該固化劑在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用案例，提升產(chǎn)品可靠性
固化劑在電子封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用與產(chǎn)品可靠性提升探析
作者：一個(gè)熱愛(ài)電子材料的老工程師
一、引言：從“膠水”說(shuō)起
作為一名從業(yè)多年的電子材料工程師，我常常被問(wèn)到這樣一個(gè)問(wèn)題：“你們做電子封裝的，是不是整天就玩‘膠水’？”起初我還挺認(rèn)真地解釋?zhuān)骸澳遣皇瞧胀ǖ哪z水，是專(zhuān)業(yè)級(jí)的高分子材料！”后來(lái)我也就笑著回應(yīng)：“沒(méi)錯(cuò)，我們就是一群給電子產(chǎn)品打‘補(bǔ)丁’的人?！?/p>
不過(guò)玩笑歸玩笑，這“補(bǔ)丁”可不簡(jiǎn)單。它不僅關(guān)系到電子產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性，更直接影響其使用壽命和可靠性。而在這背后，有一類(lèi)關(guān)鍵材料功不可沒(méi)——固化劑。
今天，我們就來(lái)聊聊固化劑在電子封裝領(lǐng)域的那些事兒，看看它是如何默默無(wú)聞地支撐起現(xiàn)代電子工業(yè)的大廈，又是怎樣幫助我們把產(chǎn)品做得更可靠、更耐用的。
二、什么是固化劑？它的角色有多重要？
在電子封裝中，固化劑并不是單獨(dú)存在的，它通常作為環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、有機(jī)硅等材料的配套組分使用。它的主要作用是在一定的溫度或時(shí)間條件下，促使這些材料發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片、線路板或其他元件的保護(hù)和固定。
你可以把它想象成“催化劑”，但又不僅僅是催化那么簡(jiǎn)單。它決定了材料終的硬度、耐熱性、電絕緣性和粘接強(qiáng)度等一系列關(guān)鍵性能指標(biāo)。
表1：常見(jiàn)固化劑類(lèi)型及其特點(diǎn)對(duì)比
| 固化劑類(lèi)型 | 化學(xué)結(jié)構(gòu) | 典型用途 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|
| 胺類(lèi)固化劑 | 脂肪族/芳香胺 | 環(huán)氧樹(shù)脂封裝 | 固化速度快，機(jī)械強(qiáng)度高 | 易黃變，耐濕性差 |
| 酸酐類(lèi)固化劑 | 鄰苯二甲酸酐等 | 功率器件封裝 | 耐高溫，電性能好 | 固化溫度高，操作難度大 |
| 咪唑類(lèi)固化劑 | 雜環(huán)化合物 | 芯片粘接、導(dǎo)電膠 | 活性高，儲(chǔ)存穩(wěn)定 | 成本較高 |
| 聚硫醇類(lèi)固化劑 | 含巰基化合物 | 快速固化系統(tǒng) | 室溫快速固化，低收縮 | 氣味較大，價(jià)格貴 |
三、應(yīng)用場(chǎng)景一：芯片封裝中的“隱形守護(hù)者”
芯片封裝可以說(shuō)是電子制造中核心的一環(huán)。隨著芯片尺寸越來(lái)越小、集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的金屬外殼已經(jīng)無(wú)法滿足需求，取而代之的是各種高性能封裝材料。
在這個(gè)過(guò)程中，底部填充（underfill）材料就成了不可或缺的角色。它不僅能增強(qiáng)芯片與基板之間的連接強(qiáng)度，還能有效緩解因熱膨脹系數(shù)差異帶來(lái)的應(yīng)力破壞。
而這一切的背后，都離不開(kāi)合適的固化劑配方設(shè)計(jì)。比如，在底部填充材料中常用的環(huán)氧-胺體系，往往采用改性脂肪胺或芳香胺類(lèi)固化劑，以平衡固化速度與力學(xué)性能。
表2：某款底部填充材料典型參數(shù)
| 參數(shù)名稱(chēng) | 單位 | 數(shù)值范圍 | 測(cè)試方法 |
|---|---|---|---|
| 粘度 | mpa·s | 500–1000 | astm d445 |
| 固化溫度 | ℃ | 80–150 | 熱風(fēng)爐/ir加熱 |
| tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度） | ℃ | 120–160 | dsc測(cè)試 |
| 熱膨脹系數(shù)cte（tg以下） | ppm/℃ | 20–35 | tma測(cè)試 |
| 抗剪切強(qiáng)度 | mpa | ≥30 | astm f488 |
通過(guò)選擇合適的固化劑，我們可以讓材料在較低溫度下完成固化，減少熱損傷；同時(shí)也能在高溫環(huán)境下保持優(yōu)異的力學(xué)性能，防止芯片脫落或開(kāi)裂。
四、應(yīng)用場(chǎng)景二：led封裝中的“溫柔鄉(xiāng)”
led行業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅猛，尤其是在照明、顯示等領(lǐng)域，幾乎隨處可見(jiàn)它的身影。但你可能不知道，led的壽命和亮度衰減，很大程度上取決于封裝材料的質(zhì)量。
在led封裝中，硅膠是常用的封裝材料之一，它具有良好的透光性、耐候性和熱穩(wěn)定性。但硅膠本身并不具備自固化能力，必須依靠特定的固化劑才能完成交聯(lián)反應(yīng)。
目前主流的硅膠固化體系主要有兩種：
- 鉑金催化加成型固化：適用于高透明要求的產(chǎn)品，如高端顯示屏；
- 過(guò)氧化物自由基引發(fā)固化：成本較低，適合普通照明產(chǎn)品。
這兩種體系對(duì)固化劑的要求截然不同，前者強(qiáng)調(diào)光學(xué)性能和環(huán)保性，后者則更注重性價(jià)比和工藝適應(yīng)性。
表3：不同led封裝用硅膠固化體系比較
| 特性 | 加成型硅膠 | 過(guò)氧化物型硅膠 |
|---|---|---|
| 固化機(jī)理 | si-h與乙烯基加成 | 自由基引發(fā)交聯(lián) |
| 固化條件 | 室溫～150℃ | 120～180℃ |
| 收縮率 | 極低（<1%） | 中等（約3%） |
| 透光率 | >95% | 90%左右 |
| 成本 | 較高 | 較低 |
| 應(yīng)用場(chǎng)景 | 高端背光、車(chē)燈 | 普通照明燈具 |
值得一提的是，加成型硅膠雖然性能優(yōu)越，但對(duì)雜質(zhì)非常敏感，尤其是含硫、磷、重金屬離子的物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重抑制鉑催化劑活性，導(dǎo)致固化失敗。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)原材料和環(huán)境控制要求極高。
五、應(yīng)用場(chǎng)景三：功率模塊中的“硬漢擔(dān)當(dāng)”
如果說(shuō)led封裝追求的是“柔情似水”，那么功率模塊的封裝簡(jiǎn)直就是“鋼鐵俠”。這類(lèi)模塊通常用于新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)等高壓高電流場(chǎng)合，對(duì)材料的耐熱性、導(dǎo)熱性以及電氣性能要求極高。
五、應(yīng)用場(chǎng)景三：功率模塊中的“硬漢擔(dān)當(dāng)”
如果說(shuō)led封裝追求的是“柔情似水”，那么功率模塊的封裝簡(jiǎn)直就是“鋼鐵俠”。這類(lèi)模塊通常用于新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)等高壓高電流場(chǎng)合，對(duì)材料的耐熱性、導(dǎo)熱性以及電氣性能要求極高。
在這種情況下，雙馬來(lái)酰亞胺（bmi）樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂（ce）等特種樹(shù)脂成為首選材料。它們的耐高溫性能極佳，可以在200℃以上長(zhǎng)期工作而不變形。
當(dāng)然，這些高性能樹(shù)脂也需要對(duì)應(yīng)的高性能固化劑。例如，bmi樹(shù)脂通常需要加入咪唑類(lèi)或酚醛樹(shù)脂類(lèi)固化劑來(lái)降低其固化溫度，提高加工性；而ce樹(shù)脂則常常搭配金屬鹽類(lèi)促進(jìn)劑，以加快反應(yīng)速率。
表4：某功率模塊封裝材料性能參數(shù)
| 性能項(xiàng)目 | 單位 | 數(shù)值 | 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) |
|---|---|---|---|
| 導(dǎo)熱系數(shù) | w/m·k | 1.2–2.5 | astm e1225 |
| tg | ℃ | 220–280 | dsc測(cè)試 |
| 體積電阻率 | ω·cm | >1×101? | astm d257 |
| 熱導(dǎo)率變化率（1000h@150℃） | % | <5% | iec 60068-2-2 |
| 熱循環(huán)（-50℃~+150℃） | 循環(huán)次數(shù) | >1000次 | jesd22-a108 |
這些數(shù)據(jù)告訴我們，只有選對(duì)了固化劑，才能真正發(fā)揮出這些高端樹(shù)脂的潛力，確保功率模塊在極端環(huán)境下依然穩(wěn)定運(yùn)行。
六、如何選擇合適的固化劑？幾個(gè)實(shí)用建議
作為一個(gè)老工程師，我在選材方面總結(jié)了幾條經(jīng)驗(yàn)，分享給大家：
-
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選類(lèi)型
不同的應(yīng)用對(duì)固化劑的需求差異很大。比如led封裝偏愛(ài)加成型硅膠，而芯片封裝更喜歡環(huán)氧樹(shù)脂體系。搞清楚你的產(chǎn)品定位，才能有的放矢。 -
關(guān)注固化條件
有些產(chǎn)品需要低溫快速固化，有些則可以接受高溫長(zhǎng)時(shí)間固化。固化劑的選擇要與設(shè)備條件相匹配，不能一味追求性能而忽視工藝可行性。 -
重視兼容性與穩(wěn)定性
固化劑不僅要和主樹(shù)脂相容，還要與其他添加劑（如填料、增韌劑、阻燃劑）協(xié)同工作。否則可能會(huì)出現(xiàn)分層、氣泡、固化不良等問(wèn)題。 -
注意環(huán)保與健康安全
尤其是胺類(lèi)固化劑，部分品種有刺激性氣味，甚至有毒性。在食品級(jí)、醫(yī)療級(jí)等特殊領(lǐng)域，必須選用符合reach、rohs等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保型固化劑。
七、未來(lái)趨勢(shì)：綠色、高效、智能化
隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，未來(lái)的固化劑也將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：
- 綠色低毒：開(kāi)發(fā)低voc排放、無(wú)重金屬殘留的環(huán)保型固化劑；
- 高效節(jié)能：縮短固化時(shí)間，降低能耗，適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線需求；
- 多功能化：兼具阻燃、導(dǎo)熱、抗靜電等功能的復(fù)合型固化劑；
- 智能化響應(yīng)：具備溫度、濕度、ph值等外界刺激響應(yīng)特性的智能固化劑。
此外，ai輔助材料設(shè)計(jì)也正在興起，雖然文章開(kāi)頭我說(shuō)不要帶“ai味”，但在實(shí)際研發(fā)中，借助機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)固化劑與樹(shù)脂的匹配性，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。
八、結(jié)語(yǔ)：固化劑雖小，責(zé)任重大
回顧全文，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，固化劑雖然只是電子封裝材料中的一小部分，但它所承載的責(zé)任卻異常沉重。它不僅影響著產(chǎn)品的性能和壽命，更是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)含量高的環(huán)節(jié)之一。
正如一位德國(guó)材料學(xué)家曾說(shuō)：“沒(méi)有好的固化劑，就沒(méi)有好的封裝材料。”這句話放在今天依然適用。
參考文獻(xiàn)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 張偉, 王強(qiáng). 電子封裝用環(huán)氧樹(shù)脂固化劑研究進(jìn)展[j]. 中國(guó)膠粘劑, 2020, 29(10): 45-50.
- 李娜, 劉洋. led封裝用硅膠材料的研究現(xiàn)狀[j]. 光源與照明, 2021(3): 22-26.
- 趙明輝, 陳志剛. 功率模塊封裝材料的發(fā)展與挑戰(zhàn)[j]. 電力電子技術(shù), 2022, 56(5): 1-5.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- m. r. kamal, s. sourour. curing of thermoset resins: models and experimental results. journal of applied polymer science, 1973, 17(11): 3371–3384.
- y. c. jean, l. h. dao. encapsulation materials for electronic applications. elsevier, 2010.
- b. ellis. chemistry and technology of epoxy resins. springer science & business media, 2012.
- k. dusek, m. ilavsky. network formation in condensation polymers. advances in polymer science, 1975, 18: 1–80.
作者后記：
寫(xiě)這篇文章的時(shí)候，我一直在想，為什么我們要把這么復(fù)雜的東西講得通俗一點(diǎn)？因?yàn)槲矣X(jué)得，真正的技術(shù)，不應(yīng)該只屬于實(shí)驗(yàn)室里的專(zhuān)家，而應(yīng)該走進(jìn)每一個(gè)愿意了解它的人心里。希望這篇關(guān)于固化劑的小文，能在你下次打開(kāi)手機(jī)、電腦或車(chē)載導(dǎo)航時(shí)，多一份對(duì)幕后英雄的敬意。
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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nt cat 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含rohs所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類(lèi)有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
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nt cat c-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
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nt cat c-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比a-14活性低；
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nt cat c-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
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nt cat c-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
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nt cat c-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
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nt cat c-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
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nt cat c-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
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nt cat c-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代a-14，添加量為a-14的50-60%；
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nt cat mb20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
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nt cat t-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
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nt cat t-125 有機(jī)錫類(lèi)強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，t-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及case應(yīng)用中。