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                      環(huán)氧樹(shù)脂灌封常用工藝與問(wèn)題分析

                      作者:admin 瀏覽量:10 來(lái)源:本站 時(shí)間: 2023/12/5 13:37:52

                      灌封就是將液態(tài)復合物用機械或手工方式灌入裝有電子元件、線(xiàn)路的器件內,在常溫或加熱條件下固化成為性能優(yōu)異的熱固性高分子絕緣材料??蓮娀娮悠骷恼w性,提高對外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力;提高內部元件、線(xiàn)路間絕緣,有利于器件小型化、輕量化;避免元件、線(xiàn)路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能,并提高使用性能和穩定參數。灌封工藝

                      灌封產(chǎn)品的質(zhì)量,主要與產(chǎn)品設計、元件選擇、組裝及所用灌封材料密切相關(guān),灌封工藝也是不容忽視的因素。

                      環(huán)氧灌封有常態(tài)和真空兩種灌封工藝。環(huán)氧樹(shù)脂.胺類(lèi)常溫固化灌封料,一般用于低壓電器,多采用常態(tài)灌封。環(huán)氧樹(shù)脂.酸酐加熱固化灌封料,一般用于高壓電子器件灌封,多采用真空灌封工藝,是我們本節研究的重點(diǎn)。目前常見(jiàn)的有手工真空灌封和機械真空灌封兩種方式,而機械真空灌封又可分為A、B組分先混合脫泡后灌封和先分別脫泡后混合灌封兩種情況。其工藝流程如下:

                      (1)手工真空灌封工藝

                      (2)機械真空灌封工藝

                      先混合脫泡后灌封工藝

                      A、B先分別脫泡后混合灌封工藝

                      相比之下,機械真空灌封,設備投資大,維護費用高,但在產(chǎn)品的一致性、可靠性等方面明顯優(yōu)于手工真空灌封工藝。無(wú)論何種灌封方式,都應嚴格遵守給定的工藝條件,否則很難得到滿(mǎn)意的產(chǎn)品。

                      灌封產(chǎn)品常出現的問(wèn)題及原因分析

                      (1)局部放電起始電壓低,線(xiàn)間打火或擊穿 電視機、顯示器行輸出變壓器,汽車(chē)、摩托車(chē)點(diǎn)火器等高壓電子產(chǎn)品,常因灌封工藝不當,工作時(shí)會(huì )出現局部放電(電暈)、線(xiàn)間打火或擊穿現象,是因為這類(lèi)產(chǎn)品高壓線(xiàn)圈線(xiàn)徑很小,一般只有0.02~0.04mm,灌封料未能完全浸透匝間,使線(xiàn)圈匝間存留空隙。由于空隙介電常數遠小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下,會(huì )產(chǎn)生不均勻電場(chǎng),引起界面局部放電,使材料老化分解,引起絕緣破壞。

                      從工藝角度分析,造成線(xiàn)間空隙有以下兩方面原因:

                      1)灌封時(shí)真空度不夠高,線(xiàn)間空氣未能完全排除,使材料無(wú)法完全浸滲。

                      2)灌封前試件預熱溫度不夠,灌人試件物料黏度不能迅速降低,影響浸滲。

                      對于手工灌封或先混合脫泡后真空灌封工藝,物料混合脫泡溫度高、作業(yè)時(shí)間長(cháng)或超過(guò)物料適用期,以及灌封后產(chǎn)品未及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,都會(huì )造成物料黏度增大,影響對線(xiàn)圈的浸滲。據上海常祥實(shí)業(yè)有限公司的專(zhuān)家介紹,熱固化環(huán)氧灌封材料復合物,起始溫度越高,黏度越小,隨時(shí)間延長(cháng),黏度增長(cháng)也越迅速。因此為使物料對線(xiàn)圈有良好的浸滲性,操作上應注意如下幾點(diǎn):

                      1)灌封料復合物應保持在給定的溫度范圍內,并在適用期內使用完畢。

                      2)灌封前,試件要加熱到規定溫度,灌封完畢應及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序。

                      3)灌封真空度要符合技術(shù)規范要求。

                      (2)灌封件表面縮孔、局部凹陷、開(kāi)裂灌封料在加熱固化過(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生兩種收縮,即由液態(tài)到固態(tài)相變過(guò)程中的化學(xué)收縮和降溫過(guò)程中的物理收縮。進(jìn)一步分析,固化過(guò)程中的化學(xué)變化收縮又有兩個(gè)過(guò)程,從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應開(kāi)始到微觀(guān)網(wǎng)狀結構初步形成階段產(chǎn)生的收縮,我們稱(chēng)之為凝膠預固化收縮。從凝膠到完全固化階段產(chǎn)生的收縮我們稱(chēng)之為后固化收縮。這兩個(gè)過(guò)程的收縮量是不一樣的。前者由液態(tài)轉變成網(wǎng)狀結構過(guò)程中,物理狀態(tài)發(fā)生突變,反應基團消耗量大于后者,體積收縮量也高于后者。凝膠預固化階段(75℃/3h)環(huán)氧基消失大于后固化階段(110℃/3h),差熱分析結果也證明這點(diǎn),試樣經(jīng)750℃/3h處理后其固化度為53%。

                      若我們對灌封試件采取一次高溫固化,則固化過(guò)程中的兩個(gè)階段過(guò)于接近,凝膠預固化和后固化近乎同時(shí)完成,這不僅會(huì )引起過(guò)高的放熱峰,損壞元件,還會(huì )使灌封件產(chǎn)生巨大的內應力,造成產(chǎn)品內部和外觀(guān)的缺損。為獲得良好的制件,我們必須在灌封料配方設計和固化工藝制定時(shí),重點(diǎn)關(guān)注灌封料的固化速度(即A、B復合物凝膠時(shí)間)與固化條件的匹配問(wèn)題。通常采用的方法是:依照灌封料的性質(zhì)、用途按不同溫區分段固化的工藝。據專(zhuān)家介紹,彩色電視機行輸出變壓器灌封按不同溫區分段固化規程及制件內部放熱曲線(xiàn)。在凝膠預固化溫區段灌封料固化反應緩慢進(jìn)行,反應熱逐漸釋放,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),則體積收縮表現為液面下降,直至凝膠,可完全消除該階段體積收縮內應力。從凝膠預固化到后固化階段,升溫也應平緩,固化完畢,灌封件應隨加熱設備同步緩慢降溫,多方面減少、調節制件內應力分布狀況,可避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開(kāi)裂現象。

                      對灌封料固化條件的制訂,還要參照灌封制件內封埋元件的排布、飽滿(mǎn)程度及制件大小、形狀、單只灌封量等。對單只灌封量較大而封埋元件較少的,適當地降低凝膠預固化溫度并延長(cháng)時(shí)間是完全必要的。

                      (3)固化物表面不良或局部不固化這些現象也多與固化工藝相關(guān)。主要原因是:

                      1)計量或混合裝置失靈、生產(chǎn)人員操作失誤。

                      2)A組分長(cháng)時(shí)間存放出現沉淀,用前未能充分攪拌均勻,造成樹(shù)脂和固化劑實(shí)際比例失調。

                      3)B組分長(cháng)時(shí)間敞口存放、吸濕失效。

                      4)高潮濕季節灌封件未及時(shí)進(jìn)入固化程序,物件表面吸濕。

                      總之,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(wèn)題。

                      環(huán)氧樹(shù)脂灌封料及其工藝和常見(jiàn)問(wèn)題

                      1、封裝技術(shù)變革史

                      在電子封裝技術(shù)領(lǐng)域曾經(jīng)出現過(guò)兩次重大的變革。第一次變革出現在20世紀70年代前半期,其特征是由針腳插入式安裝技術(shù)(如DIP)過(guò)渡到四邊扁平封裝的表面貼裝技術(shù)(如QFP);第二次轉變發(fā)生在20世紀90年代中期,其標志是焊球陣列.BGA型封裝的出現,與此對應的表面貼裝技術(shù)與半導體集成電路技術(shù)一起跨人21世紀。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,出現了許多新的封裝技術(shù)和封裝形式,如芯片直接粘接、灌封式塑料焊球陣列(CD-PBGA)、倒裝片塑料焊球陣列(Fc-PBGA)、芯片尺寸封裝(CSP)以及多芯片組件(MCM)等,在這些封裝中,有相當一部分使用了液體環(huán)氧材料封裝技術(shù)。灌封,就是將液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂復合物用機械或手工方式灌入裝有電子元件、線(xiàn)路的器件內,在常溫或加熱條件下同化成為性能優(yōu)異的熱同性高分子絕緣材料。

                      2、產(chǎn)品性能要求

                      灌封料應滿(mǎn)足如下基本要求:性能好,適用期長(cháng),適合大批量自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè);黏度小,浸滲性強,可充滿(mǎn)元件和線(xiàn)間;在灌封和固化過(guò)程中,填充劑等粉體組分沉降小,不分層;固化放熱峰低,固化收縮??;同化物電氣性能和力學(xué)性能優(yōu)異,耐熱性好,對多種材料有良好的粘接性,吸水性和線(xiàn)膨脹系數??;在某些場(chǎng)合還要求灌封料具有難燃、耐候、導熱、耐高低溫交變等性能。

                      在具體的半導體封裝中,由于材料要與芯片、基板直接接觸,除滿(mǎn)足上述要求外,還要求產(chǎn)品必須具有與芯片裝片材料相同的純度。在倒裝芯片的灌封中,由于芯片與基板間的間隙很小,要求灌封料的黏度極低。為了減少芯片與封裝材料間產(chǎn)生的應力,封裝材料的模量不能太高。而且為了防止界面處水分滲透,封裝材料與芯片、基板之間應具有很好的粘接性能。

                      3、灌封料的主要組份及作用

                      灌封料的作用是強化電子器件的整體性,提高對外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力;提高內部元件、線(xiàn)路間絕緣,有利于器件小型化、輕量化;避免元件、線(xiàn)路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能。

                      環(huán)氧樹(shù)脂灌封料是一多組分的復合體系,它南樹(shù)脂、固化劑、增韌劑、填充劑等組成,對于該體系的黏度、反應活性、使用期、放熱量等都需要在配方、工藝、鑄件尺寸結構等方面作全面的設計,做到綜合平衡。

                      3.1 環(huán)氧樹(shù)脂

                      環(huán)氧樹(shù)脂灌封料一般采用低分子液態(tài)雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂,這種樹(shù)脂黏度較小,環(huán)氧值高。常用的有E.54、E-51、E-44、E-42。在倒裝芯片下填充的灌封中,由于芯片與基板之間的間隙很小,因此要求液體封裝料的黏度極低。故單獨使用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂不能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。為了降低產(chǎn)品黏度,達到產(chǎn)品性能要求,我們可以采用組合樹(shù)脂:如加入黏度低的雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂、縮水甘油酯型樹(shù)脂以及具有較高耐熱、電絕緣性和耐候性的脂環(huán)族環(huán)氧化物。其中,脂環(huán)族環(huán)氧化物本身還具有活性稀釋劑的作用。

                      3.2 固化劑

                      同化劑是環(huán)氧灌封料配方中的重要成分,固化物性能很大程度取決于固化劑的結構。

                      (1)室溫同化一般采用脂肪族多元胺做固化劑,但這類(lèi)固化劑毒性大、刺激性強、放熱激烈,同化和使用過(guò)程中易氧化。因此,需要對多元胺進(jìn)行改性,如利用多冗胺胺基上的活潑氫,部分與環(huán)氧基合成為羥烷基化及部分與丙烯晴合成為氰乙基化的綜合改性,可使固化劑達到低黏度、低毒、低熔點(diǎn)、室溫固化并有一定韌性的綜合改性效果。

                      (2)酸酐類(lèi)同化劑是雙組分加熱固化環(huán)氧灌封料最重要的同化劑。常用的同化劑有液體甲基四氫鄰苯二甲酸酐、液體甲基六氫鄰苯二甲酸酐、六氫鄰苯二甲酸酐、甲基納迪克酸酐等。這類(lèi)固化劑黏度小,配合用量大,能在灌封料配方中起到同化、稀釋雙重作用,固化放熱緩和,同化物綜合性能優(yōu)異。

                      3.3 固化促進(jìn)劑

                      雙組分環(huán)氧一酸酐灌封料,一般要在140℃左右長(cháng)時(shí)間加熱才能固化。這樣的固化條件,不僅造成能源浪費,而且多數電子器件中的元件、骨架外殼是難以承受的。配方中加入促進(jìn)劑組分則可有效降低固化溫度、縮短固化時(shí)間。常用的促進(jìn)劑有:卞基二胺、DMP-30等叔胺類(lèi)。也可使用咪唑類(lèi)化合物和羧酸的金屬鹽,如2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑等。

                      3.4 偶聯(lián)劑

                      為了增加二氧化硅和環(huán)氧樹(shù)脂之間的密著(zhù)性,需加入硅烷偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑可以改善材料的粘接性和防潮性。適用于環(huán)氧樹(shù)脂的常用硅烷偶聯(lián)劑有縮水甘油氧丙基三氧基硅烷(KH-560)、苯胺基甲三乙氧基硅烷、α-氯代丙基三甲氧基硅烷、α-巰基丙基三甲氧基硅烷、苯胺甲基三甲氧基硅烷、二乙烯二胺基丙基三甲氧基硅烷等。

                      3.5 活性稀釋劑

                      單獨使用環(huán)氧樹(shù)脂,加入無(wú)機填料后黏度明顯增大,不利于操作和消泡,常需加入一定量的稀釋劑,以增加其流動(dòng)性和滲透I生,并延長(cháng)使用期,稀釋劑有活性和非活性之分。非活性稀釋劑不參與固化反應,加人量過(guò)多,易造成產(chǎn)品收縮率提高,降低產(chǎn)品力學(xué)性能及熱變形?;钚韵♂寗﹨⑴c固化反應增加了反應物的鏈節,對固化物性能影響較小。灌封料中選用的就是活性生稀釋劑,常用的有:正丁基縮水甘油醚、烯丙基縮水甘油醚、二乙基己基縮水甘油醚、苯基縮水甘油醚。

                      3.6 填充劑

                      灌封料中填料的加入對提高環(huán)氧樹(shù)脂制品的某些物理性能和降低成本有明顯的作用。它的添加不僅能降低成本,還能降低固化物的熱膨脹系數、收縮率以及增加熱導率。在環(huán)氧灌封料中常用的填充劑有二氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化硼等材料。表1是常見(jiàn)無(wú)機填料的導熱系數。二氧化硅又分為結晶型、熔融角型和球形二氧化硅。在電子封裝用灌封料中,由于產(chǎn)品要求,優(yōu)選熔融球形二氧化硅。

                      3.7 消泡劑

                      為了解決液體封裝料同化后表面留有氣泡的問(wèn)題,可加入消泡劑。常用的是乳化硅油類(lèi)乳化劑。

                      3.8 增韌劑

                      增韌劑在灌封料中起著(zhù)重要作用,環(huán)氧樹(shù)脂的增韌改性主要通過(guò)加增韌劑、增塑劑等來(lái)改進(jìn)其韌性,增韌劑有活性和惰性?xún)煞N,活性增韌劑能和環(huán)氧樹(shù)脂一起參加反應,增加反應物的鏈節,從而增加固化物的韌性。一般選擇端羧劑液體丁腈橡膠,在體系內形成增韌的"海島結構",增加材料的沖擊韌度和耐熱沖擊性能。

                      3.9 其他組分

                      為滿(mǎn)足灌封件特定的技術(shù)、工藝要求,還可在配方中加人其他組分。如阻燃劑可提高材料的工藝性;著(zhù)色劑用以滿(mǎn)足制件外觀(guān)要求等。

                      4 灌封工藝

                      環(huán)氧樹(shù)脂灌封有常態(tài)和真空兩種工藝。

                      5 常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

                      5.1 放電、線(xiàn)間打火或擊穿現象

                      由于灌封工藝不當,器件在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生放電、線(xiàn)間打火或擊穿現象,這是因為這類(lèi)產(chǎn)品高壓線(xiàn)圈線(xiàn)徑很小(一般只有0.02mm~0.04mm),灌封料未能完全浸透匝間,造成線(xiàn)圈匝問(wèn)存留空隙。由于空隙介電常數遠小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下會(huì )產(chǎn)生不均勻電場(chǎng),引起局部放電,使材料老化分解造成絕緣破壞。從工藝角度來(lái)看,造成線(xiàn)間空隙有兩方面原因:(1)灌封時(shí)真空度不夠高,線(xiàn)問(wèn)空氣未能完全排除,使材料無(wú)法完全浸滲;(2)灌封前試件預熱溫度不夠,灌入試件物料黏度不能迅速降低,影響浸滲。對于手工灌封或先混合脫泡后真空灌封工藝,物料混合脫泡溫度高、作業(yè)時(shí)間長(cháng)或超過(guò)物料適用期以及灌封后產(chǎn)品未及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,都會(huì )造成物料黏度增大,影響對線(xiàn)圈的浸滲。熱同性環(huán)氧灌封材料復合物,起始溫度越高黏度越小,隨時(shí)間延長(cháng)黏度增長(cháng)也越迅速。因此,為使物料對線(xiàn)圈有良好的浸滲性,操作上應注意做到灌封料復合物應保持在合適的溫度范圍內,并在適用期內使用完畢。灌封前試件要加熱到規定溫度,灌封完畢應及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,灌封真空度要符合技術(shù)規范要求。

                      5.2 器件表面縮孔、局部凹陷、開(kāi)裂

                      灌封料在加熱同化過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生兩種收縮:由液態(tài)到固態(tài)相變過(guò)程中的化學(xué)收縮和降溫過(guò)程中的物理收縮。固化過(guò)程中的化學(xué)變化收縮又有兩個(gè)過(guò)程:從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應開(kāi)始到微觀(guān)網(wǎng)狀結構初步形成階段產(chǎn)生的收縮,稱(chēng)之為凝膠預固化收縮;從凝膠到完全固化階段產(chǎn)生的收縮我們稱(chēng)之為后固化收縮。這兩個(gè)過(guò)程的收縮量是不一樣的,前者由液態(tài)轉變成網(wǎng)狀結構過(guò)程中物理狀態(tài)發(fā)生突變,反應基團消耗量大于后者,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(guò)程中的兩個(gè)階段過(guò)于接近,凝膠預同化和后固化近乎同時(shí)完成,這不僅會(huì )引起過(guò)高的放熱峰、損壞元件,還會(huì )使灌封件產(chǎn)生巨大的內應力造成產(chǎn)品內部和外觀(guān)的缺損。為獲得良好的制件,必須在灌封料配方設計和固化工藝制定時(shí),重點(diǎn)關(guān)注灌封料的同化速度與固化條件的匹配問(wèn)題。通常采用的方法是依照灌封料的性質(zhì)、用途按不同溫區分段同化。在凝膠預固化溫區段灌封料同化反應緩慢進(jìn)行、反應熱逐漸釋放,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),則體積收縮表現為液面下降直至凝膠,可完全消除該階段體積收縮內應力。從凝膠預固化到后同化階段升溫應平緩,固化完畢灌封件應隨加熱設備同步緩慢降溫,多方面減少、調節制件內應力分布狀況,可避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開(kāi)裂現象。對灌封料固化條件的制訂,還要參照灌封器件內元件的排布、飽滿(mǎn)程度及制件大小、形狀、單只灌封量等。對單只灌封量較大而封埋元件較少的,適當地降低凝膠預固化溫度并延長(cháng)時(shí)間是完全必要的。

                      5.3 固化物表面不良或局部不固化

                      固化物表面不良或局部不固化等現象也多與固化工藝相關(guān)。中國環(huán)氧樹(shù)脂行業(yè)協(xié)會(huì )專(zhuān)家表示,其主要原因是計量或混合裝置失靈、生產(chǎn)人員操作失誤;A組分長(cháng)時(shí)間存放出現沉淀,用前未能充分攪拌均勻,造成樹(shù)脂和固化劑實(shí)際比例失調,B組分長(cháng)時(shí)間敞口存放,吸濕失效;高潮濕季節灌封件未及時(shí)進(jìn)入固化程序,物件表面吸濕??傊?,要獲得一個(gè)良好的灌封及固化工藝的確是一個(gè)值得高度重視的問(wèn)題。

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