室温固化透明环氧树脂灌封胶的研制
作者:admin   日期:2014-2-25

灌封工艺是指借助于灌封材料将构成电子元器件的各元件按要求合理布置、组装、连接、密封和保护的一种操作工艺,以防止水分、尘埃和有害气体等对电子元器件的侵入,使电子元器件达到减缓振动、防止外力损伤和稳定参数等目的[1]。电子元器件用灌封材料(通常指灌封胶)的种类很多,主要有EP(环氧树脂)灌封胶、有机硅灌封胶和PU(聚氨酯)灌封胶等。其中,EP 灌封胶具有优异的力学性能、电绝缘性能、耐热性能、耐化学介质性能且成型工艺简单等特点,在机械、电子、通讯和航空航天等高新技术领域中得到广泛应用; 然而,EP 灌封胶固化后具有脆性大、韧性差且修复性欠佳等缺点,从而极大限制了其在某些特殊领域中的推广与应用。因此, 近年来国内外科研人员对EP 灌封胶的改性进行了大量研究, 目前大多数EP 的改性研究主要集中在增韧改性方面。

本研究以双酚A 型EP(即E-51)作为基体树脂,苯甲醇作为稀释剂,透明性良好的聚醚胺(D-230)作为固化剂, 并引入与D-230 协同效应良好的N-AEP(N-壬基酚),制备双组分透明室温固化型EP 灌封胶。该EP 灌封胶能使所封装的电解电容、小型变压器等电子元器件清晰可见,并且可采用针刺法逐个测量电子元器件的某些参数,有利于其检测与返修。

1. 试验部分

1.1 试验原料

环氧树脂(EP),工业级(牌号E-51),广州市度特化工专业化工原料经营公司;N-壬基酚(N-AEP),工业级,南京中恒化工有限公司;聚醚胺(D-230),工业级,苏州长科实业有限公司;苯甲醇,分析纯,上海迈瑞尔化学技术有限公司;消泡剂,工业级(牌号691),市售。

1.2 试验仪器

WDW-20 型电子万能材料试验机,深圳市君瑞仪器设备有限公司;CN61M/KY-PCY-III 型材料线膨胀系数测定仪, 北京中西远大科技有限公司;

XHS-A 型邵氏硬度计, 营口市新兴试验机械厂;三辊研磨机,常州市龙鑫化工机械有限公司;XJJUD-50型组合式简梁悬臂梁冲击试验机,济南永科试验仪器有限公司;QBC-3D 型高频Q 表配合S914 型介质损耗测试装置, 上海爱使电子仪器厂;WKW-400型系列计算机控制热变形维卡温度测定仪,长春市智能仪器设备有限公司。

1.3 试验制备

(1)A 组分的制备:将EP、苯甲醇、N-AEP 和消泡剂等混合均匀、高速搅拌后,抽真空包装,即得A组分。

(2)B 组分的制备:将D-230、苯甲醇等混合均匀后,即得B 组分。

(3)EP 灌封胶的配制及测试用浇铸体的制备:按照m(A 组分)∶m(B 组分)=5∶1 比例,将两者混合均匀后浇入模腔内,(23±2) ℃固化7 d 后, 进行各项性能的测定。

1.4 测试或表征

(1)线膨胀系数:按照GB/T 1036?2008 标准进行测定。

(2)吸水率:按照GB/T 1034?2008 标准进行测定, 则吸水率=(浸泡后试样质量-浸泡前干燥至恒重的试样质量)/浸泡前干燥至恒重的试样质量。

(3)弯曲强度:按照GB/T 2570?1995 标准,采用万能材料试验机进行测定(加载速率为5 mm/min,室温测定)。

(4)冲击强度:按照GB/T 6328?1999 标准进行测定(试样尺寸为540 mm×320 mm×740 mm,5~35 ℃测定)。

(5)介电常数:按照GB/T 1694?1981 标准,采用介质损耗测试装置进行(室温)测定。

(6)硬度:按照GB/T 531.1?2008 标准,采用邵氏硬度计进行测定(室温)。

(7)热变形温度:按照GB/T 1634?2004 标准进行测定(交流电压为220 V,频率为50 Hz)。

2. 结果与讨论

2.1 EP 的选择

EP 几乎无单独使用价值;通常,只有当其与固化剂反应后,生成的三维交联网状聚合物(不溶不熔)才具有使用价值[ 2]。

EP 的种类繁多, 而E-51 具有优异的粘接性能、耐化学腐蚀性能和相容性(与溶剂、消泡剂等),有利于施工操作。因此,本研究选择E-51 作为EP灌封胶的基体树脂。

2.2 稀释剂的选择

通常采用活性稀释剂和非活性稀释剂稀释EP灌封胶:活性稀释剂具有价格较高、挥发性和毒性较大等缺点;非活性稀释剂的VOC(有机挥发物)含量较高,并且会发生迁移。苯甲醇本身无毒(可用于人体注射试剂)、沸点高(不易挥发)、极性强(与EP相容性好, 无迁移现象)、能促进EP/胺的固化反应(加快反应速率)、疏水性强(能显著提高涂层的光泽、降低白化现象)且能提高EP 固化物的韧性,但其需避光保存(否则会出现变黄等现象)。

因此, 本研究选择苯甲醇作为EP 灌封胶的稀释剂,并在其他条件保持不变的前提下,考察了苯甲醇含量对灌封胶性能的影响,结果如表1 所示。

 

 

由表1 可知: 随着苯甲醇含量的不断增加,灌封胶的吸水率略有上升,硬度、介电常数和热变形温度均呈先升后降态势。这是由于稀释剂含量过多时,会使产物固化不完全所致。

综合考虑,选择w(苯甲醇)=15%时较适宜,此时灌封胶的综合性能相对最好。

2.3 固化剂的选择

固化剂是EP 灌封胶的主要组分之一, 其种类和性能不仅直接影响EP 灌封胶的主要性能(如力学性能、光学性能和粘接性能等)[3],而且对EP 灌封胶的固化速率、表面光亮度及使用期限等也影响较大;另外,EP 本身是低Mr(相对分子质量)的热塑性低聚物, 必须加入碱性或酸性固化剂才能使EP 中的环氧基团开环、交联,并形成不溶不熔网状结构的固化产物[4]。

根据灌封胶的工艺要求,灌封胶的黏度要尽可能低些(一方面可使灌胶过程顺利进行,另一方面有利于体系充分排泡), 固化温度及固化速度应适中[固化温度过低时,固化速率过慢,此时虽有利于体系流平消泡,但生产效率下降;固化温度过高时,体系反应速率过快,虽提高了生产效率,但塑料外壳因温度过高而易变形,并且固化太快易引起爆聚且不利于消泡(表面流平差)]。

因此, 本研究要求固化剂必须满足适用期较长、活性较高、黏度较低、电性能较好和透明性较高等指标要求。大量对比试验结果表明:透明性较好的D-230 固化剂与N-AEP 之间具有良好的协同效应,并且完全满足EP 灌封胶用固化剂的使用要求,而且可作为EP 灌封胶的室温固化剂。因此,本研究以D-230/N-AEP 作为EP 灌封胶的固化剂, 并在其他条件保持不变的前提下,考察了两者总含量对灌封胶性能的影响,结果如表2 所示。由表2 可知:随着固化剂总含量的不断增加, 灌封胶的介电常数、冲击强度、热变形温度和硬度等均呈先升后降态势。

 

 

这是由于固化剂总含量较少时,灌封胶没有完全被固化,即灌封材料中基体树脂在较短时间内没有形成最佳的立体交联网状结构,故灌封胶的力学性能相对较差;同时,材料易在较低电场强度作用下取向,对体系中的电子束缚能也明显降低,故材料的介电性能降低。当体系中固化剂总含量过多时,多余的固化剂(含有醚键)在体系中起到增韧剂的作用, 故灌封胶的力学强度下降、韧性提高;同时,灌封胶的固化速率过快,不利于体系趋向极化,故材料的介电性能降低。

综合考虑,选择w(D-230/N-AEP)=35%时较适宜,此时灌封胶的综合性能相对最好。

2.4 灌封胶的优化配方确定与验证

综上所述, 制备透明EP 灌封胶的最优配方为m(EP)∶m(苯甲醇)∶m(N-AEP)∶m(D-230)∶m(消泡剂)=100∶15∶5∶30∶适量,其实测性能如表3 所示。由表3 可知:由最优配方制成的灌封胶,其各项性能均满足指标要求,具有良好的应用前景。

3. 结语

(1)以E-51 作为基体树脂、D-230 作为固化剂,并引入与D-230 协同效应良好的N-AEP, 制备双组分透明EP 灌封胶; 然后采用单因素试验法优选出制备该灌封胶的最优配方。

(2)与使用单一固化剂D-230 体系相比,本研究自制的双组分透明EP 灌封胶在保证力学性能、电绝缘性能和耐热性等满足要求的前提下,比前者具有更高的透光性、透明性和光泽度,并且更有利于电子元器件的检测与返修。

(3)该双组分透明EP 灌封胶的综合性能良好,可广泛用于电解电容、小型变压器等常温灌封。