摘 要：介绍了某高压模块产品灌封工艺技术。该高压模块主要由多级倍压整流电路组成，要求具有良好的绝缘、抗振及三防特性，因此采用一体化（即模具作为结构支撑件）的灌封结构设计，以实现小型化、模块化。针对高压模块的灌封要求，选用合适的灌封材料；并针对灌封中出现的问题，通过原因分析找相应问题的解决办法，然后对高压模块灌封工艺进行改进。根据几批次高压模块的试验结果，该灌封工艺技术满足模块的设计要求。
关键词：模块化；灌封材料；真空脱泡 ；高温固化
随着现代电子技术和新材料技术的发展，高压电源在航天和军用产品中的广泛运用，对高压电源的要求也越来越高。不仅要求高功率、低纹波、高效率、电磁兼容性等，而且要求其可靠性高、体积小、质量轻[1]。通过对高压模块在真空条件下用有机硅凝胶进行灌封，最终固化成型，实现小型化、模块化，是提高绝缘、抗振及三防特性的关键技术[2]。
1 高压模块结构设计
1.1 模块化设计
高压模块输入电压20 kV，输出电压200 kV，由高压倍压整流组件、高压取样组件和输出限流组件组成。为了满足小型化设计要求，高压模块采用紧凑结构设计。高压模块内部结构如图1所示。
1.2 一体化灌封
高压模块采用一体化灌封，模具采用圆柱型结构，将倍压整流组件、高压取样组件垂直安装在模具内部底板上，限流保护组件装在模具顶部的圆环内，并将输入电压、高压取样信号线从模具底部引出，输出高压从模具顶部圆心位置引出，高压模块选用液体灌封材料灌封，灌封时将灌封材料从模具顶部倒入，灌封高度为500 mm。固化后形成一个整体，模具作为结构支撑件，便于安装和调试。高压模块采用的元件成本很高，若灌封失败会造成很大的经济损失。选择合适的灌封材料以及正确的灌封工艺是产品满足设计要求的关键[3]。
2 灌封材料选择
2.1 对灌封材料的要求
（1）高压模块工作电压高，内部元件间距小。要求灌封材料绝缘强度（介电强度、击穿电压）高，击穿强度大于15 MV/m；（2）为了满足环境适应性，要求灌封材料线膨胀系数小，灌封后收缩率小，具有良好的机械性能，工作温度范围宽（-60～70 ℃）；（3）高压模块在试验中如有损坏，需要进行检修和观察，需要具有一定的透明度，并且容易拆卸；（4）灌封材料在反应过程中不产生有害物质，避免对人体造成伤害。
2.2 灌封材料的选择
灌封材料是灌封技术的基础，熟悉灌封材料的性能并选择合适的灌封材料是灌封工艺成败的关键[4]。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，但该材料有毒，对人体健康有危害；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[5]。有机硅凝胶能满足高压模块对灌封材料的要求，经过多次试验检验，选择GN-521型有机硅凝胶作为高压模块的灌封材料。
2.3 灌封材料的特性
GN-521型有机硅凝胶是双组份加成型，主要由甲基含氢硅油（M组份）和含有催化剂的甲基乙烯硅油（N组份）组成，这种硅凝胶可在-65～200 ℃温度范围内长期保持弹性，并且具有优良的电气性能和化学稳定性[6]，GN-521型有机硅凝胶主要性能指标见表1。
2.4 灌封材料操作方法
（1）混合前，首先把M组份和N组份在各自的容器内充分搅拌均匀；（2）混合时，应遵守m(M组份)∶m(N组份)等于1:1；（3）把M、 N混合液搅拌均匀后，放入真空容器中将材料中的气泡排出来，然后对欲灌封件进行灌封；（4）加成型有机硅凝胶在使用时、固化前后，应保持技术参数中给出的温度，保持相应的固化时间。
3 工艺流程及关键工艺改进
3.1 组装工艺流程
模块组装工艺流程，如图2所示：
3.2 灌封工艺流程
为了提高高压模块的灌封质量，保证灌封的高压模块的一致性。最初采用的灌封工艺流程图，如图3所示。
3.3 灌封过程中出现的问题及原因分析
3.3.1 高压模块存在表面固化不良或局部不固化现象
从工艺上分析，可能产生的原因：
（1）灌封材料配比错误或混合不均导致；
（2）在灌封过程中有杂质、水分、化学试剂混入；
（3）灌封材料长时间存放，出现沉淀或者超出使用期限。
具体原因分析和解决办法：高压模块采用一体化灌封，灌封单个模块需要5 kg硅凝胶，灌封用料大，市场上没有合适的灌封设备，采用配比然后和胶的方式，容易出现混合不均。采用控制M组份和N组份配比流量，配比和和胶同时进行，可提高灌封材料的混合均匀度；采用自动配比、和胶设备，可以避免灌封材料接触到氮、硫、磷等化合物。
3.3.2 高压模块底部存在大量的气泡
从工艺上分析，可能产生的原因：
（1）真空脱泡方式不合适；
（2）灌封时灌封材料的流动性不好。
具体原因分析和解决办法如下。
（1）高压模块采用一体化灌封真空脱泡，灌封深度大。灌封材料底部的气泡上升时所受的摩擦阻力和差压阻力之和大。即使提高真空度条件下，气泡也不能完全脱出来，尤其是元件引脚处、底面的气泡，长时间真空脱泡，容易错过最佳操作时间，导致胶的流动性变差。采用灌封然后真空脱泡交替进行，减小真空脱泡时灌封材料的高度，从而减小灌封材料中气泡受到的压力，增加了脱泡空间，提高脱泡效率。
（2）有机硅凝胶的流动性与温度有关系，通过恒温控制系统使灌封过程中环境温度保持25～30 ℃，实现流动性最佳。
3.3.3 真空脱泡过程中灌封材料容易溢出
从工艺上分析，可能产生的原因：
（1）真空脱泡设备不合适；
（2）真空脱泡方式不合适。
具体原因分析和解决办法：灌封材料在混合的过程中会产生大量的气泡。如果不进行真空脱泡处理，不仅影响产品的电性能和机械性能，而且影响产品的外观。灌封材料在真空脱泡的过程中，气泡在上升到表面的过程中，体积由小到大最后气泡破裂，放出其中的空气。上升的过程中灌封材料的体积会增大数倍，为了防止胶溢出，需要采取抽真空、放气操作。真空脱泡过程中，需要频繁快速放气操作，容易失误导致硅凝胶溢出，使灌封失败，造成浪费。采用接近传感器检测灌封材料位置，实现无接触检测，控制抽真空、放气操作，避免灌封材料溢出。
3.3.4 高压模块固化时间长
从工艺上分析，可能产生的原因：
（1）灌封环境温度低；
（2）灌封材料质量大、深度深。
具体原因分析和解决办法：有机硅凝胶的固化速度受固化温度、质量厚度影响，高压模块灌封质量大、深度深，冬天环境温度低，高压模块完全固化时间大于72 h。采用提高固化温度可以减少固化时间，将高压模块置于恒温箱，设置温度60 ℃，烘烤8 h，取出放置到真空箱，固化12 h，高压模块完全固化时间小于20 h，而且可以避免高压模块固化过程中吸收空气中的水分或杂质，导致高压模块表面不完全固化，影响绝缘。
3.4 灌封工艺改进
针对高压模块的结构和使用要求，以及GN-521型有机硅凝胶的特性，对高压模块真空灌封中出现的问题，进行了原因分析和灌封工艺改进，最终保证了产品灌封质量和一致性。新灌封工艺流程如图4所示。
采用改进后的灌封工艺对高压模块进行一体化灌封，灌封完成的高压模块，顺利通过加电试验、振动冲击、高低温存储、温度冲击和盐雾霉菌等试验。
4 结束语
介绍了一种高压模块产品的一体化灌封工艺技术。根据几批次高压模块的试验结果，该灌封工艺技术满足模块的设计要求。
参考文献：
[1]孙曼灵. 环氧树脂应有原理与技术[M]. 北京：机械工业出版社，2002.
[2]刘玉云，朱俊. 干式高压电源小型化及灌封技术[J]. 电子机械工程，2012，28（1）：38-40。
[3]廖明惠. 灌封材料在航天产品中的应用[J]. 宇航材料工艺，1995（3）：50.
[4]赵怀东，刘文静. 有机硅凝胶在灌封技术中的应用[J]. 航天制造技术，2002（2）：12-15.
[5]罗刚. 电子器件灌封材料的现状及发展趋势[J]. 实验科学与技术，2010，8（3）：20-22.
[6]高华. 灌封技术在电子产品中的应用[J]. 电子工艺技术，2003，24（6）：257-259.
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