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        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?#38405;?#20248;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?#38405;ܣ?#24182;提高使用?#38405;?#21644;稳定?#38382;?

        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?#38450;?#24120;温固化灌封料一般用于低压电器多采?#36152;?#24577;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?#23637;?#23553;工艺是我们本节研究的重点目前常见的有手工真?#23637;?#23553;和机械真?#23637;?#23553;两种方式而机械真?#23637;?#23553;又可分为AB组分先混合脱泡后灌封和先分别脱泡后混合灌封两?#26234;?#20917;其工艺流程如下 

        (1)手工真?#23637;?#23553;工艺  

        (2)机械真?#23637;?#23553;工艺  

        先混合脱泡后灌封工艺  

        AB先分别脱泡后混合灌封工艺  


        相比之下机械真?#23637;?#23553;,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?#26434;?#20110;手工真?#23637;?#23553;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?#35757;?#21040;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?#24535;?#37096;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0.020.04mm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?#19978;?#38388;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?#32422;?#39044;热温度不够灌人?#32422;?#29289;料黏度不能迅速降低影响浸渗  


        ?#26434;?#25163;工灌封或先混合脱泡后真?#23637;?#23553;工艺物料混合脱泡温度高作业时间长或超过物料?#35270;?#26399;?#32422;?#28748;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?#24405;?#28857;  

        1)灌封料复合物应保持在给定的温度范围内并在?#35270;?#26399;内使用完毕  

        2)灌封前?#32422;?#35201;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?#36136;账?#21363;由液态到固态相变过程中的化学?#36134;?#21644;降温过程中的物理?#36134;?#36827;一步分析固化过程中的化学变化?#36134;?#21448;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?#36134;?#25105;们称之为凝胶预固化?#36134;?#20174;凝胶到完全固化阶段产生的?#36134;?#25105;们称之为后固化?#36134;?#36825;两个过程的?#36134;?#37327;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?#36134;?#37327;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?#21277;?#32463;750/3h处理后其固化度为53% 


        若我们对灌封?#32422;?#37319;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?#26500;?#23553;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AB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?#23637;?#23553;料的性?#30465;?#29992;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?#22836;ţ?#29289;料黏度增加和体积?#36134;?#24179;?#33322;?#34892;此阶段物料处于流态则体积?#36134;?#34920;现为液面下降直至凝胶可完全消除该阶段体积?#36134;?#20869;应力从凝胶预固化?#33014;?#22266;化阶段升温也应平?#28023;?#22266;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?#20005;?#35937; 


        对灌封料固化条件的制订还要参?#23637;?#23553;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?#23548;?#27604;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)?#22351;?#20108;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?#26434;?#30340;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)?#32422;?#22810;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?#38405;?#20248;异的热同性高分子绝缘材料


        2产品?#38405;?#35201;求

        灌封料应满足如下基本要求?#38405;?#22909;?#35270;?#26399;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?#20004;?#23567;不分层固化放热峰低固化?#36134;?#23567;同化物电气?#38405;?#21644;力学?#38405;?#20248;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?#24515;?#29123;耐候导热耐高低温交变等?#38405;ܡ?

        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?#38405;ܡ?


        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?#38405;ܡ?

        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?#26434;?#35813;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?#33014;?


        3.1 环氧树脂

        环氧树脂灌封料一般采用?#22836;?#23376;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E54E-51E-44E-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?#38405;?#35201;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?#35270;?#37231;型树脂?#32422;?#20855;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?#38405;?#24456;大程?#28909;?#20915;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?#26041;?#34892;改性如利用多冗胺胺基上的活?#20204;?#37096;分与环氧基合成为羟烷基化及部分与丙烯晴合成为氰?#19968;?#21270;的综合改性可?#26500;?#21270;剂达到低黏度?#25237;M?#20302;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?#38405;?#20248;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?#39029;?#26102;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?#34892;?#38477;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?#38450;ࡣ部?#20351;用咪唑类化合物和?#20154;?#30340;金属盐如2-?#19968;?4-甲基咪唑2-甲基咪唑等


        3.4 ?#21058;?#21058;

        为了增加二氧化硅和环氧树脂之间的密着性需加入硅烷?#21058;?#21058;?#21058;?#21058;可以改善材料的粘接性?#22836;?#28526;性?#35270;?#20110;环氧树脂的常用硅烷?#21058;?#21058;有缩水?#35270;?#27687;丙基三氧基硅烷(KH-560)苯胺基甲三乙氧基硅烷-氯代丙基三甲氧基硅烷-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?#35753;?#26174;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?#22836;?#27963;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?#36134;?#29575;提高降低产品力学?#38405;?#21450;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?#38405;?#24433;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?#35270;选?#28911;丙基缩水?#35270;选?#20108;?#19968;?#24049;基缩水?#35270;选交?#32553;水?#35270;选?


        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?#38405;?#21644;降?#32479;?#26412;有明显的作用它的添加不仅能降?#32479;?#26412;还能降低固化物的热膨胀系数?#36134;室约?#22686;加热导?#30465;?#22312;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?#22336;?#20026;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?#25237;?#24615;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?#30340;?#24418;成增韧的"海岛结构"增加材料的冲击?#25237;?#21644;耐热冲击?#38405;ܡ?


        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?#21830;?#39640;材料的工?#25307;ԣ?#30528;色剂用?#26376;?#36275;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002mm004mm)灌封料未能完全浸透匝间造?#19978;?#22280;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?#19978;?#38388;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?#32422;?#39044;热温度不够灌入?#32422;?#29289;料黏度不能迅速降低影响浸渗?#26434;?#25163;工灌封或先混合脱泡后真?#23637;?#23553;工艺物料混合脱泡温度高作业时间长或超过物料?#35270;?#26399;?#32422;?#28748;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?#35270;?#26399;内使用完毕灌封前?#32422;?#35201;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?#36136;账?#30001;液态到固态相变过程中的化学?#36134;?#21644;降温过程中的物理?#36134;?#22266;化过程中的化学变化?#36134;?#21448;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?#36134;?#31216;之为凝胶预固化?#36134;?#20174;凝胶到完全固化阶段产生的?#36134;?#25105;们称之为后固化?#36134;?#36825;两个过程的?#36134;?#37327;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?#36134;?#37327;也高于后者如灌封?#32422;?#37319;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?#26500;?#23553;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?#23637;?#23553;料的性?#30465;?#29992;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?#22836;ţ?#29289;料黏度增加和体积?#36134;?#24179;?#33322;?#34892;此阶段物料处于流态则体积?#36134;?#34920;现为液面下?#25269;?#33267;凝胶可完全消除该阶段体积?#36134;?#20869;应力从凝胶预固化?#33014;?#21516;化阶段升温应平?#28023;?#22266;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?#20005;?#35937;对灌封料固化条件的制订还要参?#23637;?#23553;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?#23548;?#27604;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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