灌封就是將液態(tài)復(fù)合物用機(jī)械或手工方式灌入裝有電子元件、線路的器件內(nèi),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?qiáng)化電子器件的整體性,提高對(duì)外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力;提高內(nèi)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(zhì)量,主要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元件選擇、組裝及所用灌封材料密切相關(guān),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(diǎn)。目前常見的有手工真空灌封和機(jī)械真空灌封兩種方式,而機(jī)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(jī)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(jī)械真空灌封,設(shè)備投資大,維護(hù)費(fèi)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(wú)論何種灌封方式,都應(yīng)嚴(yán)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(jī)、顯示器行輸出變壓器,汽車、摩托車點(diǎn)火器等高壓電子產(chǎn)品,常因灌封工藝不當(dāng),工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部放電(電暈)、線間打火或擊穿現(xiàn)象,是因?yàn)檫@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(yuǎn)小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下,會(huì)產(chǎn)生不均勻電場(chǎng),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(shí)真空度不夠高,線間空氣未能完全排除,使材料無(wú)法完全浸滲。
2)灌封前試件預(yù)熱溫度不夠,灌人試件物料黏度不能迅速降低,影響浸滲。
對(duì)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(shí)間長(zhǎng)或超過(guò)物料適用期,以及灌封后產(chǎn)品未及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,都會(huì)造成物料黏度增大,影響對(duì)線圈的浸滲。據(jù)上海常祥實(shí)業(yè)有限公司的專家介紹,熱固化環(huán)氧灌封材料復(fù)合物,起始溫度越高,黏度越小,隨時(shí)間延長(zhǎng),黏度增長(zhǎng)也越迅速。因此為使物料對(duì)線圈有良好的浸滲性,操作上應(yīng)注意如下幾點(diǎn):
1)灌封料復(fù)合物應(yīng)保持在給定的溫度范圍內(nèi),并在適用期內(nèi)使用完畢。
2)灌封前,試件要加熱到規(guī)定溫度,灌封完畢應(yīng)及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序。
3)灌封真空度要符合技術(shù)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(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生兩種收縮,即由液態(tài)到固態(tài)相變過(guò)程中的化學(xué)收縮和降溫過(guò)程中的物理收縮。進(jìn)一步分析,固化過(guò)程中的化學(xué)變化收縮又有兩個(gè)過(guò)程,從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)開始到微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)初步形成階段產(chǎn)生的收縮,我們稱之為凝膠預(yù)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(gè)過(guò)程的收縮量是不一樣的。前者由液態(tài)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)程中,物理狀態(tài)發(fā)生突變,反應(yīng)基團(tuán)消耗量大于后者,體積收縮量也高于后者。凝膠預(yù)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(jié)果也證明這點(diǎn),試樣經(jīng)750℃/3h處理后其固化度為53%。
若我們對(duì)灌封試件采取一次高溫固化,則固化過(guò)程中的兩個(gè)階段過(guò)于接近,凝膠預(yù)固化和后固化近乎同時(shí)完成,這不僅會(huì)引起過(guò)高的放熱峰,損壞元件,還會(huì)使灌封件產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力,造成產(chǎn)品內(nèi)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(shè)計(jì)和固化工藝制定時(shí),重點(diǎn)關(guān)注灌封料的固化速度(即A、B復(fù)合物凝膠時(shí)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(zhì)、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(jī)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(nèi)部放熱曲線。在凝膠預(yù)固化溫區(qū)段灌封料固化反應(yīng)緩慢進(jìn)行,反應(yīng)熱逐漸釋放,物料黏度增加和體積收縮平緩進(jìn)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(nèi)應(yīng)力。從凝膠預(yù)固化到后固化階段,升溫也應(yīng)平緩,固化完畢,灌封件應(yīng)隨加熱設(shè)備同步緩慢降溫,多方面減少、調(diào)節(jié)制件內(nèi)應(yīng)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(duì)灌封料固化條件的制訂,還要參照灌封制件內(nèi)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(duì)單只灌封量較大而封埋元件較少的,適當(dāng)?shù)亟档湍z預(yù)固化溫度并延長(zhǎng)時(shí)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(guān)。主要原因是:
1)計(jì)量或混合裝置失靈、生產(chǎn)人員操作失誤。
2)A組分長(zhǎng)時(shí)間存放出現(xiàn)沉淀,用前未能充分?jǐn)嚢杈鶆?,造成樹脂和固化劑?shí)際比例失調(diào)。
3)B組分長(zhǎng)時(shí)間敞口存放、吸濕失效。
4)高潮濕季節(jié)灌封件未及時(shí)進(jìn)入固化程序,物件表面吸濕。
總之,要獲得一個(gè)良好的灌封產(chǎn)品,灌封及固化工藝的確是一個(gè)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(shù)變革史
在電子封裝技術(shù)領(lǐng)域曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)兩次重大的變革。第一次變革出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代前半期,其特征是由針腳插入式安裝技術(shù)(如DIP)過(guò)渡到四邊扁平封裝的表面貼裝技術(shù)(如QFP);第二次轉(zhuǎn)變發(fā)生在20世紀(jì)90年代中期,其標(biāo)志是焊球陣列.BGA型封裝的出現(xiàn),與此對(duì)應(yīng)的表面貼裝技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)一起跨人21世紀(jì)。隨著技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新的封裝技術(shù)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(dāng)一部分使用了液體環(huán)氧材料封裝技術(shù)。灌封,就是將液態(tài)環(huán)氧樹脂復(fù)合物用機(jī)械或手工方式灌入裝有電子元件、線路的器件內(nèi),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(yīng)滿足如下基本要求:性能好,適用期長(zhǎng),適合大批量自動(dòng)生產(chǎn)線作業(yè);黏度小,浸滲性強(qiáng),可充滿元件和線間;在灌封和固化過(guò)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?。煌镫姎庑阅芎土W(xué)性能優(yōu)異,耐熱性好,對(duì)多種材料有良好的粘接性,吸水性和線膨脹系數(shù)小;在某些場(chǎng)合還要求灌封料具有難燃、耐候、導(dǎo)熱、耐高低溫交變等性能。
在具體的半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)化電子器件的整體性,提高對(duì)外來(lái)沖擊、震動(dòng)的抵抗力;提高內(nèi)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(fù)合體系,它南樹脂、固化劑、增韌劑、填充劑等組成,對(duì)于該體系的黏度、反應(yīng)活性、使用期、放熱量等都需要在配方、工藝、鑄件尺寸結(jié)構(gòu)等方面作全面的設(shè)計(jì),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(dú)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(dá)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(jié)構(gòu)。
(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(qiáng)、放熱激烈,同化和使用過(guò)程中易氧化。因此,需要對(duì)多元胺進(jìn)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(dá)到低黏度、低毒、低熔點(diǎn)、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(jìn)劑
雙組分環(huán)氧一酸酐灌封料,一般要在140℃左右長(zhǎng)時(shí)間加熱才能固化。這樣的固化條件,不僅造成能源浪費(fèi),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(jìn)劑組分則可有效降低固化溫度、縮短固化時(shí)間。常用的促進(jìn)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(dú)使用環(huán)氧樹脂,加入無(wú)機(jī)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(dòng)性和滲透I生,并延長(zhǎng)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(yīng),加人量過(guò)多,易造成產(chǎn)品收縮率提高,降低產(chǎn)品力學(xué)性能及熱變形?;钚韵♂寗﹨⑴c固化反應(yīng)增加了反應(yīng)物的鏈節(jié),對(duì)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(duì)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(dǎo)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(wú)機(jī)填料的導(dǎo)熱系數(shù)。二氧化硅又分為結(jié)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(guò)加增韌劑、增塑劑等來(lái)改進(jìn)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(yīng),增加反應(yīng)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(nèi)形成增韌的"海島結(jié)構(gòu)",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(shù)、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(dāng),器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生放電、線間打火或擊穿現(xiàn)象,這是因?yàn)檫@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(yuǎn)小于環(huán)氧灌封料,在交變高壓條件下會(huì)產(chǎn)生不均勻電場(chǎng),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(lái)看,造成線間空隙有兩方面原因:(1)灌封時(shí)真空度不夠高,線問空氣未能完全排除,使材料無(wú)法完全浸滲;(2)灌封前試件預(yù)熱溫度不夠,灌入試件物料黏度不能迅速降低,影響浸滲。對(duì)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(shí)間長(zhǎng)或超過(guò)物料適用期以及灌封后產(chǎn)品未及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,都會(huì)造成物料黏度增大,影響對(duì)線圈的浸滲。熱同性環(huán)氧灌封材料復(fù)合物,起始溫度越高黏度越小,隨時(shí)間延長(zhǎng)黏度增長(zhǎng)也越迅速。因此,為使物料對(duì)線圈有良好的浸滲性,操作上應(yīng)注意做到灌封料復(fù)合物應(yīng)保持在合適的溫度范圍內(nèi),并在適用期內(nèi)使用完畢。灌封前試件要加熱到規(guī)定溫度,灌封完畢應(yīng)及時(shí)進(jìn)入加熱固化程序,灌封真空度要符合技術(shù)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種收縮:由液態(tài)到固態(tài)相變過(guò)程中的化學(xué)收縮和降溫過(guò)程中的物理收縮。固化過(guò)程中的化學(xué)變化收縮又有兩個(gè)過(guò)程:從灌封后加熱化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)開始到微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)初步形成階段產(chǎn)生的收縮,稱之為凝膠預(yù)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(gè)過(guò)程的收縮量是不一樣的,前者由液態(tài)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)程中物理狀態(tài)發(fā)生突變,反應(yīng)基團(tuán)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(guò)程中的兩個(gè)階段過(guò)于接近,凝膠預(yù)同化和后固化近乎同時(shí)完成,這不僅會(huì)引起過(guò)高的放熱峰、損壞元件,還會(huì)使灌封件產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力造成產(chǎn)品內(nèi)部和外觀的缺損。為獲得良好的制件,必須在灌封料配方設(shè)計(jì)和固化工藝制定時(shí),重點(diǎn)關(guān)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(zhì)、用途按不同溫區(qū)分段同化。在凝膠預(yù)固化溫區(qū)段灌封料同化反應(yīng)緩慢進(jìn)行、反應(yīng)熱逐漸釋放,物料黏度增加和體積收縮平緩進(jìn)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(nèi)應(yīng)力。從凝膠預(yù)固化到后同化階段升溫應(yīng)平緩,固化完畢灌封件應(yīng)隨加熱設(shè)備同步緩慢降溫,多方面減少、調(diào)節(jié)制件內(nèi)應(yīng)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(duì)灌封料固化條件的制訂,還要參照灌封器件內(nèi)元件的排布、飽滿程度及制件大小、形狀、單只灌封量等。對(duì)單只灌封量較大而封埋元件較少的,適當(dāng)?shù)亟档湍z預(yù)固化溫度并延長(zhǎng)時(shí)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(guān)。中國(guó)環(huán)氧樹脂行業(yè)協(xié)會(huì)專家表示,其主要原因是計(jì)量或混合裝置失靈、生產(chǎn)人員操作失誤;A組分長(zhǎng)時(shí)間存放出現(xiàn)沉淀,用前未能充分?jǐn)嚢杈鶆颍斐蓸渲凸袒瘎?shí)際比例失調(diào),B組分長(zhǎng)時(shí)間敞口存放,吸濕失效;高潮濕季節(jié)灌封件未及時(shí)進(jìn)入固化程序,物件表面吸濕。總之,要獲得一個(gè)良好的灌封及固化工藝的確是一個(gè)值得高度重視的問題。
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