橡膠改質環氧在電子封裝中的應用與增韌機制

橡膠改質環氧在電子封裝與晶片保護中的應用

 

一般雙酚型環氧樹脂固化後具有較高的硬度與良好的電氣絕緣性。當元件反覆升溫與冷卻時，膠層與晶片或金屬基材的熱膨脹差異，可能在接合處產生應力。手持裝置跌落時，瞬間衝擊也可能使應力集中在元件邊角或膠層缺陷處。這些情況都可能增加膠層開裂或界面剝離的風險。

常見的改善方式是在配方中加入兩端帶有反應基團的橡膠改質成分。這類成分可在固化過程中與環氧體系形成化學鍵結，有助於減少未反應成分遷移或析出的風險。橡膠改質也可提高膠層韌性，使膠層在受力時吸收部分衝擊能量，減緩裂紋擴展。實際改善幅度可透過熱循環與跌落測試確認。

 

 

 

 

一、 現場常見問題：膠體硬度良好，為什麼晶片依然容易受損?

 

在晶片黏著、變壓器灌封或電路板點膠製程中，研發與工程人員常遇到類似狀況：常溫下硬度表現不錯，但在通過冷熱衝擊測試（如 -40°C 至 125°C 循環）或跌落震動時，元件卻可能出現異常：

 

• 熱脹冷縮速率差異引發的界面應力

矽晶片受熱膨脹的幅度相對極小，而一般未改質環氧膠水的膨脹收縮幅度通常明顯高於晶片。當電路開機發熱、關機冷卻反覆交替時，膠水與晶片接觸面會持續產生拉扯力。若膠體本身缺乏適度的形變緩衝空間，應力累積過大時，可能造成界面剝離，甚至對較薄的晶片邊角造成機械應力負擔。

 

• 結構較為剛硬，震動衝擊不易化解

傳統環氧樹脂的交聯網絡較為緊密，受到外部敲擊或瞬間震動時，應力不易迅速分散，容易聚集在局部缺陷或邊角處，促使微裂紋向外擴展。

 

 

二、 為什麼化學改質的橡膠體系相對穩定？

 

要改善剛硬易脆的問題，在體系中引入橡膠成分是常見做法，但改質的工藝途徑往往會影響後續的穩定性：

 

1. 直接物理摻混橡膠

生橡膠與未固化的環氧樹脂在相容性上通常存在限制。若兩者缺乏化學鍵結合，在長期放置或高溫老化環境下，微觀相分離的橡膠分子較容易慢慢往表面遷移，可能增加表面出油或接著力隨時間衰減的風險。

 

2.化學預加成改質

預加成工藝是在反應階段，有助於改善橡膠與環氧體系的相容性，實際增韌效果取決於配方與固化條件。
當後續加入固化劑烘烤時，橡膠兩端的反應手會順勢進入主體交聯骨架中。這類結構能大幅降低游離析出的機會，平時分散在基質中，遇外力衝擊或溫差應力時則能適度分擔載荷，減緩微裂紋的延伸。

 

 

三、 電子材料常見的三種應用參考情境

 

在電子膠配方中，改質樹脂通常會與常規低黏度環氧搭配使用，並依據元件的受力特性調整添加比例：

 

1. 晶片貼合膠（Die Attach）：減緩薄晶片的翹曲傾向

• 常見難題：晶片厚度若較薄，貼合在金屬導線架或基板上時，冷卻過程中若兩側收縮力道不均，容易誘發晶片翹曲或微裂。
• 改質考量：適度加入約 15% 至 25% 的改質樹脂，通常能降低固化膠層的應力緊繃感，提供微觀的柔韌性來調節界面冷熱拉扯力，有助於維持晶片貼合的平整度。

 

2. 變壓器與感測器灌封（Potting）：降低低溫收縮對敏感元件的擠壓

• 常見難題：車用感測器或變壓器內部常包含對應力敏感的鐵氧體磁芯與細漆包線。在極低溫環境下，膠體若過度收縮勒緊，可能對磁芯或微細線圈產生擠壓風險。
• 改質考量：加入約 10% 至 15% 的改質樹脂，通常能在對耐熱溫度影響相對溫和的情況下，提供適當的彈性緩衝，減輕低溫收縮帶來的拉扯應力。

 

3. 手持與車載電路板防震點膠（零件固定 / 補強）：因應跌落衝擊

• 常見難題：手持設備掉落時，電路板上重量較大的元件，其邊緣焊點較容易因瞬間剪切力而受損。
• 改質考量：添加約 20% 至 30% 的改質樹脂時，膠層受力時的延展性與能量吸收往往有顯著改善。當面臨強烈震動時，膠體傾向自行形變吸震，有助於保護焊點與精密接腳。

 

四、 配方設計的客觀取捨：耐熱表現的變化趨勢

 

材料特性往往需要在不同指標間取得平衡：引入柔軟的橡膠分子鏈後，通常能提升韌性與抗衝擊性，但固化後的耐熱轉折溫度Tg與表面硬度，多數情況下會隨添加比例的拉高而呈現一定程度的向下偏移。

 

• 面對較高耐溫工況的搭配思維：
  若元件規範要求需長期耐受相對高溫（例如 150°C 至 180°C 以上），在配方設計上較常見的做法是複配多官能耐熱環氧樹脂。透過多官能交聯結構提供高溫剛性支撐，同時由橡膠鏈段負責吸收冷熱震動，以尋求耐溫與抗震應力之間的折衷點。

 

五、 調膠操作的實務提醒

改質原料在常溫下通常黏度偏高、流動性較為緩慢。若在室溫下直接進行高速剪切分散，較容易捲入微小氣泡且不易在短時間內完全排出；若殘留微氣泡，固化後可能對電氣絕緣表現帶來不利影響。

 

• 建議的操作方式：
  在混合前，可先將改質原料放置於 50°C ~ 60°C 的溫水槽或烘箱中溫和預熱約 1 小時。待其黏度下降、流動性改善後，再與主樹脂進行均勻攪拌，並於冷卻前確實完成真空脫泡作業，有助於維持電子級膠水的混合品質與絕緣穩定性。

 

 

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