封装材料的湿气失效分析

1、1.湿气失效分析的简单介绍 1.1 湿气分析理论 1.2 实例分析2. High-Performance Light-Emitting Diodes Encapsulated with Silica-Filled Epoxy Materials封装材料分类：1.金属外壳封装2.陶瓷外壳封装3.塑料（高聚物）外壳封装1.1.11.1.1湿气扩散理论湿气扩散理论1.1.2 1.1.2 湿气膨胀应力分析湿气膨胀应力分析1.1.3 1.1.3 蒸汽压力分析蒸汽压力分析常用塑封材料常用塑封材料：一般为环氧树脂类热固性塑料：一般为环氧树脂类热固性塑料聚合物特点聚合物特点：多孔性多孔性、亲水性亲水性。湿气湿

2、气：指进入到封装材料中的水蒸：指进入到封装材料中的水蒸气气或或液态液态形式的水分子形式的水分子湿气存在形式湿气存在形式：（1 1）单一气态；（单一气态；（2 2）气液混合态；（）气液混合态；（3 3）结合水）结合水 湿湿热应力热应力以及湿气以及湿气是在是在电子封装材料的分层的主要原因。电子封装材料的分层的主要原因。水分扩散水分扩散进入进入封装材料中封装材料中，使封装材料膨胀，并且降低其界面使封装材料膨胀，并且降低其界面粘合强度。粘合强度。据美国汽车工程师协会的调查结果，在汽车工据美国汽车工程师协会的调查结果，在汽车工业中使用的电子设备所接触的湿度环境一般是业中使用的电子设备所接触的湿度环境一般

3、是3838/95%RH/95%RH，局部位置可以达到，局部位置可以达到6666/80%RH/80%RH湿气引起的封装器件失效湿气引起的封装器件失效：（1 1）湿应力破坏；）湿应力破坏；（2 2）爆米花失效；（）爆米花失效；（3 3）材料性能下降）材料性能下降湿气使环氧树脂玻璃化转变温度湿气使环氧树脂玻璃化转变温度降低了降低了3030 高聚物电子封装件在执行表面贴装工艺时常常发生类似“爆米花”式的孔穴破裂现象，早期的研究大多认为热应力是导致发生这一破坏的主要原因。现在有研究指出: 高聚物电子封装件的微孔在储存和运输过程中的吸湿，进而在回流焊高温下产生的蒸气压力，是导致发生孔穴破裂的主要原因。（1

4、 1）湿应力）湿应力：由于聚合物材料易于吸收周围环境中的湿气而产生湿膨胀，而封装器件中不同材料的吸湿性质不一，进而会产生不同的湿应力。（2 2）聚合物中吸收的水分子存在形式）聚合物中吸收的水分子存在形式A）自由水：在微空洞中以自由分子的方式存在；B）结合水：水分子与聚合物分子链间形成氢键。（3 3）实验）实验A）热机械分析仪（Thermal mechanical analyzer， TMA）：测量吸湿过程中的尺寸变化；B）热重分析仪（Thermal gravitational analyzer，TGA）：测量吸湿过程中的重量变化。塑封器件吸湿后所产生的内部蒸汽压力，塑封器件吸湿后所产生的内部蒸

5、汽压力，被认为是引起被认为是引起“爆米花爆米花”开裂现象最接的开裂现象最接的因素，也是最主要的破坏机制因素，也是最主要的破坏机制经过168h的吸湿时间后，封装体环氧塑封材料吸湿量基本达到饱和8585RH潮湿环境条件下经过96h的吸湿时间后，综合变形8585RH潮湿环境条件下经过96h的吸湿时间后，应力情况1.改进封装材料2.换另一种封装材料3.改变环境1.1.摘要摘要2.2.引言引言3.3.实验实验 3.1 3.1 湿气预处理湿气预处理 3.2 3.2 水吸附和湿气吸附的重力测量水吸附和湿气吸附的重力测量4.4.结果与讨论结果与讨论 4.1 4.1 水水( (液态水液态水) )和湿气和湿气（气

6、态水）（气态水）吸附吸附5.5.结论结论 封装材料对发光二极管（LED）的性能和可靠性有很大的影响。在这项研究中，本论文通过LED的封装与填料粉末加入环氧树脂材料制成高性能的LED器件。四种无机二氧化硅填料（即，石英、熔融二氧化硅、方英石和球形二氧化硅）及一种有机填料（即球状硅粉末）分别并入环氧树脂的封装材料中，以比较它们对LED器件性能的影响。环氧树脂的封装材料和LED器件的性质能用差示扫描量热仪（DSC）、热重分析（TGA）、动态力学分析（DMA）、热机械分析（TMA）、紫外分光光度计（UV-VIS）、扫描声学显微镜（SAM）和扫描电子显微镜（SEM）来研究。一、环氧树脂具有的优异性能：从

7、机械和光学性质的角度来看，以环氧树脂为基的材料为表面贴装器件（SMD）封装提供相当平衡的性能。其独特的化学和物理性质，如优良的耐化学性和耐腐蚀性，电和物理性能，优异的粘附性，隔热，低收缩，以及合理的材料成本，环氧树脂材料已经被最广泛地用于显示器的封装。具有优异的耐气候性和高玻璃化转变温度的环氧树脂材料可最小化阳光和加热所引起老化现象一、环氧树脂的不足之处： 当在焊接回流期间开发的总湿热应力超过界面的附着强度时发生脱层，从而导致封装材料的保护能力降低。二、用无机二氧化硅填料（石英、熔融二氧化硅、方石英和球形二氧化硅）及一种有机填料（即球状硅粉末）分别并入环氧树脂的封装材料的原因： 提高了金属框架

8、和封装材料之间的界面相互作用，而已广泛引入无机填料，大多二氧化硅，用以降低封装材料的热膨胀系数。2.1 2.1 湿气预处理湿气预处理 预处理过程如下：第一步，样品在125下烘干16小时以消除封装材料中的残留水分；然后经过五次-65150热循环来模拟不同温度转变；再将它们放入一个85和相对湿度为85的环境下168小时。在冷却到室温并且100的相对湿度后，将样品进行260峰值温度下红外（IR）回流三次。2.2 2.2 水水（l l）吸附吸附和和湿气湿气(g)(g)吸附吸附的重力测量的重力测量 材料的水吸附测量是在85，通过将干燥的矩形样品浸入到去离子水的水浴中。湿气吸附试验是在一个保持在85和85RH的环境 室 进 行 的 。 所 有 的 样 品 都 是 按20mm20mm0.9mm尺寸制备的，并且相同组成的五个试样进行了分别研究以获得吸附量的平均值。在吸附实验之前，将所有样品都彻底洗涤，然后在真空炉中干燥至达到恒干重。水（a）和湿气（b）扩散到不同的环氧体系的重力结果从重力测量计算结果（a:平衡水含量的单位重量为;b:扩散系数的单位是10-8S-1cm2）C-SAM（扫描声学显微镜照片）图像，从样品中从左到右分别是纯的环氧树脂、石英、熔融、方石英、球形和硅。 它表明，石英的系统在可靠性试验和老化试验同时表现出