基于环氧树脂灌封料探究

1、基于环氧树脂灌封料探究摘要：本文主要对环氧树脂灌封料的成分及增韧方法进 行了简要分析。环氧树脂是近年来在灌封领域使用最为广泛 的一种材料，其本身具有良好粘接性能、绝缘介电性能以及 热学性能，同时还具备优异的抗化学腐蚀、较低固化收缩率 等特点，这些都保证了环氧树脂的顺利推广。但是，面对环 氧树脂低温易开裂的不足，文中也罗列了几种方便的解决方 法。文章最后也大致描绘了灌封料的未来发展方向及使用前 景。关键词：环氧树脂；灌封料；增韧中图分类号：tq32文献标识码：a1概述回首电子封装技术的发展历程，曾经有两次非常重大的 改进发生在这一前沿技术领域。其中第一次重大改进可以追 溯到1970年左右，接下来

2、的第二次重大改进是在上世纪的 90年代中期。在新世纪到来的时候，表面贴装技术，阵列封 装技术以及半导体集成电路等都得到了广泛的应用和发展。 在技术进步的同时，封装形式、封装技术都出现了许多创新: 有灌封式的焊球阵列、芯片封装、芯片直接粘贴、多片芯片 组合封装等技术。虽然封装形式有这么多的不同，但是其中 有很多都直接或间接用到环氧材料封装技术。2灌封料性能特征良好的灌封材料必须符合下列几项基本要求：粘度低， 能顺利渗透到器件内部的各个角落，同小元件和电路接触紧 密；性能优异，有着较长的使用期，方便流水线的大批量生 产；不分层，在加热或者常温固化的过程中不允许发生沉降; 电气性能、耐热性能以及力学

3、性能都好，较低的热膨胀系数; 特殊场合的要求还有阻燃等性能。不同的环氧树脂也会有不同的力学性能。常用的环氧树 脂有双酚a型环氧树脂e-51、两官能团环氧树脂711、三官 能团脂环族缩水甘油酯型环氧树脂tde-85o针对不同的材 料，得到下表中的数据。环氧树脂灌封材料的电阻率也会随材料不同而表现出 一定差异，依旧对比上述三种材料，研究其对灌封材料体积 电阻率的影响。得到下表中的数据。3灌封料的成分分析环氧树脂灌封料主要由树脂、填充剂、增韧剂以及固化 剂等组成，是众多材料成分的复合。对于灌封料要求的不同 粘度、使用期、固化时间、放热量等都必须在成分搭配方面、 工艺制作方面进行综合考虑，以保证材料的

4、综合平衡。3. 1环氧树脂环氧树脂灌封料一般采用双酚a型环氧树脂。由于该环 氧树脂有较低粘度，所以其环氧值是比较高的。其他常用的 有e-42, e-44, e-51等。往往要求芯片和基板的缝隙必须 极小，所以单独使用双酚a型环氧树脂是不能达到产品基本 要求的。为了满足器件的性能要求，我们必须降低材料的粘 度。能够采用组合树脂，制作如下：在双酚a型环氧树脂中 掺入缩水甘油酯型树脂或者是有较低粘度的双酚f型环氧树 脂，同时具有良好电绝缘性、高耐热性的某些脂环族氧化物 也可以使用。如果加入脂环族氧化物的话，其本身也可以起 到稀释剂的作用。3.2固化剂作为环氧树脂灌封料的重要组成成分，固化剂的自身结

5、构也会在很大程度上影响固化物的性能。因为固化过程分为 常温固化和加热固化，所以对应于不同的方法有不同的原 料。3. 3偶联剂在材料中加入硅烷偶联剂能够使得环氧树脂和二氧化 硅更紧密的粘接。从化学分子的角度分析，硅烷偶联剂能够 让材料的防潮性和粘结性更好。在实际操作中满足环氧树脂 条件的硅烷偶联剂主要有苯胺基甲三乙氧基硅烷、缩水甘油 氧丙基三氧基硅烷、苯胺甲基三甲氧基硅烷等。例如氧化铝填料，由于其在环氧树脂中的分散性较差， 非常容易发生颗粒抱团的问题。同时，分布不均也会导致不 规则沉降。偶联剂的使用能改善其分散性，减少沉降现象的 发生。下表中的数据反映了未经偶联剂处理和经过1%钛酸丁 酯偶联剂处

6、理后的氧化铝填料在实验浇注、固化后不同部位 的密度。由表3看出，添加偶联剂后的固化沉降问题得到明显的 改善。3.4固化促进剂如果环氧树脂灌封料没有加固化促进剂的话，其一般要 固化完成必须是在140摄氏度下的条件下完成。如此高温的 固化条件，必然会造成能源的大量浪费，而且对于器件内部 的小电子元件也是非常大的考验，同时器件外壳的热承受能 力也要进行考虑。在灌封料的配方中添加必要的固化促进剂 就能明显降低固化所需温度，缩短固化时间。生产实践中主 要采用的固化促进剂一般有节基二胺等。我们也可以选择竣 酸金属盐以及咪哇类化合物，例如2-甲基咪哩等。3. 5活性稀释剂稀释剂主要分为活性稀释剂和非活性稀释

7、剂两种。非活 性稀释剂不会参与材料的固化反应过程，加入较多的量，就 会造成器件的高收缩率，影响器件的热形变温度和力学性 能。而活性稀释剂则是参加固化反应，增加材料粘接，较小 地影响固化物。如果只是用环氧树脂，那么在配入相关的无 机填料后将看到材料粘度大幅增加，这样就不方便进行操 作，此时加入适量的活性稀释剂就能增加材料的渗透性和流 动性，同时也延长了材料的使用期。环氧树脂灌封料中使用 的稀释剂是活性稀释剂，一般是用二乙基缩水甘油醴、正丁 基缩水甘油瞇、苯基缩水甘油瞇等。3.6填充剂环氧树脂填充剂里面要有填充剂的加入，填充剂的功能 是进一步提高环氧树脂灌封料的一些物理性能，例如减小固 化物的热导

8、率、降低固化物的收缩率以及热膨胀系数等。同 时也能明显降低灌封料的材料成本。主要的填充剂有氧化 铝、氮化硼、二氧化硅、氧化硅等。下表中的系数反映了几 种无机填料导热性能。其中，二氧化硅有可以分成熔融球形、 结晶型等。对电子器件的封装选择灌封料时候，应首先考虑 熔融球形的二氧化硅。3.7消泡剂不可避免的是在环氧树脂灌封料注入器件进行固化的 过程中内部产生小气泡。配料时候加入消泡剂即可使灌封料 固化过程中没有小气泡。实际用到的消泡剂有乳化硅油或者 硅油。3.8增韧剂 增韧剂是灌封料中非常重要的一种物 质，通过添加增韧剂来增强环氧树脂的韧性。增韧剂也可以 分为惰性增韧剂和活性增韧剂两种。使用活性增韧

9、剂可以增 加反应链节，也可以促进同环氧树脂的反应。常用的增韧剂 有端竣基液体丁睛橡胶，添加该增韧剂可以在固化物内形成 坚韧的结构，从而提髙材料的整体抗冲击韧度及性能。3. 9其他成分某些器件也有特殊的技术或者是工艺要求，例如阻燃性 成分的添加和外表有色颜料的涂抹等。4环氧树脂低温开裂原因环氧树脂灌封料由于产品结构设计、配方组合以及制作 工艺等因素，灌封料固化过程会产生内应力，内应力将导致 固化物出现细微裂痕或者缺陷。因此，消除内应力能够保证 灌封料不开裂。灌封料可以参考材料力学中的相关公式来分 析计算：o 内=o hz+ o s； o hz= a la*er； o s= a ls*ero o

10、内 表示灌封料的内应力，ohz表示灌封料热应力，o s表示灌 封料收缩应力，ala表示由于材料膨胀系数不同而导致的形 变，als表示环氧树脂收缩形变。通过公式可以了解到要想 有效提高灌封料的抗开裂性能，可以降低收缩应力、材料的 热膨胀系数。5环氧树脂开裂对策造成环氧树脂开裂的因素有很多，包括有结构设计、配 方组合、灌封工艺等。现在分析环氧树脂开裂对策。5.1结构设计合理地设计灌封料外形结构能减小灌封料内应力。所 以，在进行模具设计及器件内部元件设计时应满足以下原 则：首先，模具的形状尺寸要方便内应力的分散；其次，考 虑到弧线平滑过渡可以使得周围内应力均匀，所以要避免模 具或者是嵌入元件有锐棱或

11、者角度变化明显的部分，尽量使 用弧线过渡；还有，减少器件内部的元件个数；最后，要设 计弹性缓冲区，可以减小冲击对器件的影响。5.2配方组合原料中最多的就是环氧树脂，采用性能较高的材料将直 接影响到灌封产品质量的高低。为避免开裂，可以选择环氧 基较少的树脂，大分子的环氧树脂不仅让材料的粘度变大同 时也不利于工艺生产。要求灌封料有抗低温开裂性能，则必 须要固化剂在放热的过程中有较小的放热，同时也有较小的 收缩率。实验证明，可以采用液体酸肝类固化剂。这种固化 剂不仅具备良好的耐热性，也有好的电气性能。对材料中增 韧剂的选择也非常重要，橡胶能够很好的溶解在树脂材料 中，环氧树脂在固化的过程中能够分散于

12、基体树脂中，同时 橡胶的分子结构也包含可以同环氧树脂进行反应的某种物 质，促进了环氧树脂的化学作用。无机刚性粒子提高环氧树 脂的方法主要是利用分散在树脂基体中的无机填料，使灌封 料成为无机-有机复合型。5.3灌缝工艺灌缝工艺也是一个影响开裂的重要因素，为了防止低温 开裂，在进行灌封料灌封的时候要注意：消除气泡，气泡的 存在会造成灌封料内部的纹裂。通过实验，我们总结到对灌 封料要进行预热，去除易挥发的杂志，同时也要注意搅拌速 度，避免混入气泡；控制固化条件，固化过程中的温度、冷 却速度、冷却时间等都会对内应力有很大影响。经过研究发 现，降低放热的峰值，能够很好的降低材料的固化温度，也 可以通过缩短固化过程的时间来降低收缩。结语灌封料的质量高低决定了灌