环氧树脂塑封料的玻璃化转变温度 （Tg）

环氧树脂塑封料的玻璃化转变温度 （Tg）

环氧树脂塑封料 EMC

环氧树脂塑封料 ( EMC） 的玻璃化转变温度(Tg） 是 EMC  从坚硬的玻璃状物质变为柔软的橡胶状物质的温度。在此过渡区域之后，尺寸、体积和热膨胀系数(CTE）等物理材料属性会增加。 CTE  将在后面讨论。超出此区域后，模量和硬度等其他特性会降低。

与这种行为 (不完全正确）的一个很好的类比是你车里的仪表板。在炎热的夏日早晨6:00，您的仪表板将变得僵硬。到了中午，在阳光照射下来之后，它会变得更柔和、更灵活，并有所扩大。到那天晚上9:00，仪表板已经恢复为坚硬的材料。只要热量不会将仪表板推到其弹性极限之外，这个循环就是可重复且无损的。热固性塑料环氧树脂塑封料也是如此。

Tg  的数值

不幸的是， Tg  的数值并没有告诉你很多东西。如图 1 所示，这个温度更准确地定义为一个区域，而不是单个点。根据所使用的测试和报告方法，报告的数量可能会有很大差异。通常，该数字作为过渡区域的中点给出，但该值并不能告诉您该区域的实际宽度。

图 1受玻璃化转变温度影响的环氧树脂塑封料的化合物特性

例如，假设环氧树脂塑封料 A 的 Tg 区域范围为 95°C 至 115°C，而环氧树脂塑封料 B 的 Tg 区域范围为 98°C 至102°C，则与它们相关的 Tg 值将分别报告为 105°C 和 100°C如果遵循中点规则。严格从报告的中点值来看，人们倾向于选择Tg 为 105°C 的环氧树脂塑封化合物 A，但基于较窄的过渡窗口，100°C 的环氧树脂塑封化合物 B可能会成为更好的候选者。

如前所述，材料的 Tg通常报告为过渡区的中点，这两者都不是一个硬性规定。设计师真正感兴趣的是材料特性开始发生变化的时刻，而不是这种转变的中途。在这种情况下，设计人员很可能更愿意在过渡区域的开始的Tg。

以上面的相同示例为例，环氧树脂塑封料 A 的过渡区域范围为 95°C 至 115°C，供应商决定将材料的 Tg 列为过渡区域的中点105°C。 环氧树脂塑封料 B 的供应商将 Tg 列为过渡阶段 98°C 的开始。 同样，环氧树脂塑封料 A可能会在不熟悉材料特性的设计师眼中胜出。

两个供应商可以提供相同的环氧树脂塑封料 A，第一个供应商报告过渡区的终点 115°C，第二个供应商报告过渡区的起点 95°C。同样，不熟悉材料特性的设计师会倾向于选择第一个供应商，材料相同。

DSC 与 DMA 与TMA

与玻璃化过渡区域的宽度同样重要的是用于确定该区域的测试。测量该温度的三种Zui流行的方法是差示扫描量热法 （DSC）、动态机械分析 （DMA） 和热机械分析（TMA）。

差示扫描量热法 （DSC） 是测定材料 Tg的Zui快、Zui简单的方法。它涉及取一小份环氧树脂塑封料样品，通常为 10-20 毫克，并在锅中以 10°C/min的恒定速率加热。测量吸收的热量，并将其绘制为热流与温度的关系图（图2）。分析该图，将基线热流的第一次偏移定义为 DSC 开始，该曲线的峰值定义为 DSC峰值，（通常）该转变的中点温度定义为 Tg。

图 2 差示扫描量热法 （DSC）环氧树脂

塑封料 Duroplast 的Tg

不幸的是，这种分析方法不是很可靠，与TMA和DMA获得的结果相比，这种方法获得的结果通常相差10-15°C或更高。

热机械分析 （TMA） 使用材料热膨胀系数（CTE） 的变化来确定 Tg。对于环氧树脂塑封料等热固性塑料，这个数字通常低于 Tg 比高于 Tg 高得多。该测试测量 EMC 在整个温度范围内的扩展（图3）。低于 Tg 时，EMC 以较低的速率膨胀，以每摄氏度百万分之几 （ppm/oC）. 在 Tg以上，材料以更大的速度膨胀。曲线中显示膨胀与温度的偏转表示 Tg。在实践中，技术人员或软件经常将这两条斜线连接起来，并将交点记录为玻璃化转变温度。

图 3 环氧树脂塑封料脲醛的热机械分析（TMA）的Tg

TMA还需要额外的准备时间。所有样品的大小必须尽可能接近，并且所有读数都需要在同一个地方采集。这是因为较大的样品与较小的样品具有不同的固化应力，并且出于同样的原因，在中心采集的读数可能与在边缘采集的读数不同。假设测量始终在同一位置进行，则此方法会产生更可重复的结果。热机械分析也是大多数环氧树脂塑封料制造商报告其EMC 的 Tg 的方式。

动态机械分析 （DMA）涉及通过固化材料的矩形条振荡载荷。这可以通过 3 点弯曲、双悬臂弯曲甚至单弯曲悬臂来实现，如图 4所示。应力通过试样传递，材料的相对模量作为时间和温度的函数进行测量。

图 4 环氧树脂塑封料 Duroplast的动态机械分析 （DMA） 的 Tg

这种技术是列出的三种技术中可重复性Zui高的，但所使用的加热速率和振荡频率将极大地影响Zui终的 Tg测量值。由于热滞后，更快的加热速率将导致更高的 Tg，而由于粘弹性材料固有的频率依赖性，较高的振荡频率将导致更高的Tg。可以通过多种方式解释获得的数据。表 1 中列出了每项测试的注意事项摘要。

表 1 DSC vs. DMA 与 TMA的注意事项

既然已经确定 Tg 是一个范围，而不仅仅是一个数值，并且有几种标准方法可以报告这个范围，那么让我们探索一下材料达到其 Tg的方法。

环氧树脂的化学成分称为加成化学。这意味着，为了获得特定的材料特性，A 组分（称为树脂）与 B组分（称为固化剂）混合。所得的混合化学成分具有一定的特性，包括粘度、硬度、CTE 和 Tg。

使用这种类型的化学方法，很难获得远高于固化温度的 Tg，尤其是在固化时间较短的情况下。例如，如果环氧树脂塑封料在 80°C 下固化，则EMC 的 Tg 通常不会比 85°C – 90°C 高很多。 环氧树脂基质会迅速凝胶化，直到 Tg达到固化温度，固化速度会大大减慢。对于许多具有多个固化方案（例如在 165°C 下 5 分钟）的高温固化环氧树脂塑封料，产品将在100°C 下大约 2-3 小时内固化，但不会达到技术数据表上规定的高 Tg（通常为 130°C）。这些高温固化 EMC有更长、更低的温度固化循环，但这些循环不会达到技术数据表中列出的高 Tg。需要更高的温度固化才能达到高 Tg 环氧树脂塑封料列出的高Tg。

仅仅将这些环氧树脂暴露在更高的温度下也是不够的。必须留出时间让热固化环氧树脂在这些温度下“浸泡”。这种额外的浸泡时间使基质能够完成固化。对热固化环氧树脂进行了案例研究，其技术数据表上列出的Zui终Tg 为 125°C。 遵循推荐的 150°C 固化温度，在 2 小时内产生Zui终的 Tg。120°C 的较低固化温度在 1 小时内产生100°C 的 Tg，但需要额外的 2.5 小时才能达到 125°C 的Zui终 Tg。 将固化温度降低到 100°C，在 2.5小时内产生 100°C 的 Tg，但需要整整 8 小时才能达到技术数据表中列出的 125°C 的 Tg。表 2 了这些结果。

表 2 各种固化方案对 Tg的影响

了解了上述情况后，让我们看一个常见的例子，其中未经培训的设计师可能会得出一些错误的结论。为了便于演示，假设设计人员选择了上述环氧树脂塑封料，其数据表上列出的Tg 为 125°C。 为了固化这种环氧树脂，他选择了在 100°C 下 2.5 小时的交替固化方案。他对自己已经彻底固化了环氧树脂感到满意，并进行了 DSC 测试来验证他的结论。如上所述，典型的 DSC 测试采集 EMC样本并以 10°C/min 的恒定速率加热。由于他预期得到的值约为125°C，他可能会将测试运行到 150°C 左右。期望得到了满足，因为曲线表明 Tg 在 125°C左右。没有意识到的是，测试本身已经对环氧树脂进行了后固化，将样品的 Tg 推高到 100°C 以上，否则可以达到。

此示例提出了两个重要问题：

1

◼ 增加材料 Tg  所需的更高固化温度是否需要在单个阶段进行？

◼ 固化不足的环氧树脂塑封料有什么影响？

环氧树脂塑封料的烘烤后固化周期

2

如上例所示，未来的二级固化周期可用于增加环氧树脂塑封料的 Tg。这意味着可以使用初级固化周期有效地将材料“凝胶化”到位。

事实上，许多公司 尤其是电容器制造商）根本不对他们的环氧树脂塑封料进行注塑后固化。模内固化提供了足够的机械性能，并且 EMC 性能的任何提高都可以在运行过程中获得。

固化不足的环氧树脂塑封料的影响

3

简短的回答是，固化不足的环氧树脂在耐环境性、弯曲强度和模量以及玻璃化转变温度方面没有Zui大限度地发挥其全部潜力。更好的答案将揭示，并非所有给定的应用程序都需要完全Zui大化的属性。较长、较热的固化方案将提供接近  的固化，但较低或较短的固化周期通常会产生与完全固化的同类产品 90%  – 95% 的性能。

环氧树脂塑封料的玻璃化转变温度 Tg  比技术数据表上的单个值更适合描述为一个范围。可以通过多种方式测试 EMCsTg，包括 DSC、 TMA  和 DMA。这些方法中的每一种都有其优点和缺点，并且每一种都留下了解释的空间。了解 Tg 以及在环氧树脂塑封料中测试Tg  的各种方法是半导体塑封工程师和设计师的重要武器。

了解更多关于我们全系列的环氧树脂塑料(EMC），包括我们的半导体级环氧树脂塑封料、玻璃纤维增强工业级塑封料和用于光电子应用的光学透明环氧树脂塑封料。如果您对环氧树脂塑封料颗粒尺寸有任何其他问题，请随时在下面发表评论或随时与我们联系。