导热灌封胶应用于电源模块灌封的性能及可靠性评估研究

摘要：基于电源模块热传递基本理论，采用市售几类导热灌封胶对电源模块进行整体灌封，然后结合试验验证，研究整体灌封后电源模块的老化寿命、温升对比、收缩率、电气性能、线胀系数、阻燃性、防水性等性能，探索整体灌封工艺在电源模块上的应用。结果表明：采用导热灌封胶对电源模块进行整体灌封，可降低电源模块器件与外壳间的热阻，提高了电源模块系统的导热性及安全运行的可靠性，灌封后的电源模块可通过严格的电气性能、阻燃性能与防水性能设计标准。

关键词：电源模块；导热灌封胶；可靠性

0 引言

电子产品正朝着小型化与多功能化方向快速发展，产品所采用的电源模块也随着产品整体的设计而变得功率越来越大及体积越来越小。为适应市场需求的发展，大功率小体积的电源模块基本上为内部采用高导热灌封胶进行灌封的标准砖结构。这类封装模块电源功率大、效率高、体积小，为此电源内部所用的变压器没有采用传统的轴向绕线式变压器，而是采用PCB上绕组再结合磁性器件粘接的平面变压器，这种PCB板级变压器具有体积小、功耗低、高频性能好和散热可靠的特点。本文针对本单位产线上标准砖式电源模块选用不同灌封材料进行灌封后的可靠性、电气性、阻燃性及防水性等综合评价方法进行了系统研究。

传导传热、对流传热和辐射传热3种基本传热方式在工程上共同存在，相互作用，在灌封电源模块的不同部位和传热环节中起主导作用的传热方式是不同的。随着电源模块绝缘系统综合导热系数的提高，电源模块的温升逐渐下降，但下降趋势会逐渐趋缓。综合导热系数的提高必然会增加材料和工艺成本，所以在实际应用中，应从材料成本、工艺性和温升降低效果上考虑，综合选择导热系数合适的灌封绝缘系统。黏度、耐热性和热导率是选择导热胶重要的参考指标。灌封胶会因为黏度太高而流动性变差，难以脱泡，易导致电源模块内填充不充分，而黏度太低又会致使填料沉降速率过快，造成内部性能的不均匀。对于灌封材料的耐热性和导热性必然是越高越好，但是越高意味着填料含量越高，又会使灌封材料的黏度升高，因此需要综合考虑选择。

1 主要试验装备与材料

1.1 主要试验装备

真空脱泡机、烘箱、材料力学性能测试机、旋转粘度计、体积电阻率测试仪、导热系数测试仪、线性膨胀系数测定仪、差示扫描量热仪。

1.2 主要材料及其性能参数

本研究选用了适用于电源模块灌封的四种型号的导热灌封胶（PD6532导热灌封胶、SVP311导热灌封胶、FSW232导热灌封胶、纽维S1001普通型导热灌封胶）进行试验研究，其性能参数如下表1所示，材料的选择主要关注导热率及黏度数据。从成本与效果综合考虑来看，导热率0.5-0.8W/(m·K)为比较合适的范围。过高的导热率虽然利于散热，但通常情况下导热率与价格成正比关系，导热率越高价格越高；并且高导热率是靠导热填料的高填充比来实现的，大量填充导热填料会造成灌封胶的黏度过高，不利于渗进缝隙中，未填满胶的缝隙反而造成灌封结构整体导热率下降。

2 灌封后的性能及可靠性评估研究

2.1 灌封胶的实验老化寿命

按标准制作老化试验样条，在250 ℃下进行单点热老化试验。选择拉伸强度作为判定标准，将性能衰减50%作为老化终点，老化数据如表2所示。

所选用的四种常用电源模块灌封胶均为有机硅导热灌封胶，有机硅作为基体树脂具有良好的耐老化性能。但不同的有机硅灌封材料耐老化性能的差异主要源于树脂分子结构的差异、填料与树脂表界面的相容性、助剂的种类、填料的种类、灌封材料固化程度等因素。

2.2 温升对比试验

实验采用四个完全相同的开关电源，采用同样的工艺流程进行灌封。温度测试采用在发热器件处埋入高精度热敏电阻的方式进行。将热敏电阻用PI胶带粘贴在测试位置，引出测试端，通过测量热敏电阻的阻值变化来检测灌封体内温度的变化，每10分钟进行一次温度采样，到温度平衡时试验结束。温升对比试验数据如表3所示。温升试验中温升速率和平衡温度为重要的参考指标，速率与平衡温度越低表明灌封材料的导热性能越好，越不会造成温度在电源内部的积聚，从测试数据中可以看出S1001灌封胶的导热性能相对较好。

2.3 电气性能测试

电气性能主要为灌封材料的表面电阻率、体积电阻率、介电常数、介质损耗角正切值、介电强度等指标，良好的电气性能对电源模块长期使用的可靠性具有重要的意义，实验所选用的几种灌封材料的电气性能如表4所示。

2.4 线胀系数测试

理想的灌封材料要与电子器件的材料在使用温度范围内具有相近的线胀系数，如果线胀系数不匹配会形成内应力，长期内应力的积聚极易造成灌封材料的开裂及电子器件的损坏。因此，线胀系数是灌封材料一个非常重要的指标，影响着电源模块的长期可靠性运行。实验所选用的几种灌封材料在20-120℃范围内的线胀系数数据如表5所示。PD6532与SVP311导热灌封胶的线胀系数同生产电子元件的覆铜层压板与紫铜的线胀系数差异较大，用其灌封的电源模块容易在长期使用过程中发生开裂情况，S1001与FSW232两种材料与电子器件材料的线胀系数匹配度较高。

2.5 阻燃性测试

电源模块在使用过程中往往伴随发热量大，尤其对于高功率小体积型电源模块。为避免发热量大酿成的火灾风险，需要灌封材料具有阻燃性。对于有机聚合物材料常选用UL94可燃性试验标准进行测试。实验所选用的几种灌封材料阻燃性数据如表6所示。四种材料均具有优秀的阻燃性能，均达到了V-0级别。

2.6 防水性测试

尤其对于户外使用的电源模块，格外要求具有良好的防水性，另外随着电子产品对长期可靠性的要求越来越高，通过灌封来实现防水防潮也越来越被行业内采用。对于防水性测试是将四种灌封材料分别灌封四个电源模块，80℃固化成型，每个电源模块连接一个LED灯，将电源模块放入0.5米深的水池中，点亮各自的LED灯，48小时后考察LED灯是否还能正常工作，如果还能常亮则防水性达到要求，如要不能点亮或短路则示为防水性不合格。防水性测试数据如表7所示。S1001导热灌封胶、SVP311导热灌封胶与FSW232导热灌封胶均为合格，具有良好的防水性能。

3 结论

本文通过一系列的评价方法对电源模块灌封后的性能进行了系统性评估，研究了整体灌封后电源模块的老化寿命、温升对比、电气性能、线胀系数、阻燃性、防水性等，探索整体灌封工艺在电源模块上的应用。采用导热灌封胶对电源模块进行整体灌封，可降低电源模块器件与外壳间的热阻，提高了电源模块系统的导热性及安全运行的可靠性，四种灌封材料中纽维S1001普通型导热灌封胶具有相对较好的综合性能。灌封后的电源模块可通过严格的电气性能、阻燃性能与防水性能的设计要求。该研究可以为建立灌封式电源模块综合评价方法提供有意义的参考。