環(huán)氧樹脂的工程應(yīng)用研究

江旭

摘 要：環(huán)氧樹脂用于產(chǎn)品封裝，從其工程應(yīng)用案例出發(fā)，討論添加活性稀釋劑、增稠劑、觸變劑、消泡劑、偶聯(lián)劑等助劑的對環(huán)氧樹脂實(shí)際應(yīng)用的改善效果；研究環(huán)氧樹脂的熱力學(xué)特性（Tg、TG），并應(yīng)用于產(chǎn)品封裝工藝及制程問題的改善。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；助劑；應(yīng)用；熱分析；改善；研究

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 環(huán)氧樹脂概述

環(huán)氧樹脂是分子中帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基低分子量物質(zhì)及其交聯(lián)固化產(chǎn)物的總稱，其最重要一類是雙酚A型環(huán)氧樹脂。因其原材料易得，成本低，產(chǎn)量比例約占世界環(huán)氧樹脂使用量80%以上，故也稱作通用型環(huán)氧樹脂。

環(huán)氧樹脂，與酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂，被稱為三大通用型熱固性樹脂。環(huán)氧樹脂具有良好的工藝操作和黏結(jié)特性，力學(xué)性能和電氣性能俱佳、尺寸穩(wěn)定性好，并具有極佳的耐候性和耐溫性。環(huán)氧樹脂用途廣泛，可用于涂料、膠黏劑、封裝料、工程塑料、復(fù)合材料和建筑材料等領(lǐng)域。特別是在電子電器行業(yè)產(chǎn)品灌封、澆注等密封工藝上有很廣泛應(yīng)用。

2 環(huán)氧樹脂及其助劑的工程應(yīng)用

雙酚A型環(huán)氧樹脂封裝料主要由高環(huán)氧值低粘環(huán)氧樹脂、增韌改性劑、填充料等組分組成。

雙酚A型環(huán)氧樹脂封裝料主要為兩大類：第一類是胺類固化環(huán)氧樹脂，稱為常溫快干型。常溫表干時(shí)間2h～6h，完全固化時(shí)間24h～48h；另一類是酸酐類固化環(huán)氧樹脂，須加溫固化。所需溫度往往要高達(dá)120℃以上。所以，酸酐類固化劑中往往添加復(fù)配胺類或咪唑類促進(jìn)劑，以降低固化溫度。

現(xiàn)在就雙酚A型環(huán)氧樹脂在電子元器件封裝上的應(yīng)用和改善進(jìn)行研究和討論。

雙酚A型環(huán)氧樹脂用于產(chǎn)品的封裝，因產(chǎn)品的特性和具體施工工藝需求，會(huì)遇到許多問題，因此為適應(yīng)產(chǎn)品特性和固化工藝而使用的助劑，顯得尤為重要。

2.1 稀釋劑和增稠劑的應(yīng)用

環(huán)氧樹脂由于加入了填充料和改性劑，其黏度較大，尤其是胺類固化環(huán)氧樹脂，其黏度變化隨環(huán)境溫度變化明顯。因而，稀釋劑和增稠劑的使用成為必然。

在溫度較高的情況下，樹脂黏度下降，封裝容易出現(xiàn)流掛，我們需使用一定比例增稠劑；而溫度較低時(shí)，樹脂黏度上升，流動(dòng)性差，影響施工效率，我們需使用一定比例稀釋劑。這都是為了調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂黏度將其控制在一定范圍內(nèi)，使其獲得最好的可操作性。

增稠劑一般使用Al（OH）3、SiO2等無機(jī)填料，一般使用300目以上小粒徑粉末。而稀釋劑分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑，非活性稀釋劑主要是酮類、酯類等溶劑，為低沸點(diǎn)易揮發(fā)溶劑，而且本身不參與固化反應(yīng)，容易產(chǎn)生氣泡、影響交聯(lián)從而導(dǎo)致樹脂性能下降。因而使用參與交聯(lián)的環(huán)氧樹脂活性稀釋劑，雙官能團(tuán)的二縮水甘油醚成為稀釋體系主流。

以某款電子產(chǎn)品封裝為例，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合轉(zhuǎn)子黏度計(jì)測量，我們發(fā)現(xiàn)常溫固化環(huán)氧樹脂HA適合作業(yè)的黏度范圍為32000mPa·s～36000mPa·s。

根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)、測試論證：溫度22～25℃時(shí)，封口環(huán)氧樹脂體系自身可以滿足這一要求；≥26℃時(shí)，樹脂須添加0.5～1.5%增稠劑D16；而≤22℃，添加0.3～0.5%活性稀釋劑D18，可以滿足以上要求。結(jié)果證明，適當(dāng)比例增稠劑和稀釋劑可以控制該款環(huán)氧樹脂黏度在適合作業(yè)的黏度范圍。

2.2 觸變劑的應(yīng)用

觸變劑，是能增加液體黏度并使該液體具有觸變性的助劑。表現(xiàn)為受到剪切時(shí)，稠度變小；停止剪切時(shí)，稠度又增加的性質(zhì)即是觸變性。觸變劑具有優(yōu)異防流掛性能，能防止環(huán)氧樹脂等流體在封裝、涂裝等過程中的濺落和流掛，改善流平性能。

最常用觸變劑有氣相二氧化硅、有機(jī)膨潤土、氫化蓖麻油等。實(shí)際應(yīng)用中，改善環(huán)氧樹脂流變特性時(shí)氣相二氧化硅最為常用。

氣相二氧化硅為固體氣凝膠，該體系在受到剪切力作用時(shí)，因氫鍵很弱，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠作用消失，黏度下降；當(dāng)剪切力去除氫鍵繼續(xù)作用時(shí)，故能恢復(fù)到原來形狀。

在生產(chǎn)過程中碰到過因樹脂觸變性差影響操作的問題，而添加0.3%～0.5%的氣相二氧化硅可以獲得很好成效。樹脂觸變性大為提升，與稀釋劑配合使用，點(diǎn)膠時(shí)樹脂出膠順暢，且樹脂在產(chǎn)品口部收縮良好，不出現(xiàn)流淌的現(xiàn)象，很好滿足了生產(chǎn)工藝需求。

2.3 偶聯(lián)劑的應(yīng)用

在環(huán)氧樹脂材料中，由于使用了填料等無機(jī)物以及粘接界面多樣性，偶聯(lián)劑顯得尤為重要。

偶聯(lián)劑是指一類具有兩性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其一部分基團(tuán)與有機(jī)物具有親和力，另一部分基團(tuán)與無機(jī)物填料親和，使得難相容的有機(jī)物和無機(jī)物通過這種橋接的形式緊密結(jié)合。

環(huán)氧樹脂中有補(bǔ)強(qiáng)劑、增稠劑等無機(jī)填料時(shí)，體系中最常用的是硅烷類偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑能有效增加填料與樹脂的融合能力，使得“填充料（無機(jī)物）—偶聯(lián)劑—環(huán)氧樹脂（有機(jī)物）”緊密連接；同時(shí)，硅烷偶聯(lián)劑能使環(huán)氧樹脂封裝緊密性大大增強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中，無機(jī)殼體產(chǎn)品中，偶聯(lián)劑能使 “陶瓷殼（無機(jī)物）—偶聯(lián)劑—環(huán)氧樹脂（有機(jī)物）”連接起來，增加其結(jié)合強(qiáng)度。

在封裝環(huán)氧樹脂中，添加0.5%硅烷偶聯(lián)劑，實(shí)踐證明，偶聯(lián)劑能有效增加環(huán)氧樹脂與陶瓷類無機(jī)界面粘接強(qiáng)度。

2.4 消泡劑的應(yīng)用

在環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)和配制過程中，經(jīng)常由于混合、傾倒、流動(dòng)、攪拌等工序混入空氣，產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡在環(huán)氧樹脂固化后會(huì)形成空隙甚至空洞，對環(huán)氧樹脂封裝強(qiáng)度和密封性能造成很大危害。

能有效防止氣泡產(chǎn)生或產(chǎn)生的氣泡迅速脫逸的一類助劑我們稱為消泡劑。消泡劑表面張力低，能使氣泡迅速破裂，從而有效防止氣泡的產(chǎn)生和持續(xù)存在。

消泡劑常用的有低分子量醇類、油脂類、有機(jī)硅類等。環(huán)氧樹脂體系中，最常使用的一種消泡劑是聚硅氧烷類消泡劑。

某款產(chǎn)品使用0.3%～0.5%硅烷類消泡劑，配合抽真空，氣泡不良得到了很大改善，不良率由原來7%～8%降低到0.5 %。

3 環(huán)氧樹脂的Tg測定與改善研究

環(huán)氧樹脂Tg，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指無定形或半結(jié)晶高聚物在降溫過程中從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw的玻璃化轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的溫度。環(huán)氧樹脂的Tg值作為環(huán)氧樹脂的重要熱力學(xué)特征溫度，我們在生產(chǎn)過程中，用于評估烘烤工藝、助劑添加影響以及異常情況下的固化物特征；有時(shí)同熱重TG聯(lián)用，對于環(huán)氧樹脂的應(yīng)用有著很重要的指導(dǎo)作用。

熱分析對于環(huán)氧樹脂應(yīng)用改善的作用顯著。熱分析可分析環(huán)氧樹脂的Tg和TG等信息，對于環(huán)氧樹脂實(shí)際應(yīng)用和烘烤工藝的改善具有重要作用，可在此測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上匯總對比以上關(guān)聯(lián)項(xiàng)目，作為環(huán)氧樹脂研究選用的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

此外，我們必須結(jié)合環(huán)氧樹脂的使用條件和需求，在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或改善現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)和固化工藝時(shí)予以充分考慮。

結(jié)語

環(huán)氧樹脂作為使用廣泛的工程樹脂，在用于電子元器件的封裝時(shí)，有著不可比擬的優(yōu)勢。我們可以根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，并從材料操作性、力學(xué)性能、電氣性能、阻燃性能、環(huán)保特性和價(jià)格等各方面綜合評估選擇環(huán)氧樹脂。但環(huán)氧樹脂使用受環(huán)境溫濕度、產(chǎn)品自身特點(diǎn)和工藝要求影響，往往要添加一些黏度調(diào)節(jié)劑（增稠劑和稀釋劑）、觸變劑、偶聯(lián)劑、消泡劑等助劑，以提升環(huán)氧樹脂可操作性，降低缺陷和提高固化可靠性。此外，環(huán)氧樹脂的封裝和烘烤工藝與其產(chǎn)品特性及制作工藝密切相關(guān)，通過熱分析研究環(huán)氧樹脂及其不同助劑和不同固化工藝的Tg和TG信息，可以得到一個(gè)適合產(chǎn)品的環(huán)氧樹脂體系及烘烤工藝，并加以改良。而在這基礎(chǔ)上，環(huán)氧樹脂的對比研究，對環(huán)氧樹脂的工程應(yīng)用和改善研究有著重要意義。

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