环氧灌封胶开裂失效机理及对策研究

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1、环氧灌封胶开裂失效机理及对策研究张国彬刘春和彭道勇朱三可杨艳妮(二炮装备研究院第三研究所六室北京市清河大楼子八北京100085)j。jjj。E。l?jj。j1j。}r摘要本文首先探讨了环氧灌封胶的开裂失效机理，由于环氧固化物中内应力和缺陷的存在，在外部机。械及热应力的作用下材料内部的微裂纹和缺陷扩展导致其开裂失效。针对该失效机理．还着重论述了通过添’加各种增韧剂对环氧灌封料进行增韧改性以及控制工艺来减小固化后内应力，从而达到避免或延缓开裂，提7高灌封元件可靠性的目的。关键词环氧灌封胶开裂失效机理对策}。

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4、?if}1{ii1．前言电子元器件广泛采用树脂灌封材料进行整体封装，以达到稳定元器件参数、减震、防止外力损伤以及水分、有害气体和微粒侵蚀的目的。目前，所用树脂灌封材料主要有环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂等。其中环氧灌封料具有以下特点【-】：(1)固化过程无副产物、收缩率小；(2)固化物具有优良的电绝缘性能和介电性能，能满足电子材料对介电性能的要求；(3)固化物具有较高的力学强度和粘结性能及优良的耐热性能，能满足封装元器件抵抗机械和热应力的要求；(4)环氧树脂及其固化剂和促进剂种类繁

5、多，经过50多年的发展，已经开发出上百个品种，并且性能覆盖面宽，可满足不同电器和电路的封装要求。灌封用环氧树脂首选液态双酚A环氧树脂，如E—44、E一5l、E一39一D等。(5)施工工艺性能好，价格低廉，可靠性也较高，适合于大规模生产和应用。因此，环氧树脂已经成为应用最广泛的电子器件封装材料，普遍应用于航空航天器、武器装备等军用和机械、电子等民用电器产品中，比如高压开关、电阻器、电容器、电抗器、电流互感器、阻流圈、变压器、汽(摩)点火器线圈等等；目前，国外半导体器件的80％～90％(日本几乎全部)是由环

6、氧灌封胶封装的，并且其发展趋势也十分看好II】o但是，由于环氧树脂本身分子链中含有较多的刚性单元，交联密度较大，因此其固化物存在韧性不足即质脆的问题；并且电子元器件在使用过程中要经常处于各种苛刻的振动、冲击和高低温循环环境下，在实际使用中经常发生环氧灌封胶容易产生应力开裂的问题，这是其最主要的一种失效模式，严重影响了所封装的电子元器件的可靠性。虽然国内外的科研工作者对环氧灌封胶开裂失效问题进行了大量的研究，但到目前为止这个问题并未完全得到解决。随着电子元器件应用场合的拓展，尤其是航空航天设备和武器装备的

7、更新换代及其对技术指标要求的日益提高，使这类装备面临着更加严峻的环境应力，如强振动和高冲击、零下200摄氏度到数百度高温的温度循环，致使其对所使用的电子灌封材料也提出了更高的要求。本文在总结文献的基础上，结合科研和生产实际论述了环氧灌封胶的开裂失效机理及相应的对策，以期对其研究及应用提供一些指导和参考。2．环氧灌封胶开裂失效机理研究表明，内应力和缺陷的存在是导致环氧灌封固化物开裂的根本原因阿。环氧灌封料是多种成分的混合物，一般由环氧树脂、固化剂和促进剂及填料等组成，在其混合过程中不可避免地带入杂质，形成

8、气泡，加之真空脱泡不彻底，都会造成固化产物内部的缺陷。此外，环氧树脂灌封元器件的产品结构设计、树脂配方设计、灌封工艺不当都会在封装过程中引入较大的内应力和应力集中，尤其是在灌封料与109嵌入元件的接触界面、尖角等部位，会造成应力集中和微裂纹。上述内应力(盯)包括收缩应力和热应力，其表达式见式(1)四。叮=仃s4-盯Hz=△Ls×E，+(at—aⅢ)×(Tp--T,)×E，(1)其中，仃为内应力；Er为灌封料弹性模量；△k为灌封料固化收缩形变；ar为灌封料的线膨胀系数；am为嵌入元件的线膨胀系数；Tp为灌

9、封料在固化过程中的最高温度；Tr为室温；131"。为固化收缩应力，盯S一--△Ls×E，；叮Hz为热应力，叮Hz=(a,--a。)×(To--T,)×E，。在环氧灌封料固化过程中，随着固化程度的提高，交联密度逐渐增大，引起体积的不断收缩，而环氧树脂一旦发生凝胶化，生成的网状结构对分子链的运动造成非常大的约束，因此体积收缩造成的应力得不到及时的松弛，故而造成收缩应力叮．。仃．是灌封料在初始凝胶阶段、固化放热阶段和后固化阶段所产生的体积收缩应力的总和。此外，环氧树脂是一种内聚力大、弹性模量高的高分子聚合物，

10、它的线膨胀系数要比大多数金属材料高，一般来说，环氧树脂灌封胶的线膨胀系数比其包埋的电器部件的线膨胀系数大3～5倍(见表1)。由于环氧灌封料和电器元件的线膨胀系数不相匹配，在灌封料固化后期，随着温度的逐渐降低，因二者膨胀量不一致导致的灌封料受到的应力得不到有效松弛，并以内应力的形式被“冻结”在灌封胶内部，称之为热应力盯H：。由于这些内应力和应力集中的存在，在外部机械应力和高低温温度循环的冲击下，灌封胶内的缺陷及微裂纹不断扩展，最终造成开裂失效