灌封材料在電源轉換器中的選擇要點

電源轉換器在電子設備中扮演著重要的角色，其性能和可靠性會直接影響到設備的運行效果和壽命。製造電源轉換器時，為了提升可靠性會進行灌膠和封裝，以保護內部電子元件和電路板，達到高耐用性和高抗環境干擾能力。本文將探討電源轉換器對於灌封化合物的各種特性。

 

緒論

電源轉換器被運用於極端環境的工業用、車用和鐵道的應用，若沒有進行封裝保護，而元件、線路直接暴露，可能會導致電路受到塵埃或其他物質的累積而過熱或短路。

電子產品的灌封製程是用於保護敏感的電子元件免受到不同的環境威脅的技術。因此，對電源轉換器進行有效的灌膠和封裝成為了提高其性能和可靠性的關鍵一步。

 

 

什麼是灌封技術

灌封是填充黏性的化合物灌入裝有電子元件的殼內，在加熱環境下材料固化後成為性能優異的高分子材料，其目的包含

1. 將熱量從內部傳導到轉換器的外殼，從而減少內外溫度應力
2. 抵抗物理衝擊和震動將有助於解決電子產品製造、裝配和運送中面臨的問題
3. 提高內部元件與線路之間的絕緣性，避免過電壓應力引起電弧放電
4. 防止空氣中的水分或腐蝕性化學物質侵蝕，以延長轉換器使用壽命

灌封是電子組裝流程重要一環，首先了解灌封化合物的特性，例如抗機械強度、熱膨脹係數、導熱性、黏性強度、密封性以及防腐蝕保護等。因此，必須於設計電源轉換器前，事先分析灌封化合物是很有必要的。

 

灌封化合物的特性

電源轉換器主要使用的灌封樹脂有環氧樹脂、矽氧樹脂和聚氨酯。依照使用者需要的特性和操作環境，這些各有其獨特的優點和缺點，而每一種都實現了灌封的目的。對於電源轉換器的灌封材料而言，主要需求是提升絕緣性、以及導熱性能，同時也能保護產品在工作環境中的穩定性，讓電子元件達到最佳防護效果。

接下來將討論灌封化合物常見的特性，以便使用者更好了解。

 

(1) 硬度(Hardness)

材料硬度是需要考慮的關鍵因素，根據不同應用選擇不同級別的硬度。硬度高的化合物提供更高耐磨性和保護力。相對的，較軟的材料使電源轉換器更容易磨損。

固化過程時灌封化合物的體積會收縮，任何收縮都會對周遭零件產生內機械應力，或者形成缺陷和細微裂縫，導致讓液體或氣體進入，由此可得內機械應力是導致灌封化合物出現裂縫的主要原因。其解決問題發生的方式有，轉換器模具邊角應避免尖刺的部位，盡量採用有弧度的角度，好讓弧度四周內的機械應力一致，另外選用硬度柔軟而在完全固化時仍保持一定彈性的灌封化合物，例如矽氧樹脂。當膠體收縮過程，機械應力能被彈性特性所消散，並持續保持零件間的密封程度。

 

(2) 熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion)

在溫度衝擊試驗中，灌封材料會因快速地遇冷收縮和遇熱膨脹，溫度差而產生壓力，假設選定高熱膨脹係數(CTE)的灌封材料的話，內部產生的機械應力過大，容易造成敏感元件(例如變壓器)或轉換器接腳的損壞。

熱膨脹係數是衡量灌膠材料因溫度變化而膨脹或收縮的物理量，以ppm/°C為單位。圖2是隨著溫度升高而材料發生膨脹變化的典型曲線，灌封化合物受熱時體積會膨脹，因為分子在受熱時產生更大能量，隨著移動速度的加快而擴大長度。相對的，灌封化合物遇冷時，分子的震動幅度會減小。

 

(3) 介電強度 (Dielectric Strength)

在製程上也可以利用灌封技術提高絕緣性，因為使用高絕緣的介質例如環氧樹脂代替轉換器周圍的空氣，避免異常過電壓應力引起的電弧放電，以及水氣和化學的等污染，此會降低一次側和二次側之間的絕緣。

評估絕緣程度的一個重要電氣特性是介電強度，並以每單位厚度的伏特數表示。介電強度將取決於灌封材料類型、電極的形狀、電場的增加速率和、絕緣體周圍的介質。

介電強度定義為施加在灌封材料上的產品而導致電擊穿所需的最大電壓。因為當電擊穿後，材料的電阻值迅速下降，從而降低電氣絕緣性。換句話說，介電強度越大，代表材料防止電氣導電性越好。

 

(4) 體積電阻率(Volume Resistivity)

體積電阻率代表抵抗電流流過材料截面積的能力，主要取決於材料性質。其定義為完全固化後的灌封化合物每單位立方體積的電阻值。計算公式是:

ρ : 體積電阻率，SI單位為ohm-m或ohm-cm

R: 電阻，單位為ohm

A: 材料的橫切截面積，單位為m²或cm²

L: 灌封材料的長度，單位為m或cm

不同材料的體積電阻率(ρ)均不相同，例如鐵是 (ohm-cm)、橡膠是 (ohm-cm)、玻璃是  (ohm-cm)和聚苯乙烯是 (ohm-cm)，其體積電阻率越高，灌封膠的絕緣性越高。

 

(5) 熱傳導係數(Thermal Conductivity)

熱傳導係數(K)是指灌封化合物傳導熱能的能力。導熱性是灌封電源轉換器考慮的一個重要因素。在高功率應用中，加熱元件流過大電流時產生的熱量必須散發出去，若累積過多熱量會降低轉換效率，甚至超過最高工作溫度的限制而降低相鄰元件的電氣特性

灌封化合物有助於將內部熱能傳遞到外殼，實現高效率散熱，同時保持穩定工作溫度，以提高元件的耐久性和可靠性。因此，在高功率的應用中選擇具有高熱導係數的灌封化合物，可以達到更好的散熱效果。

假設熱流是直線方向，沒有橫向熱損失。熱傳導係數(K)可以使用以下公式計算:

K: 熱傳導係數，國際單位制(SI單位)為W/m•K

Q: 流過的熱量，單位為W

L: 熱傳導距離，單位為m

A: 材料的截面積，單位為m²

T₁-T₂ : 兩端的溫度差，單位為K

常見物質在室溫的熱傳導係數K如下，例如銅是401(W/m•K)、鋁是240(W/m•K)、水是0.613(W/m•K)、橡膠是0.13(W/m•K)和於0°C下空氣是0.024(W/m•K)。熱傳導係數越高，代表越有效的把熱量轉移到另一個物體，相反的，如果選擇較低的熱傳導係數，代表熱量不易傳散出去。

 

(6) 黏度(Viscosity)

大多數應用需要可流動且低黏度的灌封化合物，故黏度是選擇灌封化合物的關鍵標準。黏度簡單定義為液體本身的流動阻力，意味著黏度越高代表流動阻力越大。影響黏度的主要因素是溫度，在大多數的情況下，黏度隨溫度升高而降低。

一般日常物質的黏度，例如水是1(cps)、煤油是10(cps)和機油是100(cps)。

 

(7) 機械強度(Mechanical Strength)

電源轉換器的接腳若只靠PCB焊盤的焊點連接，此強度不足以抵擋連續的外力並支撐負載而不斷裂。因此電源轉換器必須填充灌封膠以消除衝擊、震動所引起的機械損壞並支撐和緩衝鐵氧體鐵芯等易碎元件，因此灌封可以為電源轉換器提供更堅固的物理連接，不再僅依賴焊點。

 

(8) 吸濕性(Hygroscopic)

灌封膠固化後可以直接防止任何液體和氣體對電子裝置的滲透，包括水和粉塵。灌封材料完成固化之前，大都處於液體狀態。在未固化狀態時，灌封材料會吸收空氣中的水氣，特別在潮濕環境下，濕氣容易腐蝕金屬部件去破壞強度，進而導致絕緣性能劣化。因此，使用者可以使用加熱器和除濕器來保持理想的溫度和濕度水平。

 

(9) 固化時間(Curing Time)

電子產品灌封後，需要足夠時間讓灌封化合物 固化，直到完全固化後會形成一個屏障來保護電子產品。固化時間攸關於製造成本，包含人力成本。為了縮短固化時間，可以在空氣自由流動的通風環境和溫暖環境中加入固化劑，或者暴露於紫外線下以縮短灌封化合物的固化時間。常見導致灌封化合物無法固化的原因有:

1. 電源轉換器放置於高濕度環境或封裝的工具未乾燥，水氣會滲入樹脂中影響固化過程。
2. 灌封化合物的混和比例不正確或者並未攪拌均勻。
3. 放置於快速變化的溫度環境下進行固化。

 

結論

當選擇電源轉換器灌封化合物時，取決於其使用環境、性能要求以及成本考慮等因素。透過介紹灌封化合物的應用需求與材料特性的對應，以及選擇注意事項的分析，使用者能清楚了解不同環境條件，包括溫度、潮濕度、化學物質等，以及選擇注意事項的分析，能更好地選擇具有良好的絕緣性能和密封性，耐高溫性能和環境腐蝕性的材料，從而確保電子元件的性能和可靠性。

 

 

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