Impact-resistant Heterogeneous Polyurethane Potting Protection for Electronic Devices: Experimental and Simulation Studies

SHEN Tianyang; JIANG Zhaoxiu; WANG Yonggang

doi:10.12382/bgxb.2025.1081

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Impact-resistant Heterogeneous Polyurethane Potting Protection for Electronic Devices: Experimental and Simulation Studies

更新时间：2026-09-02

- Impact-resistant Heterogeneous Polyurethane Potting Protection for Electronic Devices: Experimental and Simulation Studies
- ACTA ARMAMENTARII Vol. 47, Issue 7, Pages: 251081(2026)
- 作者机构：
  
  宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江宁波 315211
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12382/bgxb.2025.1081
  CLC： TN305.94
- Received：09 December 2025，
  
  Online First：23 July 2026，
  
  Published：31 July 2026
- 稿件说明：
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沈天阳,蒋招绣,王永刚.电子器件抗冲击异质聚氨酯灌封防护：实验与模拟研究[J].兵工学报,2026,47(07):251081.

SHEN Tianyang,JIANG Zhaoxiu,WANG Yonggang.Impact-resistant Heterogeneous Polyurethane Potting Protection for Electronic Devices: Experimental and Simulation Studies[J].ACTA ARMAMENTARII,2026,47(07):251081.
沈天阳,蒋招绣,王永刚.电子器件抗冲击异质聚氨酯灌封防护：实验与模拟研究[J].兵工学报,2026,47(07):251081. DOI： 10.12382/bgxb.2025.1081.

SHEN Tianyang,JIANG Zhaoxiu,WANG Yonggang.Impact-resistant Heterogeneous Polyurethane Potting Protection for Electronic Devices: Experimental and Simulation Studies[J].ACTA ARMAMENTARII,2026,47(07):251081. DOI： 10.12382/bgxb.2025.1081.

摘要

灌封防护技术对于解决电子器件在冲击载荷下的失效问题具有关键作用。聚氨酯因其优异的力学性能，被视为电子器件抗冲击防护中的理想灌封材料。制备两种硬度异质聚氨酯灌封材料，设计4种组合形式（全软、全硬、H-S-H及S-H-S）的灌封防护缓冲结构，并分别借助美国Instron公司生产的Instron 5966电子万能试验机和CEAST 9350落锤试验机，对两种聚氨酯灌封材料的力学性能及4种灌封防护结构的冲击特性进行实验研究。实验结果表明，不同应变率下两种聚氨酯均展示出典型的非线性黏弹性力学行为，相较于其他3种结构，S-H-S复合灌封防护结构在减小撞击力的同时，能够有效限制电子器件的变形，展现出更优的综合防护性能。基于实验结果，采用Abaqus瞬态有限元分析软件，通过嵌入Z-W-T黏弹性本构模型来准确描述聚氨酯力学行为，开展聚氨酯灌封防护结构冲击响应数值模拟研究。模拟结果显示，相比其他3种防护结构，S-H-S防护结构中的印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）应力水平较低且分布更为均匀，同时芯片和PCB板之间的焊点界面应力整体较小，进一步验证了该结构在提升电子器件抗冲击能力方面的显著效果。

Abstract

The potting protection technology plays a critical role in mitigating the failure of electronic devices under impact loading. Polyurethane is considered as an ideal potting material for the impact-resistant protection of electronic components due to its excellent mechanical properties. Two types of hardness heterogeneous polyurethane potting materials are prepared， and four types of composite protective buffer structures （fully soft， fully hard， hard-soft-hard， and soft-hard-soft） are designed. The mechanical properties of two types of polyurethane materials and the impact characteristics of four types of protective structures are experimentally investigated using Instron 5966 electronic universal testing machine and CEAST 9350 drop hammer impact tester manufactured by Instron Corporation， USA. Experimental results show that both polyurethane materials exhibit typical nonlinear viscoelastic mechanical behaviors under different strain rates. Compared with the other three structures， the soft-hard-soft composite potting protective structure not only reduces the impact force but also effectively limits the deformation of electronic devices， demonstrating superior comprehensive protective performance. Based on the experimental results， the impact responses of polyurethane potting protective structures are numerically simulated using Abaqus transient finite element analysis software， in which the Z-W-T viscoelastic constitutive model is embedded to accurately describe the mechanical behavior of polyurethane. Compared with the other three protective structures， the soft-hard-soft protective structure ensures that the stress level in the printed circuit board （PCB） is relatively low and more uniformly distributed， and the overall interfacial stress at the solder joint between the chip and the PCB is smaller. These findings further validate the significant effectiveness of soft-hard-soft protective structure in enhancing the impact resistance of electronic devices.

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朱秀芳，周宏元，张宏，等 . 梯度灌封电路板结构的抗低速冲击性能［J］. 兵工学报， 2024 ， 45 （ 11 ）： 3879 - 3891 .

ZHU X F ， ZHOU H Y ， ZHANG H ， et al . Low speed impact resistance of gradient encapsulated circuit board structure ［J］. Acta Armamentarii ， 2024 ， 45 （ 11 ）： 3879 - 3891 . （in Chinese）

徐萧，高世桥，牛少华，等 . 灌封材料对侵彻过载下弹载器件的防护分析［J］. 兵工学报， 2017 ， 38 （ 7 ）： 1289 - 1300 .

XU X ， GAO S Q ， NIU S H ， et al . Dynamic analysis of projectile-borne electronic devices under impact loading ［J］. Acta Armamentarii ， 2017 ， 38 （ 7 ）： 1289 - 1300 . （in Chinese）

BIRKELUND K ， NORGAARD L ， THOMSEN E V . En-hanced polymeric encapsulation for MEMS based multi- sensors for fisheries research ［J］. Senssors Actuators A： Physical ， 2011 ， 170 （ 1/2 ）： 196 - 201 .

张笑，谢晋，曹骏，等 . 微光机电引信芯片光纤抗高过载设计方法［J］. 探测与控制学报， 2024 ， 46 （ 6 ）： 29 - 36，45 .

ZHANG X ， XIE J ， CAO J ， et al . Anti-high-overload design of micro-optical-mechanical fuze chip fibler ［J］. Journal of Detection & Control ， 2024 ， 46 （ 6 ）： 29 - 36，45 . （in Chinese）

CUI J ， SHI Y C ， ZHANG X H ， et al . Experimental study on the tension and puncture behavior of spray polyurea at high strain rates ［J］. Polymer Testing ， 2021 ， 93 ： 106863 .

JIANG Y X ， ZHANG B Y ， WEI J S ， et al . Study on the dynamic response of polyurea coated steel tank subjected to blast loadings ［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries ， 2020 ， 67 ： 104234 .

戚昕禹，汪洋，刘兰轩，等 . 环氧树脂改性聚氨酯材料的研究进展［J］. 高分子材料科学与工程， 2025 ， 41 （ 2 ）： 181 - 190 .

QI X Y ， WANG Y ， LIU L X ， et al . Progress in research of epoxy resin modified polyurethane ［J］. Polymer Materials Science & Engineering ， 2025 ， 41 （ 2 ）： 181 - 190 . （in Chinese）

刘启明，樊铮炎，李涛，等 . 高过载环境下弹载电子封装焊点失效机理［J］. 兵工学报， 2025 ， 46 （ 9 ）： 241006 .

LIU Q M ， FAN Z Y ， LI T ， et al . Failure mechanism of solder joints of projectile-borne electronic packaging under high overload environment ［J］. Acta Armamentarii ， 2025 ， 46 （ 9 ）： 241006 . （in Chinese）

焦敏，陈小伟，阮朝阳，等 . 灌封材料对弹载电子器件的防护仿真研究［J］. 兵工学报， 2014 ， 35 （增刊2 ）： 51 - 56 .

JIAO M ， CHEN X W ， RUAN Z Y ， et al . Numerical analysis on potting protection of electronic components in projectile ［J］. Acta Armamentarii ， 2014 ， 35 （ S2 ）： 51 - 56 . （in Chinese）

高尚，李杰，马喜宏，等 . 内嵌式多级缓冲抗高过载系统设计［J］. 火炮发射与控制学报， 2025 ， 46 （ 4 ）： 16 - 21 .

GAO S ， LI J ， MA X H ， et al . Design of embedded multi- -level buffer anti-high-overload system ［J］. Journal of Gun Launch & Control ， 2025 ， 46 （ 4 ）： 16 - 21 . （in Chinese）

张志远，赵彧，郭长月，等 . 侵彻引信抗高过载复合灌封方法［J］. 探测与控制学报， 2023 ， 45 （ 4 ）： 124 - 129 .

ZHANG Z Y ， ZHAO Y ， GUO C Y ， et al . Anti-overload composite potting method of penetration fuze ［J］. Journal of Detection & Control ， 2023 ， 45 （ 4 ）： 124 - 129 . （in Chinese）

闫亚宾，惠云龙，严铖，等 . 异质结构中高分子灌封材料的冲击变形与载荷传递行为［J］. 飞控与探测， 2025 ， 8 （ 3 ）： 125 - 134 .

YAN Y B ， HUI Y L ， YAN C ， et al . Impact deformation and load transfer behavior of polymer filled materials in heterogeneous compound structures ［J］. Flight Control & Detection ， 2025 ， 8 （ 3 ）： 125 - 134 . （in Chinese）

MEGUID S A ， CHEN Z ， FAN Y . Effective mitigation of shock loads in embedded electronic packaging using bila-yered potting materials ［J］. Journal of Electronic Packaging ， 2014 ， 136 （ 4 ）： 041010 .

GUO H N ， SHI Y B ， ZHAO R ， et al . Impact attenuation mechanism of single/double-layer potting structures of MEMS devices under continuous double-pulse impact ［J］. Defence Technology ， 2025 ， 48 （ 6 ）： 104 - 114 .

ALSAKARNEH A ， MOORE L ， BARRETTN J . Numerical modelling and optimization of an electronic system embedded in multi-layered viscoelastic materials under shock loads ［C］// Proceedings of 2011 12nd Intenational Confrence on Thermal ， Mechanical & Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems . Linz， Austria ： IEEE ， 2011 ： 1 - 8 .

蒋招绣 . 多孔Pb（Zr 0.95 Ti 0 .05）O3铁电陶瓷的力学性能及失效行为研究［D］. 宁波：宁波大学， 2018.

JIANG Z X . Study on the mechanical properties and failure behavior of porous Pb（Zr 0.95 Ti 0 .05）O3 ferroelectric ceramics ［D］. Ningbo ： Ningbo University ， 2018. （in Chinese）

张涛，庄铁栓，伍俊，等 . 冲击波在不同物态介质界面传播的理论分析［J］. 防护工程， 2023 ， 45 （ 5 ）： 28 - 35 .

ZHANG T ， ZHUANG T S ， WU J ， et al . Theoretical analysis of shock wave propagation at different medium interfaces ［J］. Protective Engineering ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 28 - 35 . （in Chinese）

李杰，刘俊 . 制导弹药用微惯性测量单元结构设计［J］. 兵工学报， 2013 ， 34 （ 6 ）： 711 - 717 .

LI J ， LIU J . Design of micro-electromechanical systems inertial measurement unit structure for guided amm-unition ［J］. Acta Armamentarii ， 2013 ， 34 （ 6 ）： 711 - 717 . （in Chinese）

宁全利，蒋滨安，梁希，等 . 火炮发射环境下弹载光电器件结构动态响应研究［J］. 兵工学报， 2015 ， 36 （ 11 ）： 2185 - 2189 .

NING Q L ， JIANG B A ， LIANG X ， et al . The structural dynamic response of projectile-borne optoelectronic devices during launching ［J］. Acta Armamentarii ， 2015 ， 36 （ 11 ）： 2185 - 2189 . （in Chinese）

李浩镕，毕世华，熊文靖 . 聚氨酯缓冲材料瞬态响应特性研究［J］. 兵器装备工程学报， 2024 ， 45 （ 1 ）： 235 - 242 .

LI H R ， BI S H ， XIONG W J . Investigation on transient response characteristics of polyurethane cushioning materials ［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering ， 2024 ， 45 （ 1 ）： 235 - 242 . （in Chinese）

王博伦，王韬，相宁，等 . 聚碳酸酯中应变率压缩力学特性研究［J］. 材料工程， 2021 ， 49 （ 12 ）： 147 - 155 .

WANG B L ， WANG T ， XIANG N ， et al . Mechanical properties of polycarbonate under intermediate strain rates compression ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2021 ， 49 （ 12 ）： 147 - 155 . （in Chinese）

葛宇静，白春玉，惠旭龙，等 . 聚丙烯复合材料动态力学性能及本构表征［J］. 科学技术与工程， 2024 ， 24 （ 23 ）： 9701 - 9709 .

GE Y J ， BAI C Y ， HUI X L ， et al . Dynamic mechanical properties and constitutive characterization of polypro-pylene composites materials ［J］. Science Technology and Engineering ， 2024 ， 24 （ 23 ）： 9701 - 9709 . （in Chinese）

LOW K H ， WANG Y Q . Hybrid modeling of woven fiber reinforced metal matrix composite for multilayer circuit boards ［J］. Circuit World ， 2008 ， 34 （ 2 ）： 12 - 20 .

MORI T ， TANAKA K . Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions ［J］. Acta Metallurgical ， 1973 ， 21 （ 5 ）： 571 - 574 .

YU D ， KWAK J ， PARK S ， et al . Effect of shield-can on dynamic response of board-level assembly ［J］. Journal of Electronic Packaging ， 2012 ， 134 （ 3 ）： 031010 .

MUTHURAM N ， SARAVANAN S . Free fall drop impact analysis of board level electronic packages ［J］. Micro-electronics Journal ， 2022 ， 129 ： 105601 .

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