1. 環氧樹脂灌封常用工藝與問題分析
      作者:admin   日期:2017-4-18

      灌封就是將液態復合物用機械或手工方式灌入裝有電子元件、線路的器件內,在常溫或加熱條件下固化成為性能優異的熱固性高分子絕緣材料。可強化電子器件的整體性,提高對外來沖擊、震動的抵抗力;提高內部元件、線路間絕緣,有利于器件小型化、輕量化;避免元件、線路直接暴露,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

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

      環氧灌封有常態和真空兩種灌封工藝。環氧樹脂.胺類常溫固化灌封料,一般用于低壓電器,多采用常態灌封。環氧樹脂.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。目前常見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,但在產品的一致性、可靠性等方面明顯優于手工真空灌封工藝。無論何種灌封方式,都應嚴格遵守給定的工藝條件,否則很難得到滿意的產品。  

      灌封產品常出現的問題及原因分析

      (1)局部放電起始電壓低,線間打火或擊穿 電視機、顯示器行輸出變壓器,汽車、摩托車點火器等高壓電子產品,常因灌封工藝不當,工作時會出現局部放電(電暈)、線間打火或擊穿現象,是因為這類產品高壓線圈線徑很小,一般只有0.02~0.04mm,灌封料未能完全浸透匝間,使線圈匝間存留空隙。由于空隙介電常數遠小于環氧灌封料,在交變高壓條件下,會產生不均勻電場,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,造成線間空隙有以下兩方面原因:  

      1)灌封時真空度不夠高,線間空氣未能完全排除,使材料無法完全浸滲。  

      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、作業時間長或超過物料適用期,以及灌封后產品未及時進入加熱固化程序,都會造成物料黏度增大,影響對線圈的浸滲。據上海常祥實業有限公司的專家介紹,熱固化環氧灌封材料復合物,起始溫度越高,黏度越小,隨時間延長,黏度增長也越迅速。因此為使物料對線圈有良好的浸滲性,操作上應注意如下幾點:  

      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,灌封完畢應及時進入加熱固化程序。  

      3)灌封真空度要符合技術規范要求。 


      (2)灌封件表面縮孔、局部凹陷、開裂灌封料在加熱固化過程中,會產生兩種收縮,即由液態到固態相變過程中的化學收縮和降溫過程中的物理收縮。進一步分析,固化過程中的化學變化收縮又有兩個過程,從灌封后加熱化學交聯反應開始到微觀網狀結構初步形成階段產生的收縮,我們稱之為凝膠預固化收縮。從凝膠到完全固化階段產生的收縮我們稱之為后固化收縮。這兩個過程的收縮量是不一樣的。前者由液態轉變成網狀結構過程中,物理狀態發生突變,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)環氧基消失大于后固化階段(110℃/3h),差熱分析結果也證明這點,試樣經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,則固化過程中的兩個階段過于接近,凝膠預固化和后固化近乎同時完成,這不僅會引起過高的放熱峰,損壞元件,還會使灌封件產生巨大的內應力,造成產品內部和外觀的缺損。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,重點關注灌封料的固化速度(即A、B復合物凝膠時間)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、用途按不同溫區分段固化的工藝。據專家介紹,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。在凝膠預固化溫區段灌封料固化反應緩慢進行,反應熱逐漸釋放,物料黏度增加和體積收縮平緩進行。此階段物料處于流態,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,可避免制件表面產生縮孔、凹陷甚至開裂現象。 


      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時間是完全必要的。 


      (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。主要原因是: 

      1)計量或混合裝置失靈、生產人員操作失誤。 

      2)A組分長時間存放出現沉淀,用前未能充分攪拌均勻,造成樹脂和固化劑實際比例失調。 

      3)B組分長時間敞口存放、吸濕失效。 

      4)高潮濕季節灌封件未及時進入固化程序,物件表面吸濕。 

      總之,要獲得一個良好的灌封產品,灌封及固化工藝的確是一個值得高度重視的問題。

      環氧樹脂灌封料及其工藝和常見問題

      1、封裝技術變革史

      在電子封裝技術領域曾經出現過兩次重大的變革。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(如DIP)過渡到四邊扁平封裝的表面貼裝技術(如QFP);第二次轉變發生在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與半導體集成電路技術一起跨人21世紀。隨著技術的發展,出現了許多新的封裝技術和封裝形式,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氧材料封裝技術。灌封,就是將液態環氧樹脂復合物用機械或手工方式灌入裝有電子元件、線路的器件內,在常溫或加熱條件下同化成為性能優異的熱同性高分子絕緣材料。


      2、產品性能要求

      灌封料應滿足如下基本要求:性能好,適用期長,適合大批量自動生產線作業;黏度小,浸滲性強,可充滿元件和線間;在灌封和固化過程中,填充劑等粉體組分沉降小,不分層;固化放熱峰低,固化收縮小;同化物電氣性能和力學性能優異,耐熱性好,對多種材料有良好的粘接性,吸水性和線膨脹系數小;在某些場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,除滿足上述要求外,還要求產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,提高對外來沖擊、震動的抵抗力;提高內部元件、線路間絕緣,有利于器件小型化、輕量化;避免元件、線路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能。

      環氧樹脂灌封料是一多組分的復合體系,它南樹脂、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 環氧樹脂

      環氧樹脂灌封料一般采用低分子液態雙酚A型環氧樹脂,這種樹脂黏度較小,環氧值高。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型環氧樹脂不能滿足產品要求。為了降低產品黏度,達到產品性能要求,我們可以采用組合樹脂:如加入黏度低的雙酚F型環氧樹脂、縮水甘油酯型樹脂以及具有較高耐熱、電絕緣性和耐候性的脂環族環氧化物。其中,脂環族環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,但這類固化劑毒性大、刺激性強、放熱激烈,同化和使用過程中易氧化。因此,需要對多元胺進行改性,如利用多冗胺胺基上的活潑氫,部分與環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、室溫固化并有一定韌性的綜合改性效果。

      (2)酸酐類同化劑是雙組分加熱固化環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,同化物綜合性能優異。


      3.3 固化促進劑

      雙組分環氧一酸酐灌封料,一般要在140℃左右長時間加熱才能固化。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。配方中加入促進劑組分則可有效降低固化溫度、縮短固化時間。常用的促進劑有:卞基二胺、DMP-30等叔胺類。也可使用咪唑類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 偶聯劑

      為了增加二氧化硅和環氧樹脂之間的密著性,需加入硅烷偶聯劑。偶聯劑可以改善材料的粘接性和防潮性。適用于環氧樹脂的常用硅烷偶聯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

      單獨使用環氧樹脂,加入無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,以增加其流動性和滲透I生,并延長使用期,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,加人量過多,易造成產品收縮率提高,降低產品力學性能及熱變形。活性稀釋劑參與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氧樹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是常見無機填料的導熱系數。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,由于產品要求,優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題,可加入消泡劑。常用的是乳化硅油類乳化劑。


      3.8 增韌劑

      增韌劑在灌封料中起著重要作用,環氧樹脂的增韌改性主要通過加增韌劑、增塑劑等來改進其韌性,增韌劑有活性和惰性兩種,活性增韌劑能和環氧樹脂一起參加反應,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

      為滿足灌封件特定的技術、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;著色劑用以滿足制件外觀要求等。


      4 灌封工藝

      環氧樹脂灌封有常態和真空兩種工藝。

      5 常見問題及解決方法

      5.1 放電、線間打火或擊穿現象

      由于灌封工藝不當,器件在工作時會產生放電、線間打火或擊穿現象,這是因為這類產品高壓線圈線徑很小(一般只有0.02mm~0.04mm),灌封料未能完全浸透匝間,造成線圈匝問存留空隙。由于空隙介電常數遠小于環氧灌封料,在交變高壓條件下會產生不均勻電場,引起局部放電,使材料老化分解造成絕緣破壞。從工藝角度來看,造成線間空隙有兩方面原因:(1)灌封時真空度不夠高,線問空氣未能完全排除,使材料無法完全浸滲;(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、作業時間長或超過物料適用期以及灌封后產品未及時進入加熱固化程序,都會造成物料黏度增大,影響對線圈的浸滲。熱同性環氧灌封材料復合物,起始溫度越高黏度越小,隨時間延長黏度增長也越迅速。因此,為使物料對線圈有良好的浸滲性,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,灌封完畢應及時進入加熱固化程序,灌封真空度要符合技術規范要求。


      5.2 器件表面縮孔、局部凹陷、開裂

      灌封料在加熱同化過程中會產生兩種收縮:由液態到固態相變過程中的化學收縮和降溫過程中的物理收縮。固化過程中的化學變化收縮又有兩個過程:從灌封后加熱化學交聯反應開始到微觀網狀結構初步形成階段產生的收縮,稱之為凝膠預固化收縮;從凝膠到完全固化階段產生的收縮我們稱之為后固化收縮。這兩個過程的收縮量是不一樣的,前者由液態轉變成網狀結構過程中物理狀態發生突變,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,則固化過程中的兩個階段過于接近,凝膠預同化和后固化近乎同時完成,這不僅會引起過高的放熱峰、損壞元件,還會使灌封件產生巨大的內應力造成產品內部和外觀的缺損。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,重點關注灌封料的同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、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行、反應熱逐漸釋放,物料黏度增加和體積收縮平緩進行。此階段物料處于流態,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,可避免制件表面產生縮孔、凹陷甚至開裂現象。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時間是完全必要的。


      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。中國環氧樹脂行業協會專家表示,其主要原因是計量或混合裝置失靈、生產人員操作失誤;A組分長時間存放出現沉淀,用前未能充分攪拌均勻,造成樹脂和固化劑實際比例失調,B組分長時間敞口存放,吸濕失效;高潮濕季節灌封件未及時進入固化程序,物件表面吸濕。總之,要獲得一個良好的灌封及固化工藝的確是一個值得高度重視的問題。

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