環(huán)氧樹脂灌封常用工藝與問題分析

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，提高對外來沖擊、震動的抵抗力；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)。

灌封產(chǎn)品的質(zhì)量，主要與產(chǎn)品設(shè)計、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。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(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。  

（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、摩托車點火器等高壓電子產(chǎn)品，常因灌封工藝不當(dāng)，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(yuǎn)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(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(jìn)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(fù)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(yīng)注意如下幾點：  

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(xué)收縮和降溫過程中的物理收縮。進(jìn)一步分析，固化過程中的化學(xué)變化收縮又有兩個過程，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。這兩個過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，試樣經(jīng)750℃/3h處理后其固化度為53%。 

環(huán)氧樹脂灌封常用工藝與問題分析

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(yù)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(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)計和固化工藝制定時，重點關(guān)注灌封料的固化速度(即A、B復(fù)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(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(guān)。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?jǐn)嚢杈鶆?，造成樹脂和固化劑實際比例失調(diào)。 

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(jìn)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。

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，適合大批量自動生產(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??；同化物電氣性能和力學(xué)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)小；在某些場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，提高對外來沖擊、震動的抵抗力；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，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(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，同化和使用過程中易氧化。因此，需要對多元胺進(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、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(jìn)劑組分則可有效降低固化溫度、縮短固化時間。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

單獨使用環(huán)氧樹脂，加入無機(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(yīng)，加人量過多，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(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加增韌劑、增塑劑等來改進(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(yuǎn)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(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(jìn)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(fù)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(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(xué)收縮和降溫過程中的物理收縮。固化過程中的化學(xué)變化收縮又有兩個過程：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。這兩個過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，則固化過程中的兩個階段過于接近，凝膠預(yù)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(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)計和固化工藝制定時，重點關(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(guān)。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?jǐn)嚢杈鶆?，造成樹脂和固化劑實際比例失調(diào)，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(jìn)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。