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(wěn)定參數(shù)。灌封工藝
灌封產(chǎn)品的質量,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,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)氧樹脂.胺類常溫固化灌封料,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(jié)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(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(chǎn)品。
灌封產(chǎn)品常出現(xiàn)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(chǎn)品,常因灌封工藝不當,工作時會出現(xiàn)局部放電(電暈)、線間打火或擊穿現(xiàn)象,是因為這類產(chǎn)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(shù)遠小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下,會產(chǎn)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(yè)時間長或超過物料適用期,以及灌封后產(chǎn)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(jù)上海常祥實業(yè)有限公司的專家介紹,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(guī)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(guī)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(chǎn)生兩種收縮,即由液態(tài)到固態(tài)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(lián)反應開始到微觀網(wǎng)狀結構初步形成階段產(chǎn)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(chǎn)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(tài)轉變成網(wǎng)狀結構過程中,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,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(chǎn)生巨大的內應力,造成產(chǎn)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(qū)分段固化的工藝。據(jù)專家介紹,彩色電視機行輸出變壓器灌封按不同溫區(qū)分段固化規(guī)程及制件內部放熱曲線。在凝膠預固化溫區(qū)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(tài),則體積收縮表現(xiàn)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(jié)制件內應力分布狀況,可避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開裂現(xiàn)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?shù)亟档湍z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(xiàn)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(chǎn)人員操作失誤。
2)A組分長時間存放出現(xiàn)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(jié)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(chǎn)品,灌封及固化工藝的確是一個值得高度重視的問題。
環(huán)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(jīng)出現(xiàn)過兩次重大的變革。第一次變革出現(xiàn)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(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(xiàn),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(fā)展,出現(xiàn)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(huán)氧材料封裝技術。灌封,就是將液態(tài)環(huán)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(yōu)異的熱同性高分子絕緣材料。
2、產(chǎn)品性能要求
灌封料應滿足如下基本要求:性能好,適用期長,適合大批量自動生產(chǎn)線作業(yè);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(yōu)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(shù)??;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(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(huán)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(huán)氧樹脂
環(huán)氧樹脂灌封料一般采用低分子液態(tài)雙酚A型環(huán)氧樹脂,這種樹脂黏度較小,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)氧樹脂不能滿足產(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脂:如加入黏度低的雙酚F型環(huán)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(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(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、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(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 固化促進劑
雙組分環(huán)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(shù)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(lián)劑
為了增加二氧化硅和環(huán)氧樹脂之間的密著性,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(chǎn)品收縮率提高,降低產(chǎn)品力學性能及熱變形?;钚韵♂寗﹨⑴c固化反應增加了反應物的鏈節(jié),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(shù)、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是常見無機填料的導熱系數(shù)。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(huán)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(huán)氧樹脂一起參加反應,增加反應物的鏈節(jié),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(huán)氧樹脂灌封有常態(tài)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(xiàn)象
由于灌封工藝不當,器件在工作時會產(chǎn)生放電、線間打火或擊穿現(xiàn)象,這是因為這類產(chǎn)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(shù)遠小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下會產(chǎn)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(yè)時間長或超過物料適用期以及灌封后產(chǎn)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(huán)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(guī)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(guī)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(chǎn)生兩種收縮:由液態(tài)到固態(tài)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(lián)反應開始到微觀網(wǎng)狀結構初步形成階段產(chǎn)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(chǎn)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(tài)轉變成網(wǎng)狀結構過程中物理狀態(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(chǎn)生巨大的內應力造成產(chǎn)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(qū)分段同化。在凝膠預固化溫區(qū)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(tài),則體積收縮表現(xiàn)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(jié)制件內應力分布狀況,可避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開裂現(xiàn)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?shù)亟档湍z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(xiàn)象也多與固化工藝相關。中國環(huán)氧樹脂行業(yè)協(xié)會專家表示,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組分長時間存放出現(xiàn)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(jié)灌封件未及時進入固化程序,物件表面吸濕??傊?,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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