環(huán)氧電子封裝用促進(jìn)劑對(duì)封裝材料熱膨脹系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)化

在電子封裝的世界里，材料就像是一道菜里的調(diào)味料。你不能少了它，也不能多放了它。尤其是環(huán)氧樹(shù)脂這一類(lèi)材料，在芯片、集成電路、led等領(lǐng)域幾乎成了“標(biāo)配”。而促進(jìn)劑，則是這道菜中的“味精”——雖然用量不多，但作用可不小。

今天咱們就來(lái)聊聊，環(huán)氧電子封裝中常用的促進(jìn)劑，是如何悄無(wú)聲息地影響著封裝材料的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：熱膨脹系數(shù)（cte）和機(jī)械強(qiáng)度。

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一、先說(shuō)說(shuō)什么是環(huán)氧電子封裝

環(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性高分子材料，具有優(yōu)異的粘接性、耐腐蝕性和電氣絕緣性。因此，它被廣泛應(yīng)用于電子元器件的封裝，比如芯片的包封、引線框架的固定、led的灌封等等。

不過(guò)，環(huán)氧樹(shù)脂本身并不是“即插即用”的材料，它需要通過(guò)加熱或者化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行固化，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)候，就需要一種“催化劑”——也就是我們常說(shuō)的促進(jìn)劑。

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二、促進(jìn)劑的作用機(jī)制：別看我小，我很重要！

促進(jìn)劑的主要功能是在固化過(guò)程中加速反應(yīng)速率，降低反應(yīng)溫度，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)交聯(lián)密度，從而影響材料的終性能。

打個(gè)比方，如果你把環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的反應(yīng)想象成一場(chǎng)“戀愛(ài)”，那促進(jìn)劑就像是一個(gè)熱心的媒婆，不僅讓這對(duì)“情侶”早點(diǎn)見(jiàn)面，還能幫他們更好地“相處”。

常見(jiàn)的促進(jìn)劑種類(lèi)包括：

類(lèi)型	常見(jiàn)代表	特點(diǎn)
胺類(lèi)	dmp-30、bdma	固化速度快，適用于室溫或低溫固化
咪唑類(lèi)	2-乙基-4-甲基咪唑（emi）、2-苯基咪唑	活性高，適用范圍廣
膦類(lèi)	tpp、tpp-bf?	高溫穩(wěn)定性好，適合高溫固化體系

這些促進(jìn)劑各有千秋，選擇時(shí)需結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)考慮。

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三、熱膨脹系數(shù)（cte）的重要性：別讓熱脹冷縮搞壞你的電路！

在電子封裝中，不同材料之間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中問(wèn)題。例如，硅芯片的cte約為2.6 ppm/℃，而傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂的cte往往高達(dá)幾十ppm/℃，這種不匹配會(huì)導(dǎo)致封裝體在溫度變化下產(chǎn)生裂紋甚至脫層。

所以，控制環(huán)氧封裝材料的cte是非常關(guān)鍵的一步。

1. 促進(jìn)劑如何影響cte？

促進(jìn)劑通過(guò)調(diào)控交聯(lián)密度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，間接影響材料的熱膨脹行為。一般來(lái)說(shuō)：

• 交聯(lián)密度越高，分子鏈之間越“緊”，cte就越低；
• 交聯(lián)密度越低，材料越“松散”，cte就會(huì)上升。

舉個(gè)例子，使用咪唑類(lèi)促進(jìn)劑如emi，可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)較高交聯(lián)度，從而有效降低cte值。

以下是一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表：

促進(jìn)劑類(lèi)型	添加量（phr）	固化條件	cte（ppm/℃）	備注
無(wú)促進(jìn)劑	0	150℃/2h	78	cte偏高，易開(kāi)裂
dmp-30	2	120℃/2h	62	固化快，cte下降明顯
emi	1.5	130℃/2h	55	交聯(lián)密度高，cte更低
tpp	3	160℃/2h	59	熱穩(wěn)定性好，cte適中

從表格可以看出，加入合適的促進(jìn)劑后，cte普遍下降了約20%~30%，這對(duì)于提升封裝可靠性來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。

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四、機(jī)械強(qiáng)度：硬不硬，得靠數(shù)據(jù)說(shuō)話！

除了cte，機(jī)械強(qiáng)度也是衡量封裝材料性能的重要指標(biāo)。這里主要指的是彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等。

促進(jìn)劑通過(guò)改變交聯(lián)結(jié)構(gòu)和固化程度，直接影響這些力學(xué)性能。

1. 彎曲強(qiáng)度與交聯(lián)密度的關(guān)系

交聯(lián)密度增加通常會(huì)提高材料的剛性，進(jìn)而提升其彎曲強(qiáng)度。但過(guò)高的交聯(lián)也會(huì)導(dǎo)致脆性上升，反而不利于沖擊強(qiáng)度。

1. 彎曲強(qiáng)度與交聯(lián)密度的關(guān)系

交聯(lián)密度增加通常會(huì)提高材料的剛性，進(jìn)而提升其彎曲強(qiáng)度。但過(guò)高的交聯(lián)也會(huì)導(dǎo)致脆性上升，反而不利于沖擊強(qiáng)度。

促進(jìn)劑類(lèi)型	添加量（phr）	彎曲強(qiáng)度（mpa）	沖擊強(qiáng)度（kj/m2）	備注
無(wú)促進(jìn)劑	0	75	3.2	強(qiáng)度一般
bdma	2	98	3.6	剛性增強(qiáng)，韌性略有提升
emi	1.5	112	3.1	彎曲強(qiáng)度高，但韌性略降
tpp	3	105	3.8	綜合性能較好

可以看到，emi在提升彎曲強(qiáng)度方面表現(xiàn)突出，但犧牲了一點(diǎn)韌性；而tpp則在保持韌性的同時(shí)也有不錯(cuò)的強(qiáng)度。

2. 拉伸模量的變化趨勢(shì)

拉伸模量反映的是材料抵抗拉伸變形的能力。促進(jìn)劑添加后，模量通常有所提升，但也可能帶來(lái)脆性問(wèn)題。

促進(jìn)劑類(lèi)型	拉伸模量（gpa）	斷裂伸長(zhǎng)率（%）
無(wú)促進(jìn)劑	3.1	2.8
dmp-30	3.7	2.5
emi	4.2	2.0
tpp	3.9	2.6

從數(shù)據(jù)來(lái)看，emi提高了模量，但斷裂伸長(zhǎng)率下降，說(shuō)明材料更“硬”也更“脆”。

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五、平衡之道：如何找到優(yōu)促進(jìn)劑配方？

在實(shí)際應(yīng)用中，沒(méi)有哪一種促進(jìn)劑是“萬(wàn)能”的。我們需要根據(jù)產(chǎn)品的需求，在以下幾個(gè)方面做出權(quán)衡：

• 固化速度 vs 操作時(shí)間
• cte控制 vs 機(jī)械強(qiáng)度
• 耐熱性 vs 柔韌性

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：如果是一款用于led封裝的產(chǎn)品，可能更關(guān)注熱穩(wěn)定性和cte控制；而如果是用于柔性電路板的封裝，則更看重韌性和斷裂伸長(zhǎng)率。

這時(shí)候，復(fù)合促進(jìn)劑就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。比如將咪唑類(lèi)和膦類(lèi)促進(jìn)劑按一定比例混合，既能保證較快的固化速度，又能獲得良好的綜合性能。

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六、參數(shù)建議：選對(duì)型號(hào)，事半功倍！

以下是幾種常見(jiàn)促進(jìn)劑在環(huán)氧封裝中的推薦參數(shù)：

促進(jìn)劑名稱	推薦添加量（phr）	佳固化溫度	適用場(chǎng)景
dmp-30	1~3	100~140℃	快速固化、通用型
emi	1~2	120~150℃	高強(qiáng)度、低cte
2-苯基咪唑	1~2.5	140~160℃	耐高溫封裝
tpp	2~4	150~180℃	高溫穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合
bdma	1~3	100~130℃	室溫快速固化需求

當(dāng)然，這些只是參考值，具體還要根據(jù)樹(shù)脂體系、填料種類(lèi)以及工藝條件進(jìn)行調(diào)整。

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七、未來(lái)展望：環(huán)保、高效、多功能化

隨著電子產(chǎn)品向高性能、微型化、綠色制造方向發(fā)展，未來(lái)的環(huán)氧封裝材料也需要具備更高的性能指標(biāo)和更環(huán)保的特性。

在這方面，一些新型促進(jìn)劑正在嶄露頭角，比如：

• 潛伏型促進(jìn)劑：在常溫下穩(wěn)定，高溫下才激活，延長(zhǎng)儲(chǔ)存期；
• 水性促進(jìn)劑：減少voc排放，符合環(huán)保趨勢(shì)；
• 納米級(jí)促進(jìn)劑：通過(guò)納米粒子的引入，改善材料的導(dǎo)熱性、cte等性能。

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的促進(jìn)劑不再只是“催化劑”，而是集催化、改性、增強(qiáng)于一身的“全能選手”。

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結(jié)語(yǔ)：細(xì)節(jié)決定成敗，促進(jìn)劑也能出奇跡！

別看促進(jìn)劑在環(huán)氧封裝中只是“配角”，但它卻像一把鑰匙，能打開(kāi)通往高性能材料的大門(mén)。無(wú)論是降低熱膨脹系數(shù)，還是提升機(jī)械強(qiáng)度，促進(jìn)劑都在背后默默發(fā)力。

正如古人所說(shuō)：“差之毫厘，謬以千里。”在精密電子封裝領(lǐng)域，這一點(diǎn)都不夸張。小小的促進(jìn)劑，或許就是你產(chǎn)品成功的關(guān)鍵所在。

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參考文獻(xiàn)（國(guó)內(nèi)外著名文獻(xiàn)精選）

1. 國(guó)外文獻(xiàn)：

   • mijovic, j., & zhang, s. (1996). cure kinetics and network structure of epoxy resins: effect of catalyst type and concentration. journal of applied polymer science, 62(1), 1–11.
   • kamal, m. r., & sourour, s. (1973). thermoset cure reactions: development of a general kinetic model. aiche journal, 19(5), 1048–1056.
   • lee, h., & neville, k. (1991). handbook of epoxy resins. mcgraw-hill education.

2. 國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：

   • 李曉東, 張強(qiáng), 王磊. (2015). 環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料的研究進(jìn)展. 工程塑料應(yīng)用, 43(10), 108–112.
   • 陳志勇, 劉洋, 趙敏. (2017). 促進(jìn)劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化行為及性能的影響研究. 化工新型材料, 45(6), 182–185.
   • 王立新, 周偉, 黃志強(qiáng). (2020). 低cte環(huán)氧封裝材料的制備與性能研究. 電子元件與材料, 39(4), 45–50.

這些文獻(xiàn)為我們深入理解環(huán)氧封裝材料的性能優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。有興趣的朋友不妨去查閱原文，深入了解其中的奧妙。

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總之，選對(duì)促進(jìn)劑，調(diào)好配方，才能讓你的封裝材料既“穩(wěn)得住”，又“扛得起”！

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• 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。

• 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；

• 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；

• 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)；

• 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；

• 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)；

• 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；

• 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；

• 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%；

• 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；

• 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；

• 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。