环氧树脂灌封常用工艺与问题分析
作者:admin   日期:2017-4-18

灌封就是将液态复合物用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内,在常温或加热条件下固化成为性能优异的热固性高分子绝缘材料。可强化电子器件的整体性,提高对外来冲击、震动的抵抗力;提高内部元件、线路间绝缘,有利于器件小型化、轻量化;避免元件、线路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能,并提高使用性能和稳定参数。

灌封工艺

灌封产品的质量,主要与产品设计、元件选择、组装及所用灌封材料密切相关,灌封工艺也是不容忽视的因素。 

环氧灌封有常态和真空两种灌封工艺。环氧树脂.胺类常温固化灌封料,一般用于低压电器,多采用常态灌封。环氧树脂.酸酐加热固化灌封料,一般用于高压电子器件灌封,多采用真空灌封工艺,是我们本节研究的重点。目前常见的有手工真空灌封和机械真空灌封两种方式,而机械真空灌封又可分为A、B组分先混合脱泡后灌封和先分别脱泡后混合灌封两种情况。其工艺流程如下: 

(1)手工真空灌封工艺  

(2)机械真空灌封工艺  

先混合脱泡后灌封工艺  

A、B先分别脱泡后混合灌封工艺  


相比之下,机械真空灌封,设备投资大,维护费用高,但在产品的一致性、可靠性等方面明显优于手工真空灌封工艺。无论何种灌封方式,都应严格遵守给定的工艺条件,否则很难得到满意的产品。  

灌封产品常出现的问题及原因分析

(1)局部放电起始电压低,线间打火或击穿 电视机、显示器行输出变压器,汽车、摩托车点火器等高压电子产品,常因灌封工艺不当,工作时会出现局部放电(电晕)、线间打火或击穿现象,是因为这类产品高压线圈线径很小,一般只有0.02~0.04mm,灌封料未能完全浸透匝间,使线圈匝间存留空隙。由于空隙介电常数远小于环氧灌封料,在交变高压条件下,会产生不均匀电场,引起界面局部放电,使材料老化分解,引起绝缘破坏。  


从工艺角度分析,造成线间空隙有以下两方面原因:  

1)灌封时真空度不够高,线间空气未能完全排除,使材料无法完全浸渗。  

2)灌封前试件预热温度不够,灌人试件物料黏度不能迅速降低,影响浸渗。  


对于手工灌封或先混合脱泡后真空灌封工艺,物料混合脱泡温度高、作业时间长或超过物料适用期,以及灌封后产品未及时进入加热固化程序,都会造成物料黏度增大,影响对线圈的浸渗。据上海常祥实业有限公司的专家介绍,热固化环氧灌封材料复合物,起始温度越高,黏度越小,随时间延长,黏度增长也越迅速。因此为使物料对线圈有良好的浸渗性,操作上应注意如下几点:  

1)灌封料复合物应保持在给定的温度范围内,并在适用期内使用完毕。  

2)灌封前,试件要加热到规定温度,灌封完毕应及时进入加热固化程序。  

3)灌封真空度要符合技术规范要求。 


(2)灌封件表面缩孔、局部凹陷、开裂灌封料在加热固化过程中,会产生两种收缩,即由液态到固态相变过程中的化学收缩和降温过程中的物理收缩。进一步分析,固化过程中的化学变化收缩又有两个过程,从灌封后加热化学交联反应开始到微观网状结构初步形成阶段产生的收缩,我们称之为凝胶预固化收缩。从凝胶到完全固化阶段产生的收缩我们称之为后固化收缩。这两个过程的收缩量是不一样的。前者由液态转变成网状结构过程中,物理状态发生突变,反应基团消耗量大于后者,体积收缩量也高于后者。凝胶预固化阶段(75℃/3h)环氧基消失大于后固化阶段(110℃/3h),差热分析结果也证明这点,试样经750℃/3h处理后其固化度为53%。 


若我们对灌封试件采取一次高温固化,则固化过程中的两个阶段过于接近,凝胶预固化和后固化近乎同时完成,这不仅会引起过高的放热峰,损坏元件,还会使灌封件产生巨大的内应力,造成产品内部和外观的缺损。为获得良好的制件,我们必须在灌封料配方设计和固化工艺制定时,重点关注灌封料的固化速度(即A、B复合物凝胶时间)与固化条件的匹配问题。通常采用的方法是:依照灌封料的性质、用途按不同温区分段固化的工艺。据专家介绍,彩色电视机行输出变压器灌封按不同温区分段固化规程及制件内部放热曲线。在凝胶预固化温区段灌封料固化反应缓慢进行,反应热逐渐释放,物料黏度增加和体积收缩平缓进行。此阶段物料处于流态,则体积收缩表现为液面下降,直至凝胶,可完全消除该阶段体积收缩内应力。从凝胶预固化到后固化阶段,升温也应平缓,固化完毕,灌封件应随加热设备同步缓慢降温,多方面减少、调节制件内应力分布状况,可避免制件表面产生缩孔、凹陷甚至开裂现象。 


对灌封料固化条件的制订,还要参照灌封制件内封埋元件的排布、饱满程度及制件大小、形状、单只灌封量等。对单只灌封量较大而封埋元件较少的,适当地降低凝胶预固化温度并延长时间是完全必要的。 


(3)固化物表面不良或局部不固化这些现象也多与固化工艺相关。主要原因是: 

1)计量或混合装置失灵、生产人员操作失误。 

2)A组分长时间存放出现沉淀,用前未能充分搅拌均匀,造成树脂和固化剂实际比例失调。 

3)B组分长时间敞口存放、吸湿失效。 

4)高潮湿季节灌封件未及时进入固化程序,物件表面吸湿。 

总之,要获得一个良好的灌封产品,灌封及固化工艺的确是一个值得高度重视的问题。

环氧树脂灌封料及其工艺和常见问题

1、封装技术变革史

在电子封装技术领域曾经出现过两次重大的变革。第一次变革出现在20世纪70年代前半期,其特征是由针脚插入式安装技术(如DIP)过渡到四边扁平封装的表面贴装技术(如QFP);第二次转变发生在20世纪90年代中期,其标志是焊球阵列.BGA型封装的出现,与此对应的表面贴装技术与半导体集成电路技术一起跨人21世纪。随着技术的发展,出现了许多新的封装技术和封装形式,如芯片直接粘接、灌封式塑料焊球阵列(CD-PBGA)、倒装片塑料焊球阵列(Fc-PBGA)、芯片尺寸封装(CSP)以及多芯片组件(MCM)等,在这些封装中,有相当一部分使用了液体环氧材料封装技术。灌封,就是将液态环氧树脂复合物用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内,在常温或加热条件下同化成为性能优异的热同性高分子绝缘材料。


2、产品性能要求

灌封料应满足如下基本要求:性能好,适用期长,适合大批量自动生产线作业;黏度小,浸渗性强,可充满元件和线间;在灌封和固化过程中,填充剂等粉体组分沉降小,不分层;固化放热峰低,固化收缩小;同化物电气性能和力学性能优异,耐热性好,对多种材料有良好的粘接性,吸水性和线膨胀系数小;在某些场合还要求灌封料具有难燃、耐候、导热、耐高低温交变等性能。

在具体的半导体封装中,由于材料要与芯片、基板直接接触,除满足上述要求外,还要求产品必须具有与芯片装片材料相同的纯度。在倒装芯片的灌封中,由于芯片与基板间的间隙很小,要求灌封料的黏度极低。为了减少芯片与封装材料间产生的应力,封装材料的模量不能太高。而且为了防止界面处水分渗透,封装材料与芯片、基板之间应具有很好的粘接性能。


3、灌封料的主要组份及作用

灌封料的作用是强化电子器件的整体性,提高对外来冲击、震动的抵抗力;提高内部元件、线路间绝缘,有利于器件小型化、轻量化;避免元件、线路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能。

环氧树脂灌封料是一多组分的复合体系,它南树脂、固化剂、增韧剂、填充剂等组成,对于该体系的黏度、反应活性、使用期、放热量等都需要在配方、工艺、铸件尺寸结构等方面作全面的设计,做到综合平衡。


3.1 环氧树脂

环氧树脂灌封料一般采用低分子液态双酚A型环氧树脂,这种树脂黏度较小,环氧值高。常用的有E.54、E-51、E-44、E-42。在倒装芯片下填充的灌封中,由于芯片与基板之间的间隙很小,因此要求液体封装料的黏度极低。故单独使用双酚A型环氧树脂不能满足产品要求。为了降低产品黏度,达到产品性能要求,我们可以采用组合树脂:如加入黏度低的双酚F型环氧树脂、缩水甘油酯型树脂以及具有较高耐热、电绝缘性和耐候性的脂环族环氧化物。其中,脂环族环氧化物本身还具有活性稀释剂的作用。


3.2 固化剂

同化剂是环氧灌封料配方中的重要成分,固化物性能很大程度取决于固化剂的结构。

(1)室温同化一般采用脂肪族多元胺做固化剂,但这类固化剂毒性大、刺激性强、放热激烈,同化和使用过程中易氧化。因此,需要对多元胺进行改性,如利用多冗胺胺基上的活泼氢,部分与环氧基合成为羟烷基化及部分与丙烯晴合成为氰乙基化的综合改性,可使固化剂达到低黏度、低毒、低熔点、室温固化并有一定韧性的综合改性效果。

(2)酸酐类同化剂是双组分加热固化环氧灌封料最重要的同化剂。常用的同化剂有液体甲基四氢邻苯二甲酸酐、液体甲基六氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐等。这类固化剂黏度小,配合用量大,能在灌封料配方中起到同化、稀释双重作用,固化放热缓和,同化物综合性能优异。


3.3 固化促进剂

双组分环氧一酸酐灌封料,一般要在140℃左右长时间加热才能固化。这样的固化条件,不仅造成能源浪费,而且多数电子器件中的元件、骨架外壳是难以承受的。配方中加入促进剂组分则可有效降低固化温度、缩短固化时间。常用的促进剂有:卞基二胺、DMP-30等叔胺类。也可使用咪唑类化合物和羧酸的金属盐,如2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑等。


3.4 偶联剂

为了增加二氧化硅和环氧树脂之间的密着性,需加入硅烷偶联剂。偶联剂可以改善材料的粘接性和防潮性。适用于环氧树脂的常用硅烷偶联剂有缩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-巯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 活性稀释剂

单独使用环氧树脂,加入无机填料后黏度明显增大,不利于操作和消泡,常需加入一定量的稀释剂,以增加其流动性和渗透I生,并延长使用期,稀释剂有活性和非活性之分。非活性稀释剂不参与固化反应,加人量过多,易造成产品收缩率提高,降低产品力学性能及热变形。活性稀释剂参与固化反应增加了反应物的链节,对固化物性能影响较小。灌封料中选用的就是活性生稀释剂,常用的有:正丁基缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、二乙基己基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚。


3.6 填充剂

灌封料中填料的加入对提高环氧树脂制品的某些物理性能和降低成本有明显的作用。它的添加不仅能降低成本,还能降低固化物的热膨胀系数、收缩率以及增加热导率。在环氧灌封料中常用的填充剂有二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。表1是常见无机填料的导热系数。二氧化硅又分为结晶型、熔融角型和球形二氧化硅。在电子封装用灌封料中,由于产品要求,优选熔融球形二氧化硅。


3.7 消泡剂

为了解决液体封装料同化后表面留有气泡的问题,可加入消泡剂。常用的是乳化硅油类乳化剂。


3.8 增韧剂

增韧剂在灌封料中起着重要作用,环氧树脂的增韧改性主要通过加增韧剂、增塑剂等来改进其韧性,增韧剂有活性和惰性两种,活性增韧剂能和环氧树脂一起参加反应,增加反应物的链节,从而增加固化物的韧性。一般选择端羧剂液体丁腈橡胶,在体系内形成增韧的"海岛结构",增加材料的冲击韧度和耐热冲击性能。


3.9 其他组分

为满足灌封件特定的技术、工艺要求,还可在配方中加人其他组分。如阻燃剂可提高材料的工艺性;着色剂用以满足制件外观要求等。


4 灌封工艺

环氧树脂灌封有常态和真空两种工艺。

5 常见问题及解决方法

5.1 放电、线间打火或击穿现象

由于灌封工艺不当,器件在工作时会产生放电、线间打火或击穿现象,这是因为这类产品高压线圈线径很小(一般只有0.02mm~0.04mm),灌封料未能完全浸透匝间,造成线圈匝问存留空隙。由于空隙介电常数远小于环氧灌封料,在交变高压条件下会产生不均匀电场,引起局部放电,使材料老化分解造成绝缘破坏。从工艺角度来看,造成线间空隙有两方面原因:(1)灌封时真空度不够高,线问空气未能完全排除,使材料无法完全浸渗;(2)灌封前试件预热温度不够,灌入试件物料黏度不能迅速降低,影响浸渗。对于手工灌封或先混合脱泡后真空灌封工艺,物料混合脱泡温度高、作业时间长或超过物料适用期以及灌封后产品未及时进入加热固化程序,都会造成物料黏度增大,影响对线圈的浸渗。热同性环氧灌封材料复合物,起始温度越高黏度越小,随时间延长黏度增长也越迅速。因此,为使物料对线圈有良好的浸渗性,操作上应注意做到灌封料复合物应保持在合适的温度范围内,并在适用期内使用完毕。灌封前试件要加热到规定温度,灌封完毕应及时进入加热固化程序,灌封真空度要符合技术规范要求。


5.2 器件表面缩孔、局部凹陷、开裂

灌封料在加热同化过程中会产生两种收缩:由液态到固态相变过程中的化学收缩和降温过程中的物理收缩。固化过程中的化学变化收缩又有两个过程:从灌封后加热化学交联反应开始到微观网状结构初步形成阶段产生的收缩,称之为凝胶预固化收缩;从凝胶到完全固化阶段产生的收缩我们称之为后固化收缩。这两个过程的收缩量是不一样的,前者由液态转变成网状结构过程中物理状态发生突变,反应基团消耗量大于后者,体积收缩量也高于后者。如灌封试件采取一次高温固化,则固化过程中的两个阶段过于接近,凝胶预同化和后固化近乎同时完成,这不仅会引起过高的放热峰、损坏元件,还会使灌封件产生巨大的内应力造成产品内部和外观的缺损。为获得良好的制件,必须在灌封料配方设计和固化工艺制定时,重点关注灌封料的同化速度与固化条件的匹配问题。通常采用的方法是依照灌封料的性质、用途按不同温区分段同化。在凝胶预固化温区段灌封料同化反应缓慢进行、反应热逐渐释放,物料黏度增加和体积收缩平缓进行。此阶段物料处于流态,则体积收缩表现为液面下降直至凝胶,可完全消除该阶段体积收缩内应力。从凝胶预固化到后同化阶段升温应平缓,固化完毕灌封件应随加热设备同步缓慢降温,多方面减少、调节制件内应力分布状况,可避免制件表面产生缩孔、凹陷甚至开裂现象。对灌封料固化条件的制订,还要参照灌封器件内元件的排布、饱满程度及制件大小、形状、单只灌封量等。对单只灌封量较大而封埋元件较少的,适当地降低凝胶预固化温度并延长时间是完全必要的。


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现象也多与固化工艺相关。中国环氧树脂行业协会专家表示,其主要原因是计量或混合装置失灵、生产人员操作失误;A组分长时间存放出现沉淀,用前未能充分搅拌均匀,造成树脂和固化剂实际比例失调,B组分长时间敞口存放,吸湿失效;高潮湿季节灌封件未及时进入固化程序,物件表面吸湿。总之,要获得一个良好的灌封及固化工艺的确是一个值得高度重视的问题。

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