新能源動(dòng)力電池組內(nèi)部導(dǎo)熱灌封膠分析

在動(dòng)力電池模塊、傳熱、減震、密封、焊點(diǎn)保護(hù)等內(nèi)，有一兩個(gè)地方可以使用膠水。本文從導(dǎo)熱灌封膠的角度，對(duì)環(huán)氧樹脂膠、硅橡膠、聚氨酯三種主要基材對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱膠性能和工藝方法進(jìn)行了梳理。

灌封膠是一個(gè)廣泛的名稱，主要用于電子元件的粘接、密封、灌封和涂層保護(hù)。目前，灌封膠，特別是硅膠，在動(dòng)力電池系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。

灌封膠材料可分為↓

1、環(huán)氧樹脂灌封膠：單組分環(huán)氧樹脂灌封膠、雙組分環(huán)氧樹脂灌封膠；

二、硅橡膠灌封膠：室溫硫化硅橡膠，雙組分加成硅橡膠灌封膠，雙組分縮合硅橡膠灌封膠；

三、聚氨酯灌封膠：雙組分聚氨酯灌封膠。

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三種主要灌封膠的比較

1.1優(yōu)缺點(diǎn)

1)硅橡膠

優(yōu)點(diǎn)：硅膠灌封膠固化后材料柔軟，有固體橡膠和硅膠兩種形式，可消除大部分機(jī)械應(yīng)力，發(fā)揮減震保護(hù)作用。物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高低溫性好，可在-50~200℃范圍內(nèi)長期工作。優(yōu)異的耐候性，在室外20年以上仍能起到很好的保護(hù)作用，不易變黃。優(yōu)異的電氣性能和絕緣能力，能有效提高內(nèi)部元件和線路之間的絕緣，提高電子元件的使用穩(wěn)定性。具有維修能力，可快速方便地取出密封件進(jìn)行維修和更換。

缺點(diǎn)：粘結(jié)性能稍差。

適用范圍：適用于在惡劣環(huán)境下灌封各種工作，以及高端精密/敏感電子設(shè)備。如LED、HIV顯示屏、光伏材料、二極管、半導(dǎo)體設(shè)備、繼電器、傳感器、汽車穩(wěn)定器、車載電腦ECU等，主要起絕緣、防潮、防塵、減震的作用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，有機(jī)硅橡膠無疑將成為敏感電路和電子設(shè)備灌封保護(hù)的更好的灌封材料。

2）環(huán)氧樹脂

優(yōu)點(diǎn)：環(huán)氧樹脂灌封膠多為硬性，少數(shù)改性環(huán)氧樹脂略軟。該材料的**優(yōu)點(diǎn)是對(duì)材料具有良好的附著力和絕緣性，固化物具有良好的耐酸堿性。環(huán)氧樹脂一般耐溫100℃。該材料可作為透明材料，具有良好的透光性。價(jià)格相對(duì)便宜。

缺點(diǎn)：耐冷熱變化能力弱，冷熱沖擊后容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致水蒸氣從裂縫滲入電子元件，防潮能力差；固化后膠體硬度高脆，機(jī)械應(yīng)力高，容易拉電子元件；環(huán)氧樹脂一旦密封固化，硬度高，產(chǎn)品為“終身”產(chǎn)品，不能更換元件；透明環(huán)氧樹脂材料一般耐候性差，在光照或高溫條件下容易發(fā)生黃變。

應(yīng)用范圍：一般用于LED、灌封變壓器、調(diào)節(jié)器、工業(yè)電子、繼電器、控制器、電源模塊等非精密電子設(shè)備。

3）聚氨酯

優(yōu)點(diǎn)：聚氨酯灌封膠具有優(yōu)異的耐低溫性能，材料稍軟，對(duì)一般灌封材料具有良好的附著力，附著力介于環(huán)氧樹脂和硅酮之間。具有良好的防水、防潮、絕緣性能。

缺點(diǎn)：耐高溫性差，易起泡，必須采用真空脫泡；固化后，膠體表面不光滑，韌性差，抗老化、抗震、紫外線弱，膠體易變色。

應(yīng)用范圍：一般用于低熱量電子元件的灌封。變壓器、抗流圈、轉(zhuǎn)換器、電容器、線圈、電感器、變阻器、線性發(fā)動(dòng)機(jī)、固定轉(zhuǎn)子、電路板、LED、泵等。

1.2性能縱向比較

成本：硅樹脂＞環(huán)氧樹脂＞聚氨酯；

注：硅樹脂縮合成本接近環(huán)氧樹脂，改性環(huán)氧樹脂也接近PU；

工藝：環(huán)氧樹脂＞有機(jī)硅樹脂＞聚氨酯；

注：由于其親水性，PU必須有真空干燥才能獲得更好的固化劑。如果沒有真空和干燥的成本太高，雖然熱溶膠是加熱和溶解澆注，但其可操作性比PU簡單得多；

電氣性能：環(huán)氧樹脂樹脂＞有機(jī)硅樹脂＞聚氨酯；

注：加入有機(jī)硅或石蠟等類型的熱溶膠，有些電氣特性甚至高于環(huán)氧樹脂，如表面電阻率；

耐熱性：硅樹脂＞環(huán)氧樹脂＞聚氨酯；

注：低價(jià)PU的耐熱性不比熱溶膠好多少；

耐寒性：硅樹脂＞聚氨酯＞環(huán)氧樹脂；

注：許多熱溶膠的低溫特性也很好，所以在很多情況下，環(huán)氧樹脂會(huì)排在**；

綜合比較表如下：

02 比較灌封工藝

2.1硅橡膠

硅橡膠能在較寬的溫度范圍內(nèi)長期保持彈性，硫化時(shí)不吸熱、不放熱，具有優(yōu)異的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是電子電氣組件灌封的**材料。室溫硫化(RTV)硅橡膠按硫化機(jī)理分為縮合型和加成型，按包裝形式分為單組分型和雙組分型。低分子物通常在硫化縮合硅橡膠時(shí)釋放。因此，灌封后應(yīng)放置一段時(shí)間，待低分子物盡可能揮發(fā)后方可使用。加成RTV硅橡膠具有優(yōu)異的電氣強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性、防水性、防潮性、防震性、無腐蝕性、無毒性、無味性，易于灌注，能深硫化，收縮率低，操作簡單，可在-65～長期使用200℃；但在使用過程中，應(yīng)注意不要與N一起使用、P和金屬有機(jī)鹽接觸，否則膠水不能硫化。

灌封工藝圖

根據(jù)電氣絕緣處理方法的不同，灌封工藝可分為模具成型和無模具成型；模具成型分為一般澆筑和真空澆筑。真空灌注通常用于其他條件相同的情況下。普通灌封工藝如下圖所示。

灌封中常見的問題

1)模具設(shè)計(jì)，硅橡膠是使用中的流體，為了防止橡膠到處泄漏，造成橡膠浪費(fèi)和環(huán)境污染，模具設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。模具設(shè)計(jì)一般應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：易于組裝、拆卸、脫模；緊密配合，防止橡膠泄漏；支撐底面平整，確保干燥過程中橡膠層厚度基本一致，便于控制密封高度。

2）氣泡與膠水混合后，不僅影響產(chǎn)品的外觀和質(zhì)量，而且影響產(chǎn)品的電氣性能和機(jī)械性能。對(duì)于硅橡膠，氣泡主要影響產(chǎn)品的電氣性能，因?yàn)樗哂辛己玫?abbr title="ren xing">韌性。

氣泡的主要原因是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的低分子或揮發(fā)性成分；機(jī)械攪拌引起的氣泡；填料未完全干燥引起的水分；原件之間的窄縫死角未填充，形成空穴。對(duì)于雙組分硅橡膠，橡膠混合時(shí)必須充分?jǐn)嚢?。真空排氣泡處理采?abbr title="zhen kong">真空干燥箱，可顯著提高膠層質(zhì)量，同時(shí)提**度和韌性。膠與電子設(shè)備的粘結(jié)，灌封材料使電子設(shè)備成為一個(gè)整體，從而提高電子設(shè)備的抗震能力。為提高其粘接強(qiáng)度，除選用粘接性能好的膠料外，還應(yīng)注意工件清洗、表面處理、脫模等。

2.2環(huán)氧樹脂

灌封工藝

環(huán)氧樹脂灌封有兩種工藝：正常灌封和真空灌封。下圖為手工真空灌封工藝。

1)需要密封的產(chǎn)品需要保持干燥和清潔。

2)混合前，首先在各自的容器中充分?jǐn)嚢鐰組分和B組分。

3)按重量比準(zhǔn)確稱量，混合后應(yīng)充分?jǐn)嚢杈鶆?，避免固化不完全?/p>

4）一般來說，20mm以下的成型成型后可自然脫泡。由于溫度高，固化速度加快或成型深度較深，可根據(jù)需要脫泡。此時(shí)，為了去除成型后表面和內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡，混合物應(yīng)放入真空容器中，在0.8mpa下至少5分鐘。

5）相應(yīng)的固化時(shí)間應(yīng)保持在固化前后技術(shù)參數(shù)表中給出的溫度以上。如果應(yīng)用厚度較厚，固化時(shí)間可能超過。室溫或加熱固化。膠水的固化速度受固化溫度的影響。冬季固化需要很長時(shí)間。建議采用加熱固化，80～100℃下固化15分鐘，室溫下固化約8小時(shí)。

6)固化過程中，請(qǐng)保持環(huán)境清潔，防止雜質(zhì)或灰塵落入未固化膠表面。

常見的灌封缺陷

1)設(shè)備表面縮孔、局部凹陷、開裂。灌封材料在加熱和固化過程中會(huì)產(chǎn)生兩種收縮：從液體到固體相變過程中的化學(xué)收縮和冷卻過程中的物理收縮。固化過程中的化學(xué)變化收縮有兩個(gè)過程：從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)到微網(wǎng)結(jié)構(gòu)初始形成階段的收縮，稱為凝膠預(yù)固化收縮；凝膠到完全固化階段的收縮稱為后固化收縮。這兩個(gè)過程的收縮量是不同的。前者在物理狀態(tài)從液體變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)生突變，反映基團(tuán)消耗大于后者，體積收縮高于后者。如果灌封試件采用高溫固化，則固化過程中的兩個(gè)階段過于接近，凝膠預(yù)固化和后固化幾乎同時(shí)完成，不僅會(huì)導(dǎo)致放熱峰值過高，損壞部件，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)外缺陷造成巨大的內(nèi)應(yīng)力。

2)固化物表面不良或局部不固化。主要原因是測(cè)量或混合裝置故障、生產(chǎn)人員操作失誤；A組分長期存放沉淀，使用前未充分?jǐn)嚢瑁瑢?dǎo)致樹脂與固化劑實(shí)際比例失衡；B組分長期存放，吸濕失效；高潮季節(jié)灌封未及時(shí)進(jìn)入固化程序，物體表面吸濕。總之，要想獲得好的灌封產(chǎn)品，灌封和固化工藝確實(shí)是一個(gè)值得高度重視的問題。

2.3聚氨酯

灌封工藝

表面處理：表面處理不良，會(huì)導(dǎo)致灌封件吸水性小，不需要表面處理金屬灌封件需要表面處理。灌封件一般在24-48h內(nèi)進(jìn)行表面處理。

除水:被灌封件會(huì)吸收空氣中的水分，需要干燥除水?？稍?0~10℃加熱10min至幾個(gè)小時(shí)。這取決于灌封件的吸水量和除水難度。

預(yù)熱:B預(yù)熱50-60℃;將A料預(yù)熱至30℃抽泡:將A料和B料按計(jì)量重量比放入可抽真空的封閉容器中，攪拌真空1-5分鐘，真空度小于20mm汞柱。停止攪拌。

澆注：朝一個(gè)方向澆注，并盡量減少搖晃。固化溫度和時(shí)間：選擇合適的固化溫度和時(shí)間。室溫至10℃3-24h固化，根據(jù)室溫固化反應(yīng)的固化速度，通常需要1~2周才能完全固化，一般硬度在一周內(nèi)趨于穩(wěn)定。

上述混合溫度和固化溫度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。混合溫度應(yīng)保證反應(yīng)物的透明度或半透明度，以保持均勻。固化溫度應(yīng)確保反應(yīng)物完全接近相和反應(yīng)。

03 導(dǎo)熱灌封膠選型注意事項(xiàng)

1)導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)為W/mK，橫截面積為1平方米的柱沿軸向1米間隔的溫差為1開爾文（K=℃ 273.15)熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，材料的熱通過速度越快，導(dǎo)熱性越好。導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，其基本原因是不同物質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)制不同。正常情況下，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)**，其次是非金屬和液體，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。銀的導(dǎo)熱系數(shù)為420，銅為383，鋁為204，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58。目前主流導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)大于1W/mK，**的可達(dá)6W/mk以上。

2)粘度，粘度是流體粘度的一種測(cè)量，是指流體外部抵抗活動(dòng)的阻力，以剪切應(yīng)力與剪切速率的比率，粘度測(cè)量方法，如能源粘度單元為泊位(poise)或者帕。秒。導(dǎo)熱膠具有良好的鋪裝性能，在一定的壓力下很容易鋪設(shè)到芯片名稱周圍，并確保一定的粘度，以防止擠壓后多余的膠水溢出。

3）介電常數(shù)和介電常數(shù)用于權(quán)衡絕緣體儲(chǔ)存電能的功能，是指兩塊金屬板以絕緣數(shù)據(jù)為介質(zhì)時(shí)的電容量與兩塊板以氛圍為介質(zhì)或真空時(shí)相同的電容量之比。介電常數(shù)代表電介質(zhì)的極化水平，即對(duì)電荷的約束能力。介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的約束能力越強(qiáng)。

4)工作溫度范圍，由于導(dǎo)熱膠本身的特點(diǎn)，其任務(wù)溫度規(guī)模非常廣。工作溫度是保證導(dǎo)熱硅膠處于固體或液體中的主要參數(shù)。溫度過高，導(dǎo)熱膠體積膨脹，分子間隔拉長，相互影響減弱，粘度下降；溫度下降，流體積縮小，分子間隔縮小，相互影響增強(qiáng)，粘度回升，不利于散熱。如果承受100℃左右，可以使用環(huán)氧樹脂和聚氨酯，有機(jī)硅可以承受-60℃～高低溫200℃；耐冷熱變化，有機(jī)硅**，其次是聚氨酯，環(huán)氧樹脂最差。

5)其他考慮因素，如組件承受內(nèi)應(yīng)力、室外使用或室內(nèi)使用、應(yīng)力、是否需要阻燃、顏色要求、手動(dòng)或自動(dòng)灌封等。

04 灌封材料性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

灌封材料性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下表所示：