環(huán)氧電子封裝用促進(jìn)劑在低溫快速固化和高導(dǎo)熱環(huán)氧封裝中的應(yīng)用前景
低溫快速固化與高導(dǎo)熱環(huán)氧電子封裝中的促進(jìn)劑應(yīng)用前景探析
在當(dāng)今這個(gè)“萬(wàn)物互聯(lián)”的時(shí)代，電子產(chǎn)品越來(lái)越小巧、高效，而它們的“心臟”——芯片，也變得越來(lái)越復(fù)雜。為了保護(hù)這些精密的“大腦”，電子封裝技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展。其中，環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)異的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和粘接強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于電子器件的封裝材料中。
然而，隨著5g通信、新能源汽車(chē)和人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)環(huán)氧封裝材料已經(jīng)難以滿足對(duì)高導(dǎo)熱性、低工藝溫度以及快速固化的多重需求。于是，一種看似不起眼卻至關(guān)重要的角色開(kāi)始嶄露頭角——促進(jìn)劑（accelerator）。
本文將圍繞“低溫快速固化”與“高導(dǎo)熱環(huán)氧封裝”兩個(gè)關(guān)鍵詞，深入探討促進(jìn)劑在這類(lèi)材料中的關(guān)鍵作用及其未來(lái)應(yīng)用前景，并輔以產(chǎn)品參數(shù)表格和國(guó)內(nèi)外研究成果，力求通俗易懂、風(fēng)趣幽默地為大家呈現(xiàn)這一“幕后英雄”的精彩故事。
一、環(huán)氧樹(shù)脂：電子封裝界的“全能選手”
環(huán)氧樹(shù)脂是一類(lèi)含有兩個(gè)或多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)化合物，具有良好的粘結(jié)性、耐化學(xué)品性和電絕緣性，是電子封裝材料的首選之一。不過(guò)，它也有自己的“軟肋”——固化過(guò)程慢、固化溫度高、導(dǎo)熱性差。這就導(dǎo)致了在一些需要高溫作業(yè)或者高功率散熱的應(yīng)用場(chǎng)景下，傳統(tǒng)環(huán)氧材料顯得力不從心。
于是，工程師們開(kāi)始尋找“外援”來(lái)幫助環(huán)氧樹(shù)脂更好地適應(yīng)現(xiàn)代電子工業(yè)的需求。這個(gè)“外援”，就是促進(jìn)劑。
二、促進(jìn)劑：環(huán)氧固化的“加速器”與“調(diào)溫師”
促進(jìn)劑，顧名思義，就是用來(lái)加快環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑之間反應(yīng)速率的一類(lèi)物質(zhì)。在低溫條件下，它能顯著提升反應(yīng)活性，使材料在較低溫度下也能實(shí)現(xiàn)快速固化；而在高導(dǎo)熱體系中，它又能優(yōu)化反應(yīng)路徑，避免副產(chǎn)物過(guò)多影響材料結(jié)構(gòu)，從而保證導(dǎo)熱性能的穩(wěn)定性。
促進(jìn)劑種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的有叔胺類(lèi)、咪唑類(lèi)、膦類(lèi)和金屬鹽類(lèi)等。不同類(lèi)型的促進(jìn)劑適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的促進(jìn)劑不僅能提高生產(chǎn)效率，還能有效降低能耗，提升產(chǎn)品良率。
三、低溫快速固化：讓“冷加工”成為可能
低溫固化是近年來(lái)電子封裝領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。尤其在柔性電子、可穿戴設(shè)備和led封裝中，過(guò)高的固化溫度可能會(huì)損壞敏感元件或?qū)е虏牧献冃巍Ｒ虼耍绾卧?0℃甚至更低的溫度下完成環(huán)氧樹(shù)脂的完全固化，成為研究熱點(diǎn)。
促進(jìn)劑在這里的作用就像是給環(huán)氧反應(yīng)裝上了“渦輪增壓”。通過(guò)添加適量的促進(jìn)劑，可以在不犧牲材料性能的前提下大幅縮短固化時(shí)間。例如，使用咪唑類(lèi)促進(jìn)劑時(shí)，在60℃下30分鐘即可完成固化，而傳統(tǒng)配方可能需要120℃加熱兩小時(shí)以上。
表1：常見(jiàn)促進(jìn)劑在低溫固化中的性能對(duì)比
| 促進(jìn)劑類(lèi)型 | 固化溫度（℃） | 固化時(shí)間（min） | 固化后tg（℃） | 導(dǎo)熱系數(shù)（w/m·k） | 特點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|---|
| 咪唑類(lèi) | 60 | 30 | 120 | 0.3 | 快速固化，適用廣 |
| 叔胺類(lèi) | 80 | 45 | 110 | 0.25 | 成本低，但氣味大 |
| 膦類(lèi) | 70 | 40 | 130 | 0.35 | 高熱穩(wěn)定性 |
| 金屬鹽類(lèi) | 90 | 60 | 140 | 0.4 | 熱阻低，適合高導(dǎo)熱 |
四、高導(dǎo)熱環(huán)氧封裝：讓熱量“跑得快一點(diǎn)”
高導(dǎo)熱環(huán)氧材料通常是在樹(shù)脂中加入大量無(wú)機(jī)填料（如氮化鋁、氧化鋁、氮化硼等），以提升其熱傳導(dǎo)能力。然而，這些填料往往會(huì)干擾環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致固化不良、內(nèi)應(yīng)力增大等問(wèn)題。
這時(shí)候，促進(jìn)劑就扮演起了“協(xié)調(diào)員”的角色。它可以幫助樹(shù)脂在填料存在的情況下仍保持較高的反應(yīng)活性，從而獲得均勻致密的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升導(dǎo)熱性能。此外，部分促進(jìn)劑還能起到偶聯(lián)劑的作用，增強(qiáng)填料與基體之間的界面結(jié)合，進(jìn)一步改善導(dǎo)熱效率。
表2：不同促進(jìn)劑對(duì)高導(dǎo)熱環(huán)氧體系的影響
| 促進(jìn)劑類(lèi)型 | 添加量（phr） | 導(dǎo)熱系數(shù)（w/m·k） | tg（℃） | 拉伸強(qiáng)度（mpa） | 備注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 咪唑類(lèi) | 2 | 2.8 | 135 | 45 | 平衡性好 |
| 季銨鹽 | 1.5 | 3.1 | 120 | 40 | 導(dǎo)熱高但脆 |
| 膦類(lèi) | 3 | 2.6 | 140 | 50 | 強(qiáng)度高 |
| 鋅鹽 | 2.5 | 2.4 | 110 | 38 | 成本低 |
五、實(shí)際應(yīng)用案例：促進(jìn)劑在哪些地方“發(fā)光發(fā)熱”？
1. 新能源汽車(chē)電池包灌封
在電動(dòng)汽車(chē)中，動(dòng)力電池組的工作環(huán)境極為苛刻，既要求良好的導(dǎo)熱性能以及時(shí)散熱，又希望封裝材料能在較低溫度下快速固化，以免影響電池模組的整體裝配效率。此時(shí)，添加咪唑類(lèi)促進(jìn)劑的高導(dǎo)熱環(huán)氧膠水便成為理想之選。
2. led照明模塊封裝
led燈具雖然節(jié)能，但發(fā)熱量不容小覷。為防止燈珠過(guò)熱失效，通常會(huì)采用高導(dǎo)熱環(huán)氧進(jìn)行密封。由于led組件耐溫性較差，必須在80℃以下完成固化，這對(duì)促進(jìn)劑提出了更高的要求。
3. 半導(dǎo)體器件底部填充（underfill）
在高端芯片封裝中，底部填充材料不僅要具備良好的流動(dòng)性，還需在低溫下快速固化以避免芯片熱損傷。這時(shí)，季膦鹽類(lèi)促進(jìn)劑因其優(yōu)異的低溫活性和電絕緣性，成為該領(lǐng)域的明星選手。
六、挑戰(zhàn)與展望：促進(jìn)劑的“成長(zhǎng)煩惱”
盡管促進(jìn)劑在環(huán)氧封裝中表現(xiàn)亮眼，但它也不是“萬(wàn)能鑰匙”，依然面臨不少挑戰(zhàn)：
- 揮發(fā)性問(wèn)題：部分促進(jìn)劑（如叔胺類(lèi)）在加熱過(guò)程中容易揮發(fā)，造成刺激性氣味，影響工作環(huán)境。
- 儲(chǔ)存穩(wěn)定性差：某些促進(jìn)劑會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)混料的儲(chǔ)存期縮短，增加管理成本。
- 環(huán)保壓力大：部分金屬類(lèi)促進(jìn)劑含有重金屬成分，不符合日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。
未來(lái)的發(fā)展方向，應(yīng)該集中在開(kāi)發(fā)低毒、低揮發(fā)、高活性且綠色環(huán)保的新型促進(jìn)劑上。比如，近年來(lái)興起的“潛伏型促進(jìn)劑”，能夠在特定溫度下才激活反應(yīng)，大大延長(zhǎng)材料的適用期，是極具潛力的研究方向。
- 揮發(fā)性問(wèn)題：部分促進(jìn)劑（如叔胺類(lèi)）在加熱過(guò)程中容易揮發(fā)，造成刺激性氣味，影響工作環(huán)境。
- 儲(chǔ)存穩(wěn)定性差：某些促進(jìn)劑會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)混料的儲(chǔ)存期縮短，增加管理成本。
- 環(huán)保壓力大：部分金屬類(lèi)促進(jìn)劑含有重金屬成分，不符合日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。
未來(lái)的發(fā)展方向，應(yīng)該集中在開(kāi)發(fā)低毒、低揮發(fā)、高活性且綠色環(huán)保的新型促進(jìn)劑上。比如，近年來(lái)興起的“潛伏型促進(jìn)劑”，能夠在特定溫度下才激活反應(yīng)，大大延長(zhǎng)材料的適用期，是極具潛力的研究方向。
七、結(jié)語(yǔ)：小小的促進(jìn)劑，大大的未來(lái)
促進(jìn)劑雖小，卻能在環(huán)氧封裝材料中掀起不小的波瀾。它不僅解決了低溫固化與高導(dǎo)熱之間的矛盾，更為電子工業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支持。
正如一位美國(guó)學(xué)者在其論文中所說(shuō)：“the future of electronic packaging lies not only in the resin itself, but also in the subtle accelerators that make it work.”（電子封裝的未來(lái)不僅在于樹(shù)脂本身，更在于那些讓它發(fā)揮作用的微妙促進(jìn)劑。）
而我國(guó)科研工作者也在該領(lǐng)域取得了豐碩成果。例如，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于雙官能團(tuán)咪唑的復(fù)合促進(jìn)劑體系，成功實(shí)現(xiàn)了80℃下20分鐘快速固化，同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3.2 w/m·k，相關(guān)成果發(fā)表于《composites part b: engineering》。
國(guó)外方面，日本東京工業(yè)大學(xué)的研究人員則聚焦于光引發(fā)/熱引發(fā)協(xié)同促進(jìn)機(jī)制，開(kāi)發(fā)出可在紫外光照下初步固化、隨后在室溫下自催化完成終固化的新型促進(jìn)體系，極大拓展了環(huán)氧材料的應(yīng)用邊界。
總之，促進(jìn)劑作為環(huán)氧電子封裝材料的重要“催化劑”，其未來(lái)發(fā)展值得我們持續(xù)關(guān)注與投入。
參考文獻(xiàn)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
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李明, 張強(qiáng), 王芳. 新型咪唑類(lèi)促進(jìn)劑在高導(dǎo)熱環(huán)氧封裝材料中的應(yīng)用研究[j]. 功能材料, 2022, 53(1): 123-128.
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劉志遠(yuǎn), 趙磊, 陳曉東. 低溫快速固化環(huán)氧膠黏劑的制備與性能研究[j]. 粘接, 2021, 42(3): 45-50.
-
清華大學(xué)材料學(xué)院課題組. 高導(dǎo)熱低鹵素含量環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料的研發(fā)進(jìn)展[c]. 第十七屆全國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂學(xué)術(shù)交流會(huì), 2023.
國(guó)外文獻(xiàn)：
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sato, k., yamamoto, t., & tanaka, h. (2021). accelerated curing behavior and thermal conductivity of epoxy composites with boron nitride fillers. journal of applied polymer science, 138(20), 49876.
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lee, j. h., park, s. j., & kim, b. k. (2020). development of a latent accelerator for low-temperature fast-curing epoxy adhesives. polymer engineering & science, 60(11), 2745–2753.
-
nakamura, m., ito, y., & kobayashi, t. (2019). uv-assisted thermal curing system for high-performance encapsulation materials. composites part b: engineering, 175, 107062.
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gupta, a. k., & sharma, r. (2022). recent advances in thermally conductive polymer composites: a review on materials, processing, and performance. materials today communications, 31, 103322.
如果你覺(jué)得這篇文章講明白了促進(jìn)劑的重要性，那下次看到手機(jī)、電腦或者電動(dòng)車(chē)?yán)锏哪且粚印巴该髂z”，別忘了它背后還有個(gè)默默發(fā)力的小幫手——促進(jìn)劑。
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公司其它產(chǎn)品展示:
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nt cat t-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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nt cat ul1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于t-12。
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nt cat ul22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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nt cat ul28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代t-12。
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nt cat ul30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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nt cat ul50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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nt cat ul54 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性良好。
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nt cat si220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于ms膠，活性比t-12高。
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nt cat mb20 適用有機(jī)鉍類(lèi)催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。
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nt cat dbu 適用有機(jī)胺類(lèi)催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。