EMC 中脫氣劑的應(yīng)用研究

潘旭麒，李 進(jìn)，袁 健

（長(zhǎng)興電子材料有限公司，江蘇昆山 215301）

1 引言

氣泡在生產(chǎn)生活中無處不在，有的時(shí)候需要利用它們的特性，如泡沫滅火器、泡沫保溫隔音材料、泡沫洗護(hù)用品等[1-2]。但在環(huán)氧塑封料（Epoxy Molding Compound，EMC）中，氣泡的存在往往會(huì)導(dǎo)致各種缺陷的產(chǎn)生。模壓時(shí)型腔內(nèi)的氣體和物料本身的水分以及反應(yīng)所釋放的揮發(fā)氣體成分是EMC 中氣泡的主要來源[3]。氣泡使得塑封料變得更易吸濕，從而降低塑封件的電絕緣性。另外氣泡作為應(yīng)力集中點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重降低產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度[4]。當(dāng)氣泡出現(xiàn)在芯片與塑封料的接觸面時(shí)又會(huì)產(chǎn)生分層問題。封件表面的氣泡不僅影響外觀而且對(duì)芯片的密封性也可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于EMC 在封裝過程中熔體黏度高以及表面張力較低的原因，使得部分氣泡能夠在體系中短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，固化后氣泡殘留在產(chǎn)品中，最終造成缺陷[5]。為了避免氣泡存在造成的缺陷，往往需要加入脫氣劑。采用脫氣劑消除流體中氣泡的方法首先由德國(guó)物理學(xué)家QUINCKE 提出[6]。1954 年，美國(guó)Wagndott 公司最早將聚醚類脫氣劑實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[7]。脫氣劑按作用可分為抑泡型脫氣劑和破泡型脫氣劑；按主要成分可分為有機(jī)硅、聚合物和礦物油類脫氣劑。脫氣劑在石油工業(yè)、紡織工業(yè)、造紙工業(yè)以及食品發(fā)酵工業(yè)中均有成熟的應(yīng)用[8-11]，但針對(duì)EMC 行業(yè)，脫氣劑的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也很少。本文將不同種類的脫氣劑加入到EMC 體系中，研究其脫氣效果以及脫氣劑對(duì)其他性能的影響，從而確定了合適的脫氣劑及用量。

2 脫氣劑的脫氣機(jī)理

圖1 為封裝件中氣泡的分布。氣泡在液體及熔體相中作為非均相，無法長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。氣泡的消失一般分為3 個(gè)步驟：氣泡的重新組合、氣泡液膜壁變薄和氣泡的最終破裂[12]。其中氣泡液膜的強(qiáng)度對(duì)于氣泡的穩(wěn)定起著決定性作用。在自然情況下，氣泡在黏性熔體中的破裂是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。因此，需要加入脫氣劑作用于氣泡液膜壁，從而達(dá)到使氣泡快速破裂的目的。首先脫氣劑的加入能夠降低氣泡液膜的黏度，從而加快氣泡在EMC 熔體中的流動(dòng)；其次脫氣劑粒子會(huì)取代氣泡液膜表面的活性物質(zhì)，降低氣泡液膜自身的彈性，從而使移動(dòng)速度較慢的小氣泡逐漸重組形成能快速移動(dòng)的大氣泡，最后在EMC 熔體前端破裂，氣體從模具排氣孔排出，封裝過程中EMC 內(nèi)部氣泡演變的過程如圖2 所示。

圖1 封裝件中氣泡分布

圖2 封裝過程中EMC 內(nèi)部氣泡演變過程

3 脫氣劑的選擇

一款好的脫氣劑需要具備脫氣能力強(qiáng)、用量少、無污染、不影響EMC 其他性能等特性。為了保證脫氣劑的持續(xù)抑泡能力，需要其難溶或不溶于發(fā)泡體系[12-13]。本文根據(jù)EMC 體系的特點(diǎn)，選擇無溶劑型脫氣劑，初步篩選了3 款不同類型的脫氣劑進(jìn)行研究。3款脫氣劑的組成及部分性能如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所采用的脫氣劑

4 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所使用的樣品配方如表2 所示（配方總質(zhì)量為1 kg），所采用的設(shè)備如表3 所示。

表2 樣品配方

表3 所用儀器

首先將各原料按一定比例進(jìn)行配制，并在雙輥煉膠機(jī)上進(jìn)行煉膠，控制相同的煉膠時(shí)間、煉膠溫度以及輥筒轉(zhuǎn)速。再將煉好的黑膠進(jìn)行冷卻粉碎，即制得EMC 樣品粉末。

5 結(jié)果與討論

5.1 脫氣劑對(duì)EMC 模流性的影響

通過改變脫氣劑的種類及用量制得10 種EMC粉料樣品。取一定量的EMC 粉料樣品，在液壓機(jī)上進(jìn)行半模模流測(cè)試（一種用于觀察EMC 熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)情況的測(cè)試方式，在該測(cè)試中壓機(jī)施加的壓力很小，熔體到達(dá)半模模具后處于自由流動(dòng)狀態(tài)）。半模模流測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。圖3 中，O 表示不添加脫氣劑的原配方，A、B、C 分別表示加入脫氣劑A、脫氣劑B和脫氣劑C 的配方，后綴1、2、3 分別表示加入量為0.002 kg、0.004 kg 和0.006 kg。由圖3 可知，隨著脫氣劑加入量的增大，半模面積明顯減小。造成這一現(xiàn)象的原因有2 個(gè)：其一是氣泡及時(shí)從黑膠中排除，使得黑膠密度上升，從而導(dǎo)致體積減?。涣硪粋€(gè)原因是氣泡在黑膠熔體移動(dòng)方向前端大量破裂，產(chǎn)生了一個(gè)反向力，從而阻礙了黑膠熔體的流動(dòng)，氣泡破裂得越多阻礙作用越明顯，從而使得黑膠在從熔體變成交聯(lián)固體的這段時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)的距離變短，故半模面積降低[14]。

圖3 半模模流測(cè)試

將半模沿熔體流動(dòng)方向截?cái)?，觀察截面情況。通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，加入脫氣劑B 的配方其黑膠內(nèi)部氣孔無明顯改善。將原配方的半模截面與加入脫氣劑A和脫氣劑C 配方的半模截面在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，隨著脫氣劑加入量的增大，孔隙率明顯降低，材料變得更為致密。相比而言脫氣劑C 比脫氣劑A 有更好的脫氣能力。

圖4 半模截面孔隙圖

5.2 脫氣劑對(duì)EMC 性能的影響

為了確認(rèn)3 種不同類型脫氣劑對(duì)EMC 性能的影響，對(duì)制得的樣品進(jìn)行分析測(cè)試。其中脫氣劑的加入對(duì)EMC 螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響如圖5 所示。從圖中可以看出，脫氣劑A 對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度幾乎無影響，而脫氣劑B 和脫氣劑C 分別使螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度升高和降低。通過觀察表4 中10 種EMC 材料的膠化時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，脫氣劑的加入對(duì)環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)無促進(jìn)及抑制效果，故可推斷脫氣劑對(duì)流動(dòng)長(zhǎng)度的影響與其自身物理性質(zhì)相關(guān)。*注：TS2 表示硫化實(shí)驗(yàn)開始轉(zhuǎn)矩由最小值上升到0.2 N·m-1時(shí)所用時(shí)間，TC90 表示硫化程度達(dá)到90%所需時(shí)間，CRI 表示硫化速率。

圖5 脫氣劑對(duì)EMC 螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響

表4 脫氣劑對(duì)EMC 部分性能的影響

從表4 中可以發(fā)現(xiàn)，脫氣劑的加入對(duì)EMC 的反應(yīng)特性以及對(duì)Cu 和Ag 的密著力幾乎無影響（脫氣劑B 除外，其影響EMC 對(duì)Cu 的密著力），對(duì)于吸濕性甚至還有所改善。該測(cè)試結(jié)果表明，脫氣劑A 相比于脫氣劑C 能更好地運(yùn)用于EMC 體系。

在強(qiáng)度接近的情況下，EMC 彎曲模量過高會(huì)造成材料脆性過大，TCT 測(cè)試中就容易出現(xiàn)開裂的情況[15]，故EMC 體系中往往需要加入硅油作為柔性分子，從而降低產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力以及彎曲模量。但硅油分子量較低，易遷移至EMC 表面及EMC 與芯片的接觸面上，引起制品外觀及分層等問題。由于脫氣劑A 和脫氣劑C 均含有聚硅氧烷，故通過脫氣劑取代硅油，研究脫氣劑對(duì)彎曲強(qiáng)度模量和分層情況的影響。通過將原配方中的硅油去除，再加入一定量脫氣劑A 和脫氣劑C，制得新樣品A4、A5、A6 和C4、C5、C6（后綴4、5、6 分別代表不添加硅油且脫氣劑加入量為0.002 kg、0.004 kg和0.006 kg 的配方）。通過液壓機(jī)制得標(biāo)準(zhǔn)樣條，并在拉力機(jī)下測(cè)試常溫和高溫（175 ℃）的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，測(cè)試結(jié)果如圖6 和圖7 所示。從圖6 中可以看到，隨著脫氣劑的加入，彎曲強(qiáng)度先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)脫氣劑少量加入時(shí)，能夠有效降低樣條內(nèi)的氣孔，從而減少缺陷，提升強(qiáng)度，但當(dāng)脫氣劑用量過多時(shí)，由于脫氣劑自身較軟的特性使得樣條強(qiáng)度降低。彎曲模量隨著脫氣劑的加入，基本呈降低趨勢(shì)。兩款脫氣劑的加入均能提升高溫強(qiáng)度和模量，但當(dāng)加入量過多時(shí)，提升效果不明顯。通過對(duì)比分析確認(rèn)，當(dāng)使用脫氣劑C 且加入量為0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)樣品的力學(xué)性能改善效果最佳，此時(shí)配方的強(qiáng)度略有提升，常溫模量降低。

圖6 樣品常溫強(qiáng)度模量

圖7 樣品高溫強(qiáng)度模量

將EMC 樣品進(jìn)行模擬封裝進(jìn)而研究脫氣劑對(duì)分層情況的影響。封裝好的樣條進(jìn)行濕度敏感等級(jí)試驗(yàn)（本文采用的條件為60 ℃、60%濕度的恒溫恒濕箱中放置40 h，即MSL-3），然后放于270 ℃回流焊爐上進(jìn)行3 次回流焊處理。經(jīng)過回流焊處理后的樣條采用SAM 超聲波掃描儀進(jìn)行分層情況測(cè)試。掃描結(jié)果如圖8 所示，紅色區(qū)域即為分層區(qū)域。從圖8 中可以看出，原配方存在少數(shù)幾顆的分層情況。脫氣劑A 的加入使分層加劇，且隨著加入量的增大，分層情況愈加惡化。脫氣劑C 能有效改善分層，少量的脫氣劑C 就有很好的效果。

圖8 SAM 超聲波掃描結(jié)果

6 結(jié)論

氣泡問題一直是困擾EMC 行業(yè)發(fā)展的重要問題，要想改善或者徹底消除氣泡，優(yōu)質(zhì)脫氣劑的使用是不可缺少的。本文通過對(duì)3 款不同類型的脫氣劑進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果表明脫氣劑C 即改性聚硅氧烷型脫氣劑更適用于EMC 體系。當(dāng)脫氣劑C 的加入量為0.4%時(shí)，雖會(huì)使流動(dòng)長(zhǎng)度降低8%，但能有效減少樣條內(nèi)部氣孔，增大材料的致密性，在保持強(qiáng)度基本不變的情況下，降低常溫模量，從而提高材料的耐沖擊性能。除此之外，脫氣劑C 還能有效改善MSL-3 試驗(yàn)后的分層情況，從而提高產(chǎn)品的可靠性。