環氧樹脂的工程應用研究

江旭

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

關鍵詞：環氧樹脂；助劑；應用；熱分析；改善；研究

中圖分類號：U445 文獻標志碼：A

1 環氧樹脂概述

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

環氧樹脂，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。環氧樹脂具有良好的工藝操作和黏結特性，力學性能和電氣性能俱佳、尺寸穩定性好，并具有極佳的耐候性和耐溫性。環氧樹脂用途廣泛，可用于涂料、膠黏劑、封裝料、工程塑料、復合材料和建筑材料等領域。特別是在電子電器行業產品灌封、澆注等密封工藝上有很廣泛應用。

2 環氧樹脂及其助劑的工程應用

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

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

現在就雙酚A型環氧樹脂在電子元器件封裝上的應用和改善進行研究和討論。

雙酚A型環氧樹脂用于產品的封裝，因產品的特性和具體施工工藝需求，會遇到許多問題，因此為適應產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用

環氧樹脂由于加入了填充料和改性劑，其黏度較大，尤其是胺類固化環氧樹脂，其黏度變化隨環境溫度變化明顯。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，封裝容易出現流掛，我們需使用一定比例增稠劑；而溫度較低時，樹脂黏度上升，流動性差，影響施工效率，我們需使用一定比例稀釋劑。這都是為了調節環氧樹脂黏度將其控制在一定范圍內，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，為低沸點易揮發溶劑，而且本身不參與固化反應，容易產生氣泡、影響交聯從而導致樹脂性能下降。因而使用參與交聯的環氧樹脂活性稀釋劑，雙官能團的二縮水甘油醚成為稀釋體系主流。

以某款電子產品封裝為例，根據實際經驗，結合轉子黏度計測量，我們發現常溫固化環氧樹脂HA適合作業的黏度范圍為32000mPa·s～36000mPa·s。

根據反復試驗、測試論證：溫度22～25℃時，封口環氧樹脂體系自身可以滿足這一要求；≥26℃時，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。結果證明，適當比例增稠劑和稀釋劑可以控制該款環氧樹脂黏度在適合作業的黏度范圍。

2.2 觸變劑的應用

觸變劑，是能增加液體黏度并使該液體具有觸變性的助劑。表現為受到剪切時，稠度變小；停止剪切時，稠度又增加的性質即是觸變性。觸變劑具有優異防流掛性能，能防止環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、有機膨潤土、氫化蓖麻油等。實際應用中，改善環氧樹脂流變特性時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，因氫鍵很弱，網絡結構被破壞，凝膠作用消失，黏度下降；當剪切力去除氫鍵繼續作用時，故能恢復到原來形狀。

在生產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，點膠時樹脂出膠順暢，且樹脂在產品口部收縮良好，不出現流淌的現象，很好滿足了生產工藝需求。

2.3 偶聯劑的應用

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

偶聯劑是指一類具有兩性結構的物質，其一部分基團與有機物具有親和力，另一部分基團與無機物填料親和，使得難相容的有機物和無機物通過這種橋接的形式緊密結合。

環氧樹脂中有補強劑、增稠劑等無機填料時，體系中最常用的是硅烷類偶聯劑。硅烷偶聯劑能有效增加填料與樹脂的融合能力，使得“填充料（無機物）—偶聯劑—環氧樹脂（有機物）”緊密連接；同時，硅烷偶聯劑能使環氧樹脂封裝緊密性大大增強，在實際應用中，無機殼體產品中，偶聯劑能使 “陶瓷殼（無機物）—偶聯劑—環氧樹脂（有機物）”連接起來，增加其結合強度。

在封裝環氧樹脂中，添加0.5%硅烷偶聯劑，實踐證明，偶聯劑能有效增加環氧樹脂與陶瓷類無機界面粘接強度。

2.4 消泡劑的應用

在環氧樹脂的生產和配制過程中，經常由于混合、傾倒、流動、攪拌等工序混入空氣，產生大量氣泡，這些氣泡在環氧樹脂固化后會形成空隙甚至空洞，對環氧樹脂封裝強度和密封性能造成很大危害。

能有效防止氣泡產生或產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生和持續存在。

消泡劑常用的有低分子量醇類、油脂類、有機硅類等。環氧樹脂體系中，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 環氧樹脂的Tg測定與改善研究

環氧樹脂Tg，即玻璃化轉變溫度。玻璃化轉變溫度是指無定形或半結晶高聚物在降溫過程中從橡膠態轉變為玻璃體的玻璃化轉變所對應的溫度。環氧樹脂的Tg值作為環氧樹脂的重要熱力學特征溫度，我們在生產過程中，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；有時同熱重TG聯用，對于環氧樹脂的應用有著很重要的指導作用。

熱分析對于環氧樹脂應用改善的作用顯著。熱分析可分析環氧樹脂的Tg和TG等信息，對于環氧樹脂實際應用和烘烤工藝的改善具有重要作用，可在此測試數據基礎上匯總對比以上關聯項目，作為環氧樹脂研究選用的標準依據。

此外，我們必須結合環氧樹脂的使用條件和需求，在設計新產品或改善現有產品設計和固化工藝時予以充分考慮。

結語

環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，有著不可比擬的優勢。我們可以根據產品的設計需求，并從材料操作性、力學性能、電氣性能、阻燃性能、環保特性和價格等各方面綜合評估選擇環氧樹脂。但環氧樹脂使用受環境溫濕度、產品自身特點和工藝要求影響，往往要添加一些黏度調節劑（增稠劑和稀釋劑）、觸變劑、偶聯劑、消泡劑等助劑，以提升環氧樹脂可操作性，降低缺陷和提高固化可靠性。此外，環氧樹脂的封裝和烘烤工藝與其產品特性及制作工藝密切相關，通過熱分析研究環氧樹脂及其不同助劑和不同固化工藝的Tg和TG信息，可以得到一個適合產品的環氧樹脂體系及烘烤工藝，并加以改良。而在這基礎上，環氧樹脂的對比研究，對環氧樹脂的工程應用和改善研究有著重要意義。

參考文獻

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