動(dòng)力電池組內(nèi)部導(dǎo)熱灌封膠超全解析
動(dòng)力電池組內(nèi)部導(dǎo)熱灌封膠
動(dòng)力電池模組內(nèi)部，傳熱、減震、密封、焊點(diǎn)保護(hù)等等，應(yīng)用膠的地方不止一兩處，本文從導(dǎo)熱灌封膠的角度，整理環(huán)氧樹脂膠、硅橡膠、聚氨酯三種主要基材對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱膠性質(zhì)和工藝方法。
三種主要灌封膠的比較
優(yōu)缺點(diǎn)
1）有機(jī)硅橡膠
優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)硅灌封膠固化后材質(zhì)較軟，有固體橡膠和硅凝膠兩種形態(tài)，能夠消除大多數(shù)的機(jī)械應(yīng)力并起到減震保護(hù)效果。物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具備較好的耐高低溫性，可在-50~200℃范圍內(nèi)長期工作。優(yōu)異的耐候性，在室外長達(dá)20年以上仍能起到較好的保護(hù)作用，而且不易黃變。優(yōu)異的電氣性能和絕緣能力，灌封后有效提高內(nèi)部元件以及線路之間的絕緣，提高電子元器件的使用穩(wěn)定性。具有的返修能力，可快捷方便的將密封后的元器件取出修理和更換。
缺點(diǎn)：粘結(jié)性能稍差。
應(yīng)用范圍：適合灌封各種在惡劣環(huán)境下工作以及高端精密/敏感電子器件。如LED、顯示屏、光伏材料、二極管、半導(dǎo)體器件、繼電器、傳感器、汽車安定器HIV、車載電腦ECU等，主要起絕緣、防潮、防塵、減震作用。隨著電子科技的大跨步式發(fā)展，由于具備諸多優(yōu)異性能，有機(jī)硅橡膠將無疑成為敏感電路和電子器件灌封保護(hù)的較佳灌封材料。
2）環(huán)氧樹脂
優(yōu)點(diǎn)：環(huán)氧樹脂灌封膠多為硬性，也有極少部分改性環(huán)氧樹脂稍軟。該材質(zhì)的較大優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)材質(zhì)的粘接力較好以及較好的絕緣性，固化物耐酸堿性能好。環(huán)氧樹脂一般耐溫100℃。材質(zhì)可作為透明性材料，具有較好的透光性。價(jià)格相對(duì)便宜。
缺點(diǎn)：抗冷熱變化能力弱，受到冷熱沖擊后容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致水汽從裂縫中滲人到電子元器件內(nèi)，防潮能力差；固化后膠體硬度較高且較脆，較高的機(jī)械應(yīng)力易拉傷電子元器件；環(huán)氧樹脂一經(jīng)灌封固化后由于較高的硬度無法打開，因此產(chǎn)品為“終身”產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)元器件的更換；透明用環(huán)氧樹脂材料一般耐候性較差，光照或高溫條件下易產(chǎn)生黃變。
應(yīng)用范圍：一般用于LED、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器件的灌封。
3）聚氨酯
優(yōu)點(diǎn)：聚氨酯灌封膠具有較為優(yōu)異的耐低溫性能，材質(zhì)稍軟，對(duì)一般灌封材質(zhì)均具備較好的粘結(jié)性，粘結(jié)力介于環(huán)氧樹脂及有機(jī)硅之間。具備較好的防水防潮、絕緣性。
缺點(diǎn)：耐高溫能力差且容易起泡，必須采用真空脫泡；固化后膠體表面不平滑且韌性較差，抗老化能力、抗震和紫外線都很弱、膠體容易變色。
應(yīng)用范圍：一般應(yīng)用于發(fā)熱量不高的電子元器件的灌封。變壓器、抗流圈、轉(zhuǎn)換器、電容器、線圈、電感器、變阻器、線形發(fā)動(dòng)機(jī)、固定轉(zhuǎn)子、電路板、LED、泵等。
性能縱向?qū)Ρ?/strong>
成本：有機(jī)硅樹脂＞環(huán)氧樹脂＞聚氨酯；
注：在有機(jī)硅樹脂中縮合型的成本接近了環(huán)氧樹脂，而改性后的環(huán)氧樹脂也接近了PU；
工藝性：環(huán)氧樹脂＞有機(jī)硅樹脂＞聚氨酯；
注：PU因?yàn)槠溆H水性，必須有真空干燥才能得到比較好的固化物，如無需真空和干燥的成本又實(shí)在太高，所以熱溶膠雖然是加熱溶解澆注，但總體來看其可操作性還是比PU的簡(jiǎn)單的多；
電氣性能：環(huán)氧樹脂樹脂＞有機(jī)硅樹脂＞聚氨酯；
注：加成型的有機(jī)硅或者是石蠟等類型的熱溶膠，有的電氣特性甚至比環(huán)氧的還要高，例如表面電阻率；
耐熱性：有機(jī)硅樹脂＞環(huán)氧樹脂＞聚氨酯；
注：低廉價(jià)格的PU其耐熱比熱溶膠好不了多少；
耐寒性：有機(jī)硅樹脂＞聚氨酯＞環(huán)氧樹脂；
注：很多熱溶膠的低溫特性其實(shí)也是非常不錯(cuò)的，所以在很多時(shí)候，環(huán)氧是要排在最后的了；
綜合對(duì)比表格如下：
表格來源：動(dòng)力電池技術(shù)
灌封工藝比較
硅橡膠
硅橡膠可在很寬的溫度范圍內(nèi)長期保持彈性, 硫化時(shí)不吸熱、不放熱, 并具有優(yōu)良的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性能, 是電子電氣組裝件灌封的首選材料。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。縮合型硅橡膠硫化時(shí)通常會(huì)放出低分子物。因此, 在灌封后應(yīng)放置一段時(shí)間, 待低分子物盡量揮發(fā)后方可使用。加成型RTV 硅橡膠具有優(yōu)良的電氣強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性, 耐候、防水、防潮、防震、無腐蝕且無毒、無味, 易于灌注、能深部硫化, 收縮率低、操作簡(jiǎn)單, 能在-65 ～ 200 ℃下長期使用;但在使用過程中應(yīng)注意不要與N 、P 以及金屬有機(jī)鹽等接觸, 否則膠料不能硫化。
灌封工藝流程圖
灌封工藝按電器絕緣處理方式不同, 可以分為模具成型和無模具成型兩種 ;模具成型又分為一般澆注和真空灌注兩種。在其它條件相同時(shí)一般采用真空灌注。普通的灌封工藝流程如下圖所示。
表格來源：動(dòng)力電池技術(shù)
灌封中常見的問題
1）模具設(shè)計(jì)，硅橡膠在使用時(shí)是流體, 為了不使膠料到處漏流, 造成膠料浪費(fèi)和污染環(huán)境, 模具的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。模具設(shè)計(jì)一般要做到以下幾點(diǎn):便于組裝, 拆卸, 脫模;配合嚴(yán)密, 防止膠料泄漏；支撐底面平整, 以保證干燥過程中膠層各部分厚度基本一致, 便于控制灌封高度。
2）氣泡，膠料中混入氣泡后, 不僅影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量, 更重要的是影響產(chǎn)品的電氣性能和機(jī)械性能。對(duì)于硅橡膠, 由于韌性好, 氣泡主要影響產(chǎn)品的電性能。
產(chǎn)生氣泡的原因主要是:反應(yīng)過程中產(chǎn)生的低分子物或揮發(fā)性組分;機(jī)械攪拌帶入的氣泡;填料未徹底干燥而帶入的潮氣；原件之間的窄縫死角未被填充而成空穴。對(duì)于雙組分硅橡膠 , 膠料混合時(shí)必須充分?jǐn)嚢琛?strong>采用真空干燥箱進(jìn)行真空排氣泡處理, 可使膠層質(zhì)量明顯提高, 且強(qiáng)度、韌性同時(shí)提高。膠料與電子器件的粘結(jié)性，灌封料使電子器件成為一個(gè)整體, 從而提高電子器件的抗震能力。要提高其粘接強(qiáng)度, 除選擇粘接性能好的膠料外, 還應(yīng)注意操作過程中的工件清洗、表面處理及脫模等。
環(huán)氧樹脂
灌封工藝
環(huán)氧樹脂灌封有常態(tài)和真空兩種工藝。下圖為手工真空灌封工藝流程。1）要灌封的產(chǎn)品需要保持干燥、清潔。2）混合前，首先把A組分和B組分在各自的容器內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/span>3）按重量配比準(zhǔn)確稱量，配比混合后需充分?jǐn)嚢杈鶆?，以避免固化不完全?/span>4）一般而言，20mm以下的模壓可以模壓后自然脫泡，因?yàn)闇囟雀咴斐晒袒俣燃涌旎蚰荷疃容^深，所以可根據(jù)需要進(jìn)行脫泡。這時(shí)為了除去模壓后表面和內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡，應(yīng)把混合液放入真空容器中，在0.8MPa下至少脫泡5分鐘。5）應(yīng)在固化前后技術(shù)參數(shù)表中給出的溫度之上，保持相應(yīng)的固化時(shí)間，如果應(yīng)用厚度較厚，固化時(shí)間可能會(huì)超過。室溫或加熱固化均可。膠的固化速度受固化溫度的影響，在冬季需很長時(shí)間才能固化，建議采用加熱方式固化，80～100℃下固化15分鐘，室溫條件下一般需8小時(shí)左右固化。6）固化過程中，請(qǐng)保持環(huán)境干凈，以免雜質(zhì)或塵土落入未固化的膠液表面。
表格來源：動(dòng)力電池技術(shù)
灌封常見缺陷
1）器件表面縮孔、局部凹陷、開裂。灌封料在加熱固化過程中會(huì)產(chǎn)生兩種收縮：由液態(tài)到固態(tài)相變過程中的化學(xué)收縮和降溫過程中的物理收縮。固化過程中的化學(xué)變化收縮又有兩個(gè)過程：從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)開始到微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)初步形成階段產(chǎn)生的收縮，稱之為凝膠預(yù)固化收縮；從凝膠到完全固化階段產(chǎn)生的收縮我們稱之為后固化收縮。這兩個(gè)過程的收縮量是不一樣的，前者由液態(tài)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過程中物理狀態(tài)發(fā)生突變，反應(yīng)基團(tuán)消耗量大于后者，體積收縮量也高于后者。如灌封試件采取一次高溫固化，則固化過程中的兩個(gè)階段過于接近，凝膠預(yù)固化和后固化近乎同時(shí)完成，這不僅會(huì)引起過高的放熱峰、損壞元件，還會(huì)使灌封件產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力造成產(chǎn)品內(nèi)部和外觀的缺損。為獲得良好的制件，必須在灌封料配方設(shè)計(jì)和固化工藝制定時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注灌封料的固化速度與固化條件的匹配問題。通常采用的方法是依照灌封料的性質(zhì)、用途按不同溫區(qū)分段固化。在凝膠預(yù)固化溫區(qū)段灌封料固化反應(yīng)緩慢進(jìn)行、反應(yīng)熱逐漸釋放，物料黏度增加和體積收縮平緩進(jìn)行。此階段物料處于流態(tài)，則體積收縮表現(xiàn)為液面下降直至凝膠，可完全消除該階段體積收縮內(nèi)應(yīng)力。從凝膠預(yù)固化到后固化階段升溫應(yīng)平緩，固化完畢灌封件應(yīng)隨加熱設(shè)備同步緩慢降溫，多方面減少、調(diào)節(jié)制件內(nèi)應(yīng)力分布狀況，可避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開裂現(xiàn)象。對(duì)灌封料固化條件的制訂，還要參照灌封器件內(nèi)元件的排布、飽滿程度及制件大小、形狀、單只灌封量等。對(duì)單只灌封量較大而封埋元件較少的，適當(dāng)?shù)亟档湍z預(yù)固化溫度并延長時(shí)間是完全必要的。2）固化物表面不良或局部不固化。其主要原因是計(jì)量或混合裝置失靈、生產(chǎn)人員操作失誤；A組分長時(shí)間存放出現(xiàn)沉淀，用前未能充分?jǐn)嚢杈鶆颍斐蓸渲凸袒瘎?shí)際比例失調(diào)；B組分長時(shí)間敞口存放、吸濕失效；高潮濕季節(jié)灌封件未及時(shí)進(jìn)入固化程序，物件表面吸濕?？傊?，要獲得一個(gè)良好的灌封產(chǎn)品，灌封及固化工藝的確是一個(gè)值得高度重視的問題。
聚氨酯
灌封工藝
表面處理：表面處理不好, 會(huì)導(dǎo)致灌封件脫粘有的灌封件吸水性小, 不需表面處理金屬灌封件需表面處理。灌封件經(jīng)表面處理后一般要在24-48 h 之內(nèi)進(jìn)行灌封。除水：被灌封件會(huì)吸附空氣中水分, 需烘干除水?？?0 ~ 10 ?！?加熱10 m in 至幾小時(shí)除水。視灌封件吸水多少和除水難易而定。預(yù)熱：B 料預(yù)熱至50-60 ℃ ; A 料預(yù)熱至30 ℃抽泡：將A 料、B 料按計(jì)量重量比放入一可抽真空的密閉容器內(nèi)邊攪抽真空1-5 分鐘, 真空度低于20 mm汞柱。停止攪拌。澆注：沿一個(gè)方向澆注, 并盡量減少晃動(dòng)。固化溫度和時(shí)間：要選擇合適的固化溫度和時(shí)間。室溫至10 ℃ 3-24 h 固化，視固化快慢而定對(duì)于室溫固化的反應(yīng)物, 常常需要1~ 2 周才能固化完全灌封材料固化好后一般一周之內(nèi)硬度才能趨于穩(wěn)定。上述混合溫度和固化溫度可根據(jù)需求做調(diào)整。混合溫度要保證反應(yīng)物透明或半透明, 使處于均相。固化溫度要保證反應(yīng)物不分相和反應(yīng)接近完全。
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)的單位為W/m.K，表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米間隔的溫差為1開爾文（K=℃+273.15）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，表明該材料的熱通過速率越快，導(dǎo)熱機(jī)能越好。導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，其基本起因在于不同物質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)理存在著差別。正常而言，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬和液體次之，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。現(xiàn)在主流導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m.K，優(yōu)良的可到達(dá)6W/m.K以上。
2）粘度，粘度是流體粘滯性的一種量度，指流體外部抵御活動(dòng)的阻力，用對(duì)流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之比表現(xiàn)，粘度的測(cè)定辦法，表現(xiàn)辦法許多，如能源粘度的單元為泊(poise)或帕.秒。導(dǎo)熱膠擁有很好的平鋪性，能夠輕易地在必定壓力下平鋪到芯片名義四周，并且保障必定的粘滯性，不至于在擠壓后多余的膠水溢出。
3）介電常數(shù)，介電常數(shù)用于權(quán)衡絕緣體貯存電能的機(jī)能，指兩塊金屬板之間以絕緣資料為介質(zhì)時(shí)的電容量與同樣的兩塊板之間以氛圍為介質(zhì)或真空時(shí)的電容量之比。介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化水平，也就是對(duì)電荷的約束才能，介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的約束才能越強(qiáng)。
4）工作溫度范圍，因?yàn)閷?dǎo)熱膠自身的特征，其任務(wù)溫度規(guī)模是很廣的。工作溫度是確保導(dǎo)熱硅膠處于固態(tài)或液態(tài)的一個(gè)主要參數(shù)，溫度過高，導(dǎo)熱膠流體體積膨脹，分子間間隔拉遠(yuǎn)，互相感化削弱，粘度下降；溫度下降，流體體積縮小，分子間間隔收縮，互相感化增強(qiáng)，粘度回升，這兩種情形都不利于散熱。如果所承受是在100℃左右的，那么使用環(huán)氧樹脂和聚氨酯都是可以的，而有機(jī)硅是可以承受-60℃～200℃的高低溫；抗冷熱變化能力，有機(jī)硅最好，其次是聚氨酯，環(huán)氧樹脂最差；
5）其他的考慮因素，比如元器件承受內(nèi)應(yīng)力的情況，戶外使用還是戶內(nèi)使用，受力情況，是否要求阻燃、顏色要求以及手動(dòng)或自動(dòng)灌封等等。
灌封材料性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
灌封材料性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如下表所示：
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