電子元件封裝技術(shù)潮流

全球微型化趨勢(shì)下，空前增長(zhǎng)的電力電子發(fā)展以及伴隨之下更高效的生產(chǎn)效率，是這一高端行業(yè)尋求更高效灌封以及封裝技術(shù)的主要?jiǎng)恿?。粘合劑工業(yè)對(duì)這一趨勢(shì)作出了積極響應(yīng)。市面上如雨后春筍般出現(xiàn)了眾多新研發(fā)的產(chǎn)品。

環(huán)氧樹脂幾乎專用于需要耐高溫、可抵抗機(jī)械作用力，耐化學(xué)侵蝕的情況。它的作用原理是：環(huán)氧樹脂雖不盡相同， 但為了例如達(dá)到最高可靠性，它需要與專門的硬化劑配合使用，才能夠保障粘合劑分子間形成特別緊密的交聯(lián)。這樣才能使得灌封和封裝對(duì)于溫度和各種介質(zhì)具備較高的抵抗力，可以長(zhǎng)久地在滾燙的傳動(dòng)裝置潤(rùn)滑油和腐蝕介質(zhì)中使用。

灌封與封裝，最高適用溫度達(dá) 250 °C

近些年來，很多工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陔娮咏M件的溫度要求進(jìn)一步提高。對(duì)于汽車上的傳感器或采油設(shè)備來說當(dāng)然是毋庸置疑的。而對(duì)于電力電子設(shè)備來說更是如此，由于流經(jīng)小型組件的電流強(qiáng)度越來越大，導(dǎo)致積聚的熱量也因此驟增，進(jìn)一步提升了耐高溫的要求。

以前，封裝最高適用溫度可達(dá)180℃，而現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中卻常超過這一溫度。不過，新研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)將這一溫度極限又提高了 70 °C ，適用溫度范圍達(dá)到 -65 °C 到 250 °C 。

盡管含有大量填料，這些耐高溫封裝及灌封材料，在提高耐受溫度范圍的同時(shí)，仍然保持高耐介質(zhì)性、適用廣泛的粘附力、高強(qiáng)度、穩(wěn)定的加工性能以及良好的流動(dòng)性。

在最高達(dá)250 °C 的情況下保護(hù)元件免遭腐蝕性物質(zhì)侵蝕: 搭配特殊硬化劑的高溫封裝工藝 (Figure: DELO)

即使在 250°C 的條件下儲(chǔ)存 500 小時(shí)后，它的拉伸強(qiáng)度仍可達(dá) 50 MPa。就算溫度超過 200 °C，它仍具有很高的耐溫性與粘合強(qiáng)度。在 250°C 下經(jīng)過 500 小時(shí)存儲(chǔ)后，其在 220 °C 的陶瓷上測(cè)得的壓縮剪切強(qiáng)度為 8 MPa，這相當(dāng)于 800 N/cm2 。

光固化快速固定工藝，提高了粘合精度，并形成特定的封裝結(jié)果

到目前為止，無論是在180 °C 還是 250 °C的條件下，高端工業(yè)領(lǐng)域的灌封及封裝粘合劑都為純熱固化產(chǎn)品。因?yàn)樘砑悠渲械奶厥庥不瘎┍仨氃?00 °C以上的條件下才會(huì)融化，隨后才能與樹脂產(chǎn)生反應(yīng)。

盡管近期面世的雙固化灌封材料也需要進(jìn)行熱固化工藝。不過，這類混合產(chǎn)品可以在初期通過光固化進(jìn)行預(yù)固定——如此可提高粘合精度，形成特定的溢膠邊，使得更易于處理已初步固定的元件。

更重要的是，在能夠保護(hù)芯片的圓頂封裝應(yīng)用中，使用這一工藝會(huì)在表面先形成一張表皮，從而“凍結(jié)”住膠滴的形狀，使其在后續(xù)熱固化過程中不會(huì)流動(dòng)。這意味著指定形狀的圓頂封裝可用于微型化設(shè)計(jì)所要求的空間窄小的電路板上。與可替代的筑壩填充方案相比，光固化工藝還能夠節(jié)省一個(gè)加工步驟。

在兩個(gè)階段的固化工序中，粘合劑先在UV光下照射1到5秒，時(shí)間長(zhǎng)短取決于LED燈的光強(qiáng)。在常用的FR4電路板上，粘合劑通過光預(yù)固化的剪切強(qiáng)度可以超過1N。隨后FR4電路板在150 °C的溫度下通過熱固化30分鐘達(dá)到其最終剪切強(qiáng)度50MPa。

光固化快速固定技術(shù)的出現(xiàn)，使那些要求高可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域擁有了更多可能性 (圖片來源: DELO)   

可光固化的環(huán)氧樹脂擁有適用廣泛的粘附力，而且因其優(yōu)異的觸變流動(dòng)性，非常容易加工操作。由于混合的化學(xué)結(jié)構(gòu)，溫度極限略低于那些純耐高溫化合物。但前者在180 °C的條件下性能仍然很優(yōu)秀。它的耐介質(zhì)性也極強(qiáng)：在傳動(dòng)裝置潤(rùn)滑油、汽油或甲醇等腐蝕介質(zhì)里放置500小時(shí)以后，它的力學(xué)性能僅發(fā)生輕微變化。對(duì)于可損傷大多數(shù)粘合劑性能的印刷油墨，該產(chǎn)品也顯示出了高耐抗性。

堆疊的膠滴構(gòu)筑出精細(xì)的結(jié)構(gòu)

另一種叫做筑壩封裝的方法，不僅能適應(yīng)日趨微型化的設(shè)計(jì)潮流，而且可靠度很高。它們可先形成一堵又薄又高的墻，特別適用于汽車與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

它們的特殊之處在于比起前一代“筑壩”產(chǎn)品，填料更細(xì)膩，因此可以用針狀點(diǎn)膠設(shè)備點(diǎn)出直徑最小為 250 μm 的用于封裝的膠滴。憑借超高的粘度（最高可達(dá)160000 mPas），這種粘合劑的另一特性就是高抗流動(dòng)性。粘合劑的高寬比可達(dá)2.5，這意味著膠滴的高度達(dá)到寬度的兩倍也不會(huì)倒塌。

以上這些性能使得這種易于處理的粘合劑尤其適合應(yīng)用于細(xì)微的結(jié)構(gòu)，例如作為傳感器之間極窄的分隔墻體。粘合劑的堆疊被稱作"堆積壩"（dam stacking），（根據(jù)不同的粘合劑）這種工藝也有可能各膠層無需單獨(dú)固化即可堆積起來，這簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程。

在芯片和傳感器周圍構(gòu)建精密的結(jié)構(gòu): 專為電子元件研發(fā)的新”筑壩”粘合劑 (圖片來源: DELO)

這些不坍塌的“筑壩”產(chǎn)品同樣對(duì)于酸、油和其它腐蝕性物質(zhì)具備優(yōu)秀的抵抗力，而且具有很低的吸水性。它們的適用溫度最高可達(dá) 200 °C  。在室溫條件下，它在FR4電路板上的壓縮剪切強(qiáng)度達(dá)到 49 MPa . 即使是在200°C的環(huán)境下儲(chǔ)藏500小時(shí)以后，這一數(shù)值仍然維持在 43 MPa，僅有輕微下降。

它的熱膨脹系數(shù)(CTE)為24 ppm/K，接合180°C的玻璃化溫度，可以使其在很大的溫度范圍內(nèi)保持極低的翹曲度。 因此，封裝內(nèi)部的應(yīng)力得以最小化。

這類“筑壩”產(chǎn)品有兩種不同的規(guī)格：一種是純熱固化粘合劑，另一種是抗流動(dòng)性更高的雙固化粘合劑。用戶可以通過設(shè)定特定的時(shí)間和溫度，靈活地控制固化過程。例如，在150°C時(shí)用20分鐘完成固化，或者在125°C時(shí)用90分鐘完成固化。由于這種粘合劑流動(dòng)性極低，因此高寬比得以保持不變。膠層高度在整個(gè)熱固化過程中亦不會(huì)改變。

低翹曲率成全了大面積芯片灌封

無論對(duì)于可靠性的要求有多高，制造商仍然會(huì)把成本效益放在異常重要的位置上。在芯片生產(chǎn)與芯片的再加工上，比如芯片封裝領(lǐng)域，各大制造商均傾向于選擇性價(jià)比更合理的工藝。在這一潮流下，制造商們?cè)絹碓蕉嗟貙⒋罅肯嗤脑M裝在一塊印刷電路板上，隨后將這些元件完全封裝起來，最后再把它們分割成多個(gè)單獨(dú)的已封裝好的元件。另一種方法是對(duì)完全組裝完畢的印刷電路板進(jìn)行封裝，而不是用外殼來保護(hù)電路板免遭環(huán)境影響。

大面積灌封可以顯著地縮短加工時(shí)間，大大節(jié)約成本。但在實(shí)際應(yīng)用中，這一方法經(jīng)常遭遇瓶頸。在面對(duì)高化學(xué)應(yīng)力和熱應(yīng)力時(shí)，大面積封裝這一加工方式會(huì)在固化過程中造成印刷電路板的翹曲。這導(dǎo)致元件之間產(chǎn)生張力，令單獨(dú)分割變得困難。造成翹曲的原因是印刷電路板和封裝材料的熱膨脹系數(shù)不相同，前者為10-20 ppm/K，后者通常高于 20 ppm/K。

印刷電路板的大面積封裝 (圖片來源: DELO)

為了解決這個(gè)問題，并滿足對(duì)可靠度要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，我們研發(fā)出了優(yōu)化的封裝材料，其特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)極低，僅為 11 ppm/K。這樣就把翹曲度降到最低，令這種封裝材料成為高效率大面積芯片封裝的最佳選擇。

客戶還可以選擇添加不同的熒光劑，以監(jiān)控點(diǎn)膠工藝，在粘合劑固化之前檢測(cè)所有元件是否已完全覆蓋。對(duì)于高價(jià)值元件來說，這一選項(xiàng)絕對(duì)值得考慮。

目前來說，這類產(chǎn)品的溫度上限是 165 °C，而且具備出色的防潮性和耐介質(zhì)能力。此外，就算基材不加熱，它們?nèi)跃哂袃?yōu)異的流動(dòng)性，也可以配合使用筑壩填充工藝達(dá)到效果。使用這種封裝材料時(shí)，您還可以設(shè)置不同的固化參數(shù)：在溫度為 150 °C 時(shí)，最多只需20分鐘即可迅速固化；對(duì)于單組分的產(chǎn)品，您可以選擇將固化溫度降低到 100 °C；對(duì)于雙組分的產(chǎn)品，您可以選擇將固化溫度設(shè)為 125 °C 。這樣一來，即使是對(duì)溫度相當(dāng)敏感的元件也能夠可靠地固化。

結(jié)論

承受最高 250 °C 的溫度、高機(jī)械負(fù)荷，并且長(zhǎng)久地接觸具有腐蝕性的介質(zhì)：在嚴(yán)苛的環(huán)境條件下，高端封裝材料與灌封用料是保護(hù)敏感電子元件的關(guān)鍵因素。眾多新研發(fā)的產(chǎn)品使得如今的制造商們能夠滿足逐步升高的電力電子設(shè)備的技術(shù)要求，滿足呼聲漸漲的微型化需求，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。