国产150_W大功率微砖电源模块灌封工艺_王同洋.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology182023年1月第44卷第1期摘要：以某国产150 W大功率微砖电源模块为研究对象，将常压阶梯灌封工艺引入该系列产品，并获得了稳定的、批量一致性的工艺方案和灌封参数。根据产品独特的双腔结构及散热需求，选取某型号国产双组分高导热系数有机硅灌封胶作为灌封材料，保证灌封胶固化后的导热性能并兼顾了优异的弹性、抗冲击性能及良好的返工性。通过灌封工装的设计及相关参数的验证，优化了灌封流程，提升了灌封效率。通过多次试验及关键工艺过程控制，获得了无气泡和凹陷等灌封缺陷的产品，满足灌封质量要求。关键词：国产化；电源模块；阶梯灌封；批量一致性中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0018-05Abstract:Taking a domestic 150 W high-power micro brick power module as the research object,the step potting process is introduced into this series of products,and a stable process scheme and potting parameters with batch consistency are obtained.According to the unique double cavity structure and heat dissipation requirements of the product,a domestic two-component high thermal conductivity silicone potting adhesive is selected as the potting material to ensure the thermal conductivity of the potting adhesive after curing,and take into account the excellent elasticity,impact resistance and good rework.Through the design of potting tooling and the verifi cation of relevant parameters,the potting process is optimized and the potting effi ciency is improved.Through many tests and key process control,the products without bubble,depression and other potting defects are obtained,which meet the quality requirements of the potting quality.Keywords:localization;power module;step potting;batch consistency Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0018-05国产150 W大功率微砖电源模块灌封工艺Research on Potting Process of Domestic 150 W High Power Micro Brick Power Module王同洋，刘园，周亚丽WANG Tongyang,LIU Yuan,ZHOU Yali（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072）(The 58th Research Institute of CETC,Wuxi 214072,China)0 引言DC-DC电源模块广泛用于电力电子、军工、科研、工控设备、通讯设备、仪器仪表、交换设备、接入设备、移动通讯、路由器等通信领域和工业控制、汽车电子、航空航天等领域。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，电源模块的应用越来越广泛。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，电源模块功率密度越来越大，转换效率越来越高，同时也提出了更高的散热需求。模块电源灌封工艺1-3，作为模块电源国产化替代中关键的一环，之所以重要，主要是由于涉及模块电源的防护及热设计4-7。如果防护与热设计欠佳，那么即便电路设计的再精密，器件整合的再紧凑都无法发挥最大的效率，甚作者简介：王同洋（1 9 9 1-），男，硕士，工程师，主要从事电装领域三防、点胶、灌封等相关工艺的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.005第44卷第1期19至会造成模块电源的损坏8。因此，本文以某型号国产化大功率电源模块为研究对象，开展对灌封工艺的研究。1 灌封材料选择1.1 产品结构设计及灌封需求分析定位该型号产品由注塑外壳、双面高密度集成电路板、铝合金6101散热盖板配合安装而成。考虑整个产品的热设计，根据整个产品的元器件总热耗约为15 W，分别对体积功率密度和热流密度进行计算，其体积功率密度为0.489 W/cm3,计算公式为：v=/V=15/（6.063.91.3）W/cm3=0.489 W/cm3 （1）式中：v为体积功率密度；为发热功率；V为体积。其热流密度为0.205 W/cm2，计算公式为：s=/A=15/2(6.063.9+3.91.3+6.061.3)W/cm2=0.205 W/cm2 （2）式中：s为热流密度；为发热功率；A为面积。可以看出热流密度远大于金属壳体自然空气冷却的最大热流密度0.08 W/cm2，体积功率密度又大于最大金属传导单位体积功率密度0.3 W/cm2。而双面高密度集成的电路板两侧均有大功率器件，因此需要在电路板底、上双侧进行灌封胶导热工艺处理，增加导热路径并减小导热热阻，满足发热元件散热需求。然而该产品独特的双腔结构及狭窄的灌封通道，给灌封工艺的实施提出了严峻的挑战。产品结构如图1所示。图1 某型号电源模块产品结构示意图1.2 灌封胶的选择灌封材料的选择是灌封工艺成败的关键，针对本系列产品独特的结构设计，产品须采用先固定后灌封的工艺，灌封胶选择原则为：1）结合大功率电源模块的散热需求，选用高导热性能的灌封胶；2）电路板双侧灌封，灌封通道狭小，选用黏度较低，流动性较好的灌封胶；3）固化后的灌封胶需要保持较好的弹性，能提升模块的抗冲击性能；4）避免进口材料安全隐患、质量风险等诸多问题，选用国产化灌封胶；5）可返工性能良好。常用灌封材料主要有环氧树脂、聚氨酯和有机硅凝胶三大类。环氧树脂刚性好，与元件的粘接性好，但耐温度冲击性能较差，固化时有一定的内应力，固化后可维修性差；聚氨酯弹性高、透明、硬度低，对各种材料有良好的粘接力，但该材料固化后气泡较多；有机硅凝胶固化时不吸热、不放热，固化后不收缩，具有优良的电气性能和化学稳定性。通过综合考虑上述要求，结合产品的特殊结构、耐受温度、固化时间等工艺需求，通过多次试验比较，选择了某型号国产双组分导热型有机硅灌封胶为灌封材料。该型号灌封胶混合后黏度介于5 0006 000 mPas之间，固化后导热系数1.5 W/(mK)、热膨胀系数210-4/K。固化后具有优异的弹性，抗冲击性能好，且具有良好的返工性，满足大功率电源模块的散热需求。2 灌封工艺试验及流程设计产品的结构设计、灌封材料的选择及灌封工艺的实施是灌封质量的核心三要素。该系列产品结构设计时在保证功能的前提下已经考虑灌封工艺的可实施性，并在产品外壳合适位置预留了合适尺寸的灌封孔，方便灌封操作及工装夹具的配合使用，同时内部产品通过电路板尺寸及形状的控制预留出尽量宽的灌封通道便于渗胶。当产品结构和灌封材料定型后，灌封工艺的设计、验证及实施便成为提升灌封质量的决定性因素。2.1 方案一（真空重力灌封）灌封工艺一般有真空和常压灌封两种工艺。真空重力灌封是一种在全程真空状态下，搭配非接触式灌封工装，利用灌封胶自身重力将灌封胶通过灌封孔注入模块内部的工艺技术。本方案进行了灌封胶液面高度、真空脱泡次数、脱泡时间、固化温度、固化时间等多组工艺参数的优化以及灌封工装的结构变更、灌封槽高度的调整、灌封孔位置的改变等多项调整。在最优参数下重复多次实验，灌封产品表面仍具有明显的气泡、且存在灌封充形不完整的现象，侧剖分析发现灌封胶内部也有大量灌封气泡未排出，灌封效果如图2（a）所示。究其原因，该类产品狭窄的灌封通道以及特殊的结构限制了重力灌封工艺的实施，灌封槽液面高度过低会导致灌封胶充形不足，模块无法灌满，灌封槽液面高度过高会导致真空脱泡困难，内部残留大量灌封气泡，无法保证灌封效果，二者相互矛盾。因此，真空重王同洋，等：国产1 5 0 W大功率微砖电源模块灌封工艺2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology20力灌封工艺无法满足该类产品灌封需求，需要进一步探索新工艺。2.2 方案二（真空灌封设备灌封）为了保证电源模块的灌封质量，进一步对专用真空灌封设备的灌封工艺进行了探索。通过真空值、灌封胶量、灌胶速度等多组数据的交叉验证发现，该系列的产品在针头注胶及真空卸载过程中灌封胶会沿管壳插针孔渗透且无法保证灌封胶的及时补充，导致模块底部出现灌封凹坑缺陷。通过多次验证，真空灌封设备灌封工艺也无法满足该系列电源模块灌封需求。真空灌封设备及灌封效果如图2（b）所示。（a）真空重力灌封效果图；（b）真空灌封设备灌封效果图；（c）常压阶梯灌封效果图图2 灌封效果示意图图3 常压阶梯灌封工艺流程图2.3 方案三（常压阶梯灌封）2.3.1 工艺方案结合产品结构特点及方案一和方案二的验证经验，将研究重点聚焦在灌封件表面缩孔、局部凹陷、侧剖气泡的解决上。灌封材料在固化过程中会产生两种收缩：由液态到固态过程的化学收缩；降温过程中的物理收缩。固化过程中的化学收缩又分为两个过程：从灌封后化学交联反应开始到微观网状结构初步形成阶段产生的收缩，称之为凝胶预固化收缩；从凝胶到完全固化阶段产生的收缩称之为固化收缩。这两个过程的收缩量是不同的，前者由液态转变成网状结构过程中物理状态发生突变，反应基团消耗量大于后者，体积收缩量也高于后者。如灌封试件采取一次高温固化，则固化过程中的两个阶段过于接近，凝胶固化和后固化几乎同时完成，这不仅会引起过高的放热峰，损坏元件，还会使灌封件产生巨大的内应力造成产品内部和外观的缺损。因此，在本方案中，采取了分段固化的方式，在每步灌封结束后均增加静置环节，保证了凝胶预固化阶段灌封材料固化反应缓慢进行，反应热逐渐释放，物料黏度增加和体积收缩平缓进行，基本消除该阶段体积收缩内应力，从而避免了一次性高温固化所导致的灌封缺陷的发生。通过进一步的流程设计及工艺优化进行了常压阶梯灌封工艺探究，获得了具有优异批量一致性、低空洞率的灌封工艺，满足了该系列产品的灌封质量需求。通过多次试验与分析固化了灌封工艺流程及操作方法，工艺流程图如图3所示，灌封效果图如图2（c）所示。2.3.2 关键工艺过程控制产品固定：首先将焊接好的电路板安装到塑料管壳内，点环氧树脂胶（DP760）固定电路板四角，放入烘箱中，固化温度605，固化时间1 h，然后取出模块固定到灌封工装内。配料：混合前A、B组分先分别用手动或机械进行充分搅拌，避免因为填料沉降而导致性能发生变化，搅拌时间10 min；用精度不低于0.1 g的电子秤，按1:1配比称量两组分放入干净的容器内搅拌均匀，误差3%。真空脱泡：将配置好的AB胶放入真空设备进行真空脱泡处理，真空排泡过程中，胶料在内部气体压力下，逐渐膨胀上升，此时继续抽真空，胶料内的气体会冲破胶层溢出，此时，应打开阀门，压力回升，使气泡破袋，胶液下沉。真空度为0.080.10 MPa，脱泡时间510 min。将脱泡完成的灌封胶倒入点胶管内，