電子器件灌封材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

電子器件灌封材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)羅剛【摘要】介紹了電子器件灌封材料的種類(lèi)，闡述了環(huán)氧、有機(jī)硅灌封材料的組成、特性、應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及其性能優(yōu)化改性的方法.分析了傳統(tǒng)灌封材料的缺陷，指出了研制絕緣導(dǎo)熱灌封材料的作用.采用對(duì)有機(jī)硅進(jìn)行接枝改性并用AIN作為無(wú)機(jī)填料制成復(fù)合灌封材料的方案，指出了電子器件灌封材料的發(fā)展趨勢(shì).【期刊名稱(chēng)】《實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)》【年(卷)，期】2010(008)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P20-22,33)【關(guān)鍵詞】電子器件;灌封材料;環(huán)氧;有機(jī)硅;無(wú)機(jī)填料【作者】羅剛【作者單位】成都電子機(jī)械高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)械系，成都,610031【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TQ32在電子工業(yè)中，往往需要對(duì)電子元器件或組裝部件進(jìn)行灌封，使其與外界隔絕，以此提高電子器件抗沖擊振動(dòng)、抗惡劣環(huán)境、防塵防潮防腐的能力以及電絕緣導(dǎo)熱等性能。目前的灌封材料多種多樣，但是用得最多的主要是各種合成聚合物。環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅、有機(jī)硅環(huán)氧、聚酰亞胺、液晶聚合物、端羥基聚丁二烯［1］、各類(lèi)聚氨酯等。其中以環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅灌封材料由于其各種優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用。環(huán)氧樹(shù)脂具有以下4個(gè)特性:(1)收縮率小;(2)優(yōu)良的絕緣耐熱性,耐腐蝕性好;(3)機(jī)械強(qiáng)度大，價(jià)格較低,可操作性好;(4)固化劑和促進(jìn)劑的選擇可千變?nèi)f化，從而可制得具備不同性能的材料，以適應(yīng)各種不同的要求。環(huán)氧樹(shù)脂的成本相對(duì)較低，成型工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，可靠性較高，因此近十年來(lái)發(fā)展較快。目前國(guó)外半導(dǎo)體器件的80~90(日本幾乎全部)是環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料封裝，其發(fā)展趨勢(shì)十分看好［2］,歐美，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的電器用環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料不但品種多,而且專(zhuān)用性強(qiáng)、性能優(yōu)良，更主要的是用作灌封材料的基材多種多樣,可以根據(jù)工件對(duì)灌封材料的要求進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。目前國(guó)內(nèi)電子用環(huán)氧灌封材料性能與國(guó)外卜相比在很多地方還存在許多不足,如:彈性不夠［3］,固化時(shí)有一定內(nèi)應(yīng)力，容易開(kāi)裂，耐溫沖能力差等問(wèn)題。環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料的組成是由環(huán)氧樹(shù)脂改性劑、促進(jìn)劑、固化劑、填料、脫模劑、著色劑等十幾種組合配制而成［4］?？蛇x基材主要有雙酚A環(huán)氧類(lèi)、酚醛環(huán)氧類(lèi)、脂環(huán)族環(huán)氧類(lèi)等。(研究表明雙酚F環(huán)氧類(lèi)基材具有更好的性能，有望取代雙酚A環(huán)氧類(lèi))。在加熱和促進(jìn)劑的作用下，環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，成為熱固性材料。針對(duì)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究,對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行一系列的改性。2.2.1增韌改性［5-6］橡膠、彈性體增韌改性。如CTBN、HT2BN、HTPB、聚氨酯彈性體及硅橡膠等。液晶聚合物增韌改性。這種方法于20世紀(jì)90年代在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注，其機(jī)理主要是裂紋釘錨作用機(jī)制。剛性高分子改性。其機(jī)理是通過(guò)形成了微觀上的非均勻連續(xù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)有利于材料的塑性變形，從而提高韌性。核殼結(jié)構(gòu)聚合物改性核殼結(jié)構(gòu)聚合物粒子的內(nèi)部和夕卜部富集成分不同，顯示出特殊的雙層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu),與預(yù)料分別具有不同的功能，通過(guò)控制粒子的尺寸及改變其組成來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂,可以獲得顯著的增韌效果。2.2.2耐熱性的改性主要是環(huán)氧結(jié)構(gòu)改性，如在環(huán)氧樹(shù)脂分子中引入萘骨架，在提高耐熱性的同時(shí)可改善其耐濕性;在環(huán)氧骨架中導(dǎo)入酰亞胺基,耐熱性、機(jī)械性能也顯著提高;選擇含骨架為二胺類(lèi)的化合物作為新型固化劑,Tg可提高50^~70。^耐熱性和耐水性均得以提高或加入填料SiO2、AI2O3、AlN等,同時(shí)還可提高其導(dǎo)熱性能。2.2.3降低內(nèi)應(yīng)力的改性降低玻璃化溫度;降低材料的的模量。目前最理想的方法是通過(guò)加入無(wú)機(jī)填充劑粉未降低材料的線性膨脹系數(shù)。凝膠具有工作溫度范圍(-60°C~320°C)最廣,耐高低溫性能優(yōu)異。固化時(shí)不吸熱、不放熱、固化后不收縮,對(duì)材料粘接性較好。具有優(yōu)良的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性能，耐水、耐臭氧、耐候性好。⑷其灌封電子元器件后,可以起到防潮、防塵、防腐蝕、防震的作用，提高使用性能和穩(wěn)定參數(shù)。導(dǎo)熱性能優(yōu)異，其導(dǎo)熱系數(shù)是普通橡膠的4倍以上。使用方便，涂覆或灌封工藝簡(jiǎn)單，常溫下即可固化。硅橡膠是一種直鏈狀的聚有機(jī)硅氧烷,摩爾質(zhì)量一般在148000g/mol以上,它的結(jié)構(gòu)形式與硅油類(lèi)似,其通式如下：通式中,n代表鏈節(jié)數(shù);^是烷基或羥基;R通常為甲基，但也可引入其他基團(tuán)，如乙基、乙烯基、苯基、三氟醛等，以改善和提高某些性質(zhì)。聚硅氧烷分子中主鏈由引Si-O鍵組成，具有與無(wú)機(jī)高分子類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，其鍵能高達(dá)450kJ/mol,所以具有優(yōu)良的穩(wěn)定性?；谶@些優(yōu)良的特性，近年來(lái)有機(jī)硅凝膠已被廣泛用作電子元件的封裝材料。硅橡膠灌封膠按分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)方法可分為2類(lèi):(1)縮合型室溫固化硅橡膠(簡(jiǎn)稱(chēng)RTV硅橡膠);(2)加成型硅橡膠(簡(jiǎn)稱(chēng)ARC硅橡膠)。ARC硅橡膠固化無(wú)小分子放出，交聯(lián)結(jié)構(gòu)易控制，收縮率極小，在012以下，電學(xué)性能、彈性待均優(yōu)于RTV硅橡膠，且工藝性能優(yōu)越廄可在常溫下固化，又可加熱，于短時(shí)間內(nèi)(幾分鐘涸化，所以ARC硅橡膠灌封膠在國(guó)內(nèi)夕卜均公認(rèn)為是極有發(fā)展前途的電子化學(xué)品。針對(duì)易催化劑〃中毒”現(xiàn)象國(guó)內(nèi)研制出了2種新型加成型ARC硅橡膠:TAS和MDAS熱固化硅橡膠。3.2.1中溫硫化硅橡膠(LTV硅橡膠)以LTV硅橡膠為基膠，以低粘度甲基乙烯基聚硅氧烷為稀釋劑，加熱混合后混入適量的石英粉、炭黑、鏈增長(zhǎng)劑、交聯(lián)劑和鉑催化劑，由此制得的新型有機(jī)硅阻燃灌封料具有流動(dòng)性好、易排泡、物理機(jī)械性能和電氣性能優(yōu)異、阻燃等特點(diǎn)，適合作小縫隙電器元件的灌封材料。3.2.2室溫硫化硅橡膠國(guó)內(nèi)晨光化工研究所等單位研制出優(yōu)良的硅橡膠如GN521,GN522,GN581等。它們以雙組分硫化橡膠作為材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)。良好的電性能:其擊穿強(qiáng)度>17MV/m,絕緣電阻>1x10130,較小的介電常數(shù)s<3和介電損耗tanS<5x10-4o優(yōu)良的防護(hù)性能:硫化后形成的彈性體，具有良好的防鹽霧、防潮及耐候性,尤其是在抵抗溫度-沖擊及低溫環(huán)境中的表現(xiàn),是環(huán)氧類(lèi)材料所不可比擬的，可在-601~200°C條件下長(zhǎng)期使用。⑶方便的可維修性。該材料硫化后與環(huán)氧類(lèi)材料相比，可以比較容易地剝離下來(lái)，使元器件的更換和重復(fù)使用得以方便的實(shí)現(xiàn)，滿足了軍用裝備可維修的要求，降低了產(chǎn)品的維修成本。⑷工藝性好:該材料在室溫下即可配制,粘度低，流動(dòng)性好,填料的加入容易，室溫下硫化且反應(yīng)放熱峰值低，對(duì)元器件的影響小。⑸其他:該材料硫化后的彈性體有良好的抗震性能。目前這些產(chǎn)品較多應(yīng)用于對(duì)絕緣導(dǎo)熱性能要求較高的電子產(chǎn)品。日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在絕緣導(dǎo)熱橡膠的研究和應(yīng)用上進(jìn)行了大量工作，開(kāi)發(fā)了許多品種，其中某些產(chǎn)品已進(jìn)入了實(shí)用化、商品化階段而我國(guó)在這方面的研究尚屬起步階段。為適應(yīng)整機(jī)密集化、小型化的發(fā)展，也需采用絕緣導(dǎo)熱橡膠,然而市售的產(chǎn)品價(jià)格高，而且產(chǎn)品質(zhì)量和供應(yīng)得不到可靠保證。為此提出高導(dǎo)熱性無(wú)機(jī)填料和接枝改性的有機(jī)硅制成復(fù)合型灌封材料的新思路就迫在眉睫。一般來(lái)說(shuō)灌封的基體材料，大都是有機(jī)物質(zhì)，所以導(dǎo)熱能力相差不大，要改善灌封材料的導(dǎo)熱性能，關(guān)鍵是要加入導(dǎo)熱能力強(qiáng)的無(wú)機(jī)絕緣材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要采用以下原則來(lái)選擇填料：導(dǎo)熱系數(shù)高,導(dǎo)熱性能好。絕緣性能好，不降低灌封材料的絕緣性能。⑶對(duì)基體材料無(wú)不良影響,不降低灌封材料的防護(hù)性。⑷與基體材料能良好浸潤(rùn),工藝性好。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，篩選出符合要求的填料有AI2O3和AlN等。在室溫25°C時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為:AI2O3為25W/m?k;AIN為120-250W/m?k。國(guó)內(nèi)目前的研究已較成功的研制出了以有機(jī)硅與AI2O3混合制成的復(fù)合型材料，其物理機(jī)械性能及散熱效果如表1、表2所示。采用有機(jī)硅進(jìn)行接枝改性并用AIN作為無(wú)機(jī)填料制成的復(fù)合材料其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)7~8W/m-ko這種高導(dǎo)熱性能的灌封材料成熟生產(chǎn)之后將成為新一代高導(dǎo)熱性灌封材料而被廣泛應(yīng)用。4.2.1氣泡的存在使灌封失敗有機(jī)硅硫化的膠體中混有氣泡，不僅影響產(chǎn)品夕卜觀質(zhì)量，更重要的是影響產(chǎn)品的電氣性能和機(jī)械性能。由于氣泡的存在，無(wú)論是膠體中的內(nèi)應(yīng)力或是外來(lái)的應(yīng)力，都使它不能連續(xù)、均勻地傳遞，造成應(yīng)力在氣泡處的集中，容易產(chǎn)生裂紋或開(kāi)裂[10],使灌封失敗。產(chǎn)生氣泡的原因是：元器件間的狹縫或死角。黏度大，攪拌不當(dāng)?shù)仍斐煽諝饣烊?。固化反?yīng)中產(chǎn)生的氣體小分子。配方中的小分子揮發(fā)。導(dǎo)熱填料加入量的增加，填料時(shí)常結(jié)成小團(tuán)(由分子間作用力使若干分子結(jié)成簇狀物)，內(nèi)部包含氣體。4.2.2消除氣泡的措施(1)應(yīng)采用真空攪拌設(shè)備。(2)用偶聯(lián)劑處理。偶聯(lián)劑分兩個(gè)方面，首先是處理填料，使其與基體材料能更好地浸潤(rùn);其次是對(duì)灌封組件及其他部分進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)過(guò)渡層使用粘接力好的有機(jī)硅材料涂覆在防護(hù)層與組件以及灌封過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂的部分,形成一過(guò)渡層，間接地提高灌封材料與防護(hù)器件、組件等的粘接并在攪拌過(guò)程中充分浸潤(rùn),同時(shí)能充分排出氣泡，消除氣泡。4.2.3耐油、耐溶劑、耐化學(xué)藥品性能差氟硅橡膠由于在分于側(cè)基上引入極性氟原子，其硫化后的膠料制品能表現(xiàn)出優(yōu)異的耐油性能及耐化學(xué)藥品性能，如三氟丙烯甲基乙烯基硅橡膠不僅耐濕性好，還有突出的耐油、耐溶劑、耐化學(xué)藥品性能。在航空汽油中體積溶脹10,在甲苯中20,在濃硝酸中5。這就克服了硅橡膠不耐酸堿和油類(lèi)及化學(xué)藥品的弱點(diǎn)，為硅橡膠的發(fā)展應(yīng)用提供了廣闊的前景。在我國(guó)生產(chǎn)的眾多硅橡膠品種中，最近幾年新研制成功的硅橡膠G148和氟硅橡膠G-51有突出的優(yōu)異性能。4.2.4粘附力的改性利用粘附力強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)有機(jī)硅進(jìn)行改性可兼顧兩者優(yōu)良性質(zhì)。不僅能提高有機(jī)硅的附著能力，還可提高其耐溶劑和耐油性。我國(guó)電子電器用灌封材料所需市場(chǎng)大,而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)供不應(yīng)求，這一領(lǐng)域使用的環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅品種又較少，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大，潛力也較大。隨著電子電器工業(yè)逐步發(fā)展，技術(shù)更新十分迅速，所需的灌封材料也需不斷發(fā)展。為適應(yīng)PCB、SMT和MCM技術(shù)的發(fā)展，提高灌封材料的耐熱性、散熱性、多層化、高密度化,提高介電常數(shù)、降低介電損耗、抑制開(kāi)裂、提高高低溫沖擊、降低材料的吸濕性等將是灌封材料的發(fā)展趨勢(shì)[11]?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】潘廣勤1反應(yīng)性端基聚丁二烯系列液體橡膠在環(huán)氧樹(shù)脂改性增韌方面的應(yīng)用[J]1化學(xué)與粘合,2002(3):123-1261郭艷宏1電子電器環(huán)氧灌封材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]1化學(xué)工程師,2002(6):46-481聶小安，夏建陵1黑色彈性環(huán)氧灌封膠的研究[J]1熱固性樹(shù)脂,2004,19(4):18-211魯照玲，劉光明，周宇1環(huán)氧樹(shù)脂有機(jī)硅樹(shù)脂的合成[J]1涂料工業(yè),1999(4):1-21宜兆龍，易建政1環(huán)氧樹(shù)脂增韌改性新方法[J]1塑料工業(yè),2003,31(10):48-501趙景麗漲廣誠(chéng)，李河清1環(huán)氧樹(shù)脂增韌研究進(jìn)展[J]1塑料,2002,31(3):40-441陳元章1絕緣導(dǎo)熱灌封硅橡膠的應(yīng)用[J]1電子工藝技術(shù),2004,25(1):30-321NingYuebin,LokeYan,McKinnonGraham1Fabrica2tionandcharacterizati