脫模劑（蠟）對(duì)EMC/紅膠體系間密著性影響的研究

李澤亮，劉艷明，王殿年，楊春梅，郭本東

（長興電子材料(昆山)有限公司，江蘇蘇州 215301）

1 引言

近年來，電子產(chǎn)品的發(fā)展越來越快，電子廠對(duì)元器件的需求量也隨之增大。環(huán)氧模塑料作為電子元器件的重要組成部分，其需求量也逐年增加[1-2]。EMC 具有電氣性能優(yōu)良、導(dǎo)熱性好、可靠性高、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在封裝材料市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，超過97%的電子元器件使用EMC 進(jìn)行封裝[3-6]。

電子元器件的表面貼裝技術(shù) (Surface Mount Technology,SMT)是目前電子組裝行業(yè)中最流行的技術(shù)。當(dāng)前，電子產(chǎn)品趨于小型化、微型化，電子廠商對(duì)集成電路的要求更高，傳統(tǒng)的插孔式元器件已不能滿足需求，表面貼裝器件(Surface Mount Devices, SMD)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得以迅速發(fā)展[7]。SMT 主要工藝流程包括點(diǎn)膠→貼裝→回流焊→清洗→檢測(cè)，其中，點(diǎn)膠與貼裝的目的是將元器件固定到印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)上，這為整個(gè)SMT 工藝奠定了基礎(chǔ)，其固定位置的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)的回流焊過程，因此對(duì)貼裝的牢固性具有一定的要求[8-10]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]可知，影響貼裝牢固性的因素主要有：a）貼片膠（本文為紅膠）的點(diǎn)膠工藝不當(dāng)；b）貼片膠固化不完全；c）元器件所用的塑封材料表面脫模劑過多。

本文主要研究環(huán)氧模塑料中脫模劑對(duì)貼裝牢固性的影響。環(huán)氧模塑料中常用的脫模劑是蠟，其對(duì)生產(chǎn)和使用過程中的可操作性起著重要影響[13]。在EMC的配方設(shè)計(jì)中，根據(jù)蠟的作用不同可將其分為兩類：一類是與樹脂系統(tǒng)不相容的蠟，在混煉過程中易脫出，使材料與設(shè)備之間形成極薄的蠟層，提高生產(chǎn)過程的可操作性，稱為主蠟；另一類是與樹脂系統(tǒng)相容的蠟，在混煉過程中不易脫出，主要在后期的封裝過程中脫出，附著于封裝模具或EMC 的表面，提高脫模性、增加光澤度，但量過多會(huì)影響產(chǎn)品與芯片密著性以及產(chǎn)品刻字等，稱為輔蠟或助蠟[14]。因此，為提高EMC/紅膠密著性可適當(dāng)降低輔蠟添加量。在實(shí)際生產(chǎn)中，主蠟與輔蠟是相對(duì)而言的，一種蠟在EMC 中可同時(shí)起到主蠟與輔蠟的作用，但存在主次之別，通常根據(jù)不同類型的蠟所起的主要作用來區(qū)分主蠟與輔蠟。在EMC 的配方設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確判斷主蠟與輔蠟是提高EMC/紅膠密著力的關(guān)鍵。

本文主要研究EMC 配方中蠟的類型對(duì)紅膠密著性的影響，以EMC 最常用的鄰甲酚型環(huán)氧樹脂(OCN)和酚醛樹脂(PN)為樹脂系統(tǒng)，選用8 種不同類型的蠟為單一變量設(shè)計(jì)配方合成EMC，通過分析EMC/紅膠的密著性、表面形貌、離型等得到蠟的類型對(duì)EMC 的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要原料與設(shè)備

2.1.1 主要原料

試驗(yàn)主要原料如表1 所示。

表1 試驗(yàn)主要原料

2.1.2 主要設(shè)備

試驗(yàn)所需主要設(shè)備有電子天平、開煉機(jī)、粉碎機(jī)、打餅機(jī)、模壓機(jī)(含模具)、推晶機(jī)、高清CCD 顯微鏡。

2.2 樣品制備

2.2.1 粉料制備

選用8 種不同類型的蠟為單一變量，其他原料保持相同，合成8 種環(huán)氧模塑料，樣品分別命名為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。具體試驗(yàn)步驟為：按照表 2 的配方準(zhǔn)確稱取各組分，按一定順序添加并混合均勻，將所得混合料在105 ℃/25 ℃的開煉機(jī)上煉膠4 min，待所得黑膠冷卻后將其粉碎，得到粉末狀環(huán)氧模塑料。

2.2.2 材料封裝與樣條壓制

將按2.2.1 節(jié)所述制備的粉料打成一定規(guī)格的樣品餅，進(jìn)行產(chǎn)品封裝，封裝溫度為175 ℃，時(shí)間120 s，封裝形式為SOT23。取部分封裝好的樣品在175 ℃的烘箱中放置6 h 進(jìn)行后固化，共得到8 種未后固化的樣品 (分別標(biāo)記為 0-1#、0-2#、0-3#、0-4#、0-5#、0-6#、0-7#、0-8#) 和8 種后固化的樣品 (分別標(biāo)記為1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#、1-6#、1-7#、1-8#)。將 16 組封裝好的樣品去除框架及引腳，得到如圖1 所示的元器件。同時(shí)，取對(duì)應(yīng)粉料壓制樣條作為載體，用于代替PCB板。取部分壓制好的樣條進(jìn)行后固化，同樣得到16 組樣條，對(duì)應(yīng)上述16 組元器件。本試驗(yàn)的制備流程如圖1 所示。

表2 樣品配方表

圖1 制備流程圖

2.3 方法與表征

2.3.1 紅膠推力測(cè)試

紅膠推力測(cè)試的一般方法是：用紅膠將元器件貼于PCB 表面，使用推晶機(jī)在元器件的長邊施加水平推力，讀出元器件脫落時(shí)的示數(shù)并記錄，根據(jù)得到的推力結(jié)果來判斷紅膠與器件的密著性，推力越大說明密著性越好。為避免測(cè)試中出現(xiàn)紅膠在PCB 接觸面脫落的情況，影響EMC 與紅膠密著力結(jié)果的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)使用相同原料壓制的樣條作為載體代替PCB，將元器件分別貼于對(duì)應(yīng)的樣條上(見圖2)，該元器件/紅膠/樣條體系中，紅膠粘結(jié)的上下兩面均為待測(cè)EMC 材料，在推力測(cè)試中更能體現(xiàn)EMC/紅膠的密著性。

圖2 紅膠密著性測(cè)試

2.3.2 表面形貌觀察

使用光學(xué)顯微鏡（高清CCD 測(cè)量顯微鏡）觀察樣條的表面形貌。

2.3.3 離型測(cè)試

使用離型專用模具置于模壓機(jī)工作臺(tái)進(jìn)行離型測(cè)試，得到半成品粉料與金屬片的密著力，用于表征粉料的脫模性。離型測(cè)試方法主要是：a）將一定質(zhì)量半成品粉料倒入裝有金屬片的模具中，模具溫度為175 ℃，同時(shí)施壓使其固化；b）此時(shí)固化后的EMC 會(huì)密著于金屬片上，60 s 后用拉力計(jì)將金屬片拉出，記錄拉力計(jì)的示數(shù)；c）立即重復(fù)前兩個(gè)試驗(yàn)步驟，直至拉力計(jì)示數(shù)小于1.0 kgf 或測(cè)試次數(shù)大于10 次。

3 分析與討論

3.1 紅膠密著性分析

利用2.3.1 節(jié)所述方法進(jìn)行了紅膠推力測(cè)試，每組進(jìn)行10 次以上平行測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并去除由于試驗(yàn)誤差引起的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。表3 為未進(jìn)行后固化EMC/紅膠密著性測(cè)試結(jié)果，其中，正常脫膠是指紅膠與EMC 的正常脫落，非正常脫膠是指元器件破碎而導(dǎo)致的測(cè)試終止，兩種脫膠情況如圖3 所示。從圖3 中可以看出，正常脫膠的樣品其推力測(cè)試結(jié)果為EMC/紅膠密著力，非正常脫膠的樣品其推力測(cè)試結(jié)果與元器件的強(qiáng)度正相關(guān)，而非EMC/紅膠密著力，其密著力的真實(shí)值大于測(cè)試結(jié)果，即未脫膠時(shí)元器件已破碎。從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，樣品 0-2#、0-3#、0-4#、0-5#、0-6# 均為非正常脫膠，說明對(duì)應(yīng)EMC/紅膠密著力真實(shí)值分別大于 5.8 kgf、8.5 kgf、8.3 kgf、6.1 kgf、5.9 kgf，其值均大于客戶要求（推力大于2.0 kgf），也大于相關(guān)文獻(xiàn)的推薦判斷標(biāo)準(zhǔn)（大于等于2.5 kgf）；樣品0-1#、0-7#、0-8# 均為正常脫膠，對(duì)應(yīng)EMC 紅膠密著力分別為2.4 kgf、1.0 kgf、1.3 kgf，未達(dá)到客戶要求的 2.0 kgf。因此，對(duì)于OCN+PN 的樹脂系統(tǒng)，要提高其與紅膠密著性，應(yīng)選擇的蠟為 2、3、4、5、6。

對(duì)比樣品 0-2#、0-3#、0-4#、0-5#、0-6# 的推力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品0-3#和0-4#的推力明顯大于其余3 個(gè)樣品，說明蠟的類型對(duì)樣品的強(qiáng)度也存在一定的影響[15]。因本文主要討論紅膠密著性，此處不再贅述蠟對(duì)樣品強(qiáng)度的影響，此結(jié)果可為強(qiáng)度試驗(yàn)提供一定的思路。

表3 未后固化樣品的推力測(cè)試結(jié)果（單位：kgf）

圖3 推力測(cè)試后脫落情況

本文還對(duì)樣品進(jìn)行了后固化，并研究后固化過程對(duì)EMC/紅膠密著性的影響。表4 為后固化EMC/紅膠密著性測(cè)試結(jié)果，從表中可以看出，樣品1-2#、1-3#、1-4#、1-5#、1-6#同樣是非正常脫膠，表中所得推力值與元器件強(qiáng)度相關(guān)，而非EMC/紅膠密著力；樣品1-1#、1-7#、1-8#為正常脫膠，對(duì)應(yīng)EMC/紅膠密著力分別為 1.1 kgf、0.7 kgf、0.5 kgf。對(duì)比表 4 與表 3 我們發(fā)現(xiàn)，樣品后固化以后，推力值均有一定程度的降低，樣品1-1#、1-7#、1-8#密著力降低的原因可能是后固化過程使EMC 中的蠟脫出，附著于EMC 表面，使紅膠的密著力降低。樣品 1-2#、1-3#、1-4#、1-5#、1-6# 的推力值也有降低，可能的原因是后固化過程使EMC 脆性增加。

本文主要通過改變配方中蠟的類型來研究EMC/紅膠密著性，利用上述結(jié)論可進(jìn)一步分析蠟在配方中的作用。紅膠/EMC 密著性與EMC 表面蠟相關(guān)，即表面蠟越多，密著性越差。樣品0-1#、0-7#、0-8#、1-1#、1-7#、1-8#推力較小的原因即表面蠟較多，進(jìn)一步分析可得，在 OCN+PN 樹脂系統(tǒng)中，蠟 1、7、8 較相容，其在前期煉膠過程中不易脫出；在封裝過程中，即固化階段，樹脂分子鏈急劇增加，蠟的相容性降低，此時(shí)蠟脫出附著于材料表面，形成的蠟層導(dǎo)致了紅膠密著性降低。其余多組樣品的紅膠推力較大，其原因是表面蠟較少，進(jìn)一步分析可得，在OCN+PN 樹脂系統(tǒng)中，蠟2、3、4、5、6 較難相容，在前期煉膠階段容易脫出；在后期固化階段脫出較少，因此與紅膠密著性較好。

表4 后固化樣品的推力測(cè)試結(jié)果（單位：kgf）

3.2 表面形貌分析

為進(jìn)一步分析EMC/紅膠粘接面的情況，使用了高清CCD 顯微鏡觀察樣品的表觀形貌，如圖4 所示，在相同放大倍數(shù)下，分別觀察了元器件、樣條和正常脫落后的元器件。從圖4(a)可以看出，元器件表面較粗糙，并有一定數(shù)量的微型凹痕，這更有利于紅膠的密著，未固化的紅膠可進(jìn)入凹痕，紅膠固化后可在此處形成類似“膠釘”結(jié)構(gòu)，使紅膠/元器件密著力提高；圖4(b)為載體樣條的表面，其表面相對(duì)較平滑，無明顯凹痕。因此，在元器件/紅膠/樣條膠合體系中，進(jìn)行推力測(cè)試時(shí)更易脫落的膠合面是紅膠與樣條之間，脫落情況如圖4(c)所示。

3.1 節(jié)所得紅膠推力結(jié)果中，樣品 0-1#、0-7#、0-8#、1-1#、1-7#、1-8#均為正常脫膠，脫膠面均與圖4(c)相似，因此可推斷，元器件與紅膠的真實(shí)密著力應(yīng)大于本試驗(yàn)所測(cè)值。所以，若本試驗(yàn)所測(cè)推力結(jié)果達(dá)到要求，則元器件/紅膠/PCB 體系的推力測(cè)試一定合格，即客戶實(shí)際使用過程的可靠性更高。

3.3 離型分析

為驗(yàn)證3.1 節(jié)所述的關(guān)于主蠟輔蠟結(jié)論的準(zhǔn)確性，現(xiàn)通過離型測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步說明。離型測(cè)試的方法如2.3.3 節(jié)所述，從表5 的測(cè)試結(jié)果可以看出，重復(fù)測(cè)試其拉力逐漸減小，這是由于粉料固化時(shí)會(huì)在金屬片上留下蠟而降低密著力。因此，相同測(cè)試次數(shù)下拉力計(jì)示數(shù)越小說明蠟脫出越多，或者在更少的測(cè)試次數(shù)下拉力計(jì)示數(shù)小于1.0 kgf 亦可說明蠟脫出較多。從離型結(jié)果可以看出，樣品1#、2#、7#、8#在5 次測(cè)試次數(shù)下密著力即小于1.0 kgf，說明蠟1、2、7、8 在固化過程中脫出較多，因此在OCN+PN 樹脂系統(tǒng)中，蠟1、2、7、8 為輔蠟，這與3.1 節(jié)的結(jié)論大致相同。樣品3#、4#、5#、6#的測(cè)試次數(shù)相對(duì)較多，尤其是樣品4#、5#在測(cè)試 10 次時(shí)，其密著力仍大于 5.5 kgf，說明蠟 4、5 在固化過程中蠟脫出量較少，因此在OCN+PN 樹脂系統(tǒng)中，蠟3、4、5、6 為主蠟，其在前期煉膠過程中脫出量遠(yuǎn)大于或大于固化過程，這與3.1 節(jié)的結(jié)論基本相同。

圖4 相同放大倍數(shù)下的光學(xué)顯微鏡圖

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)8 種類型石蠟的單因素配方試驗(yàn)，得到了8 種不同蠟系統(tǒng)的EMC。通過對(duì)所得EMC 進(jìn)行紅膠密著性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在鄰甲酚型環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂系統(tǒng)中，使用蠟 2、3、4、5、6 為脫模劑所得 EMC與紅膠的密著力均大于4.5 kgf，大于相關(guān)文獻(xiàn)的推薦判斷標(biāo)準(zhǔn)（大于等于2.5 kgf），因此為提高EMC/紅膠密著性，可選擇的蠟有蠟 2、3、4、5、6；同時(shí)，后固化過程能增加蠟的脫出，降低密著力。結(jié)合離型測(cè)試結(jié)果可知，在該樹脂系統(tǒng)中，蠟3、4、5、6 在前期煉膠過程中易脫出，后期固化階段脫出較少，可作為主蠟，主要用于提高前期生產(chǎn)的可操作性；蠟1、7、8 在前期煉膠過程不易脫出，后期固化可脫出，可作為輔蠟，主要用于提高EMC 封裝過程中的脫模效果以及表面光澤度。綜上所述，影響EMC/紅膠密著性的主要因素是蠟與樹脂系統(tǒng)的相容性。相容性較好的蠟在煉膠過程中脫出較少，而固化過程中脫出較多，并附著于EMC 和模具表面，使EMC/紅膠密著性降低。本文所得結(jié)論可為相關(guān)行業(yè)解決EMC/紅膠密著性問題提供解決思路與方法。

表5 樣品的離型測(cè)試結(jié)果（單位：kgf）