传感器工艺
2.1 灌封工艺流程
灌封电量传感器常规工艺流程如图1所示。
图1 电量传感器灌封常规工艺流程
2.2 关键工艺点
1）涂覆三防漆。对产品中须灌封的元器件部位均应涂覆三防保护剂。三防漆厚度以15～20m为宜，涂覆层应均匀、光亮，无针孔、堆积、流痕等缺陷。
2）去湿。任何物质表面在自然环境下都会吸附水分，水分的存在不仅会降低灌封胶的粘接强度，还会使灌封材料的绝缘度急剧减少。因此需对灌封元部件进行烘干去湿处理。烘干后待温度降到室温应及时进行灌封，一般在2h内完成灌封作业，否则会再次吸潮。综合元部件寿命与水分子残留情况，经过多次试验，电量传感器去湿温度控制在50± 5℃，去湿时间为2h。
3）混合搅拌。根据产品特性，依据相关工艺和技术文件要求配比混合灌封胶。对配比好的灌封胶应立即进行搅拌，搅拌通常分为手工搅拌和机械搅拌。手工搅拌极易造成混合不均匀，且会混入空气，很难保证批量生产时灌封质量的稳定性；机械搅拌能最大程度的保证混合均匀性。考虑到电量传感器的高可靠性要求，一般使用搅拌器进行搅拌。
4）真空脱泡。气泡的存在不但影响产品外观品质，而且更主要的是对产品的电性能和机械性能产生严重的质量隐患。在硅橡胶中一般只考虑其对电性能的影响。对于环氧灌封材料来说，气泡影响电气性能，更重要的是它使胶体中的应力不能连续、均匀地传递，造成应力在气泡处的集中，使得电器元件损坏、胶体开裂等，导致灌封失败[6]。
5）灌封。目前灌封方法有静态灌封、加压灌封、真空灌封、真空压力灌封法等[7]。根据产品特性与生产效率，我司选用加压灌封工艺进行灌封。加压灌封工艺是将脱泡好的灌封胶抽入熟料针筒内，然后依靠一定的压力将灌封料注入已去湿的产品灌封内腔里。为保证灌封质量，灌封时应将产品放置于合适位置，使灌封面呈水平状态，且灌封料应从一点缓慢注入被灌部位。
3 电量传感器灌封常见问题及解决方案
3.1 电量传感器灌封常见问题
我司早期使用硅橡胶和环氧树脂灌封的部分产品在高低温试验时均出现过质量异常问题，严重影响产品质量。主要表现为：硅橡胶产品胶体与壳体分离问题和环氧树脂产品出现胶体开裂和电器元件损坏现象，如图2所示。
经过分析，主要有以下原因：①硅橡胶胶体结合力较差，壳体与胶体膨胀系数不一致；②固化温度过高和制件固化后冷却速度过快等；③灌封工艺设计不合理。
图2 灌封质量异常示意图
大多数情况下开裂和电器元件损坏主要是由内应力所引起的。内应力包括收缩应力和热应力。其中收缩应力是环氧树脂在固化过程中产生了收缩而对器件产生的应力；而热应力是由于灌封产品中树脂和灌封件的膨胀系数有较大差异，当温度较大变化时而产生的应力。
灌封材料在内应力的作用下，使不同程度的缺陷和轻微裂纹扩大，从而造成胶体开裂并损坏电器元件。所以，内应力的存在是导致开裂和元件损坏的根本原因。
3.2 解决方法
1）灌封工艺方案改进
改用硅橡胶和环氧树脂复合工艺，首先在元器件表面包覆一层1mm厚的硅橡胶，然后再灌封环氧树脂，利用硅橡胶良好的绝缘性、耐高低温性以及线性收缩率低等特点，在元器件与环氧树脂之间形成一层保护膜，以隔绝环氧树脂内应力对元器件的直接作用；再利用环氧树脂优异的粘结性、耐腐蚀性和较好的机械强度对产品进行封口处理，即可有效降低内应力对元器件的影响，同时增加了产品的整体环境适应能力。
2）固化温度改进
改用分段固化，能降低放热峰值。同样的灌封材料，采用分段固化虽然不能改变总放热量，但是会改变放热的最高温度。通过分段固化，可将一个高放热峰分成多个小放热峰的形式释放，这有利于反应热的均匀释放和降低放热峰值。我司通过采用分段固化不仅使产品增强了抗开裂能力，还有效解决了灌封气泡问题。
影响电量传感器灌封质量的因素较多，工程师只有根据每款产品特性合理地制定灌封工艺方案，且严格执行，才能得到满意的产品。
经过多批次生产实践，我司传感器产品在高低温试验后未再出现胶体开裂和器件损伤现象，证明上述工艺方案的改进和工艺过程的控制能进一步提高产品的灌封质量，保证了其防护性能、绝缘性能完全满足设计要求。