エポキシ樹脂の塗布に失敗すると多大なコストがかかります。繊細なマイクロエレクトロニクスをカプセル化する場合、または高電圧の工業用コンポーネントをポッティングする場合、熱の不一致が主な敵です。熱膨張が管理されていないと、重大な内部応力が発生します。この応力は、高応力環境では必然的にコンポーネントの反り、微小亀裂、壊滅的な層間剥離を引き起こします。
配合者と材料エンジニアは、常にバランスを保つ作業に直面しています。レオロジー加工性を維持しながら、寸法安定性と機械的強度を達成する必要があります。間違ったフィラープロファイルを選択すると、製造上の欠陥が直接発生します。これにより絶縁耐力が損なわれ、現場でのコンポーネントの早期故障が保証されます。推測する余裕はありません。
高性能エポキシシステムを最適化するには、フィラーの特性を厳密に評価する必要があります。粒度分布、表面処理の化学的性質、熱膨張特性を注意深く分析する必要があります。これらの仕様をアプリケーションの要件に正確に一致させることが、長期的な信頼性を確保する唯一の方法です。正しい選択 エポキシ樹脂用の溶融シリカパウダーは、 配合全体の成功を左右します。
熱膨張が主な要因です。内部応力を最小限に抑え、封止時の熱サイクルによる破損を防ぐためには、低 CTE の溶融シリカ パウダーを使用することは交渉の余地がありません。
粒子サイズが処理を決定する: 正確な溶融シリカの粒子サイズと分布によってフィラーの最大充填量の制限が決まり、未硬化樹脂の粘度や硬化製品の密度に直接影響します。
表面改質により故障を防止: 未改質の親水性溶融シリカ粉末は、凝集や湿気の侵入を引き起こすことがよくあります。エポキシ改質溶融シリカ粉末への移行により、化学結合と長期信頼性が確保されます。
アプリケーションは仕様を決定します: 電子パッケージング用の溶融シリカ粉末は、一般的な工業用ポッティングコンパウンドと比較して厳しい純度 (低イオン汚染) を必要とします。
高性能エポキシ複合材料は、過酷な動作条件に耐えるために厳しいベースライン要件を満たさなければなりません。寸法安定性は必須です。硬化したマトリックスは、極端な温度変動下でも反りに耐えなければなりません。耐熱衝撃性により、急速加熱および冷却サイクル中の亀裂を防ぎます。優れた電気絶縁により、高電圧およびマイクロエレクトロニクス環境での安全な動作が保証されます。未充填のエポキシ樹脂は、これらの基準をすべて満たしません。膨張しすぎて熱の伝達が低下し、機械的ストレスにより亀裂が発生します。適切な無機フィラーを追加すると、ベースポリマーが堅牢な構造複合材料に変わります。
フィラーの内部原子構造がその熱挙動を決定します。標準的な結晶石英とガラスビーズは規則正しい原子構造を持っています。結晶質シリカは特定の温度で相転移を起こします。最も注目すべきは、573℃でのアルファ-ベータ石英転移です。この移行により、突然、予測不可能な体積が約 0.8% 膨張します。硬いエポキシ マトリックスでは、この突然の膨張によりコンポーネントが内側から外側へと粉砕されます。
溶融シリカ (SiO2) はまったく異なります。メーカーは、高純度の結晶質シリカを2000℃を超える温度で溶かし、急速に冷却することによって作成します。このプロセスにより結晶格子が破壊され、非結晶のアモルファス構造が生じます。この非晶質の性質により、優れた熱安定性が得られます。約 1200°C のガラス転移温度 (Tg) を誇り、非常に高い軟化点を維持します。高品質のものを使用すると、 溶融シリカフィラーを使用すると、相転移のリスクが完全に排除されます。業界では、溶融石英や石英ガラスなどの用語を同じ意味で使用することがあります。真の溶融シリカは、標準的なガラスビーズでは決して太刀打ちできない明確な純度レベルと熱的利点を提供します。
配合者は、しばしば溶融シリカとヒュームドシリカを混同します。この調達エラーにより、生産バッチは即座に台無しになります。溶融シリカは、バルクの寸法充填剤です。特に熱膨張係数を下げるために、大量に (多くの場合重量の 60% ～ 90%) 添加します。硬化した部品に構造的な質量を与え、熱伝導率を高め、寸法上の剛性を高めます。
ヒュームドシリカはナノスケールの増粘剤です。メーカーは四塩化ケイ素の火炎熱分解によってそれを製造します。これは、分岐した三次元鎖に融合した非晶質シリカの微細な液滴で構成されています。ヒュームドシリカは、厳密にレオロジー制御を目的として、少量 (通常は 1% ～ 3%) で使用されます。垂直コーティングの垂れを防止し、液状エポキシの流れを制御します。ヒュームドシリカは樹脂を増粘させます。溶融シリカはその物理的寸法を安定させます。
エポキシ配合におけるシリカの種類の比較
財産 |
溶融シリカ粉末 |
フュームドシリカ |
クリスタルクォーツ |
|---|---|---|---|
一次機能 |
バルクボリューム充填、CTE削減 |
レオロジーコントロール、たるみ防止 |
低コストの研磨剤充填 |
一般的な負荷レベル |
60～90重量％ |
1～3重量％ |
40～60重量％ |
粒径範囲 |
1ミクロン～100ミクロン |
5～50ナノメートル |
10ミクロン～2ミリメートル |
熱膨張 |
非常に低い (0.5 ppm/K) |
該当なし (少量で使用) |
高 (相転移の影響を受ける) |
粘度への影響 |
中～高（形状による） |
非常に高い（チキソトロピー性） |
高 (角の高い粒子) |
熱の不一致は電子アセンブリを破壊します。標準的なシリコン チップの CTE は約 3 ppm/K です。銅リードフレームは約 17 ppm/K です。未充填のビスフェノール A エポキシ樹脂は大幅に膨張し、多くの場合 60 ppm/K を超えます。このアセンブリが動作中に加熱すると、エポキシはシリコン ダイよりも大幅に速く膨張します。このバイメタル ストリップ効果により、はんだ接合部が切断され、ワイヤ ボンドが引き裂かれ、ダイ自体に亀裂が入ります。
この熱膨張ギャップを埋めるには、 低CTE溶融シリカパウダー。溶融シリカは、約 0.5 x 10^-6/K (0.5 ppm/K) という信じられないほど低い CTE を持っています。フィラーの体積分率を増やすと、最終的な複合材の CTE は混合の法則に従って予想通り低下します。 10 ～ 15 ppm/K の複合 CTE を達成するには、多くの場合 80 重量％を超える高いフィラー配合量が必要です。これは基材に厳密に適合し、熱サイクル中の内部せん断応力を排除します。
シリカ粒子の物理的形状とサイズは、未硬化樹脂が生産ラインでどのように動作するかを決定します。標準的な粉砕と粉砕によって作成された角張った粒子が互いに絡み合います。この連動により樹脂の流れが制限され、粘度が大幅に上昇します。角張った粒子は、混合装置、ギアポンプ、分注ノズルに深刻な摩耗を引き起こします。
球状粒子は、微細なボールベアリングのように機能します。それらは互いに転がり合い、高い負荷レベルでも樹脂がスムーズに流れることができます。最適化 溶融シリカの粒度 分布は、高密度ポッティングには必須です。単一の均一な粒子サイズを使用することはできません。代わりに、マルチモーダル ブレンディングを使用します。大きい粒子 (D50 = 20 ミクロン)、中程度の粒子 (D50 = 5 ミクロン)、細かい粒子 (D50 = 1 ミクロン) を混合します。より小さな粒子は、より大きな粒子間の空の隙間を埋めます。これにより、充填密度が最大化されます。マルチモーダルブレンドにより、最大粘度閾値を超えることなく 85% のフィラー配合量を達成できます。
無機シリカ粒子と有機エポキシマトリックスの間の界面は、複合材料の機械的完全性を決定します。このインターフェースは環境劣化に対して非常に脆弱です。
自然な状態では、シリカは活性シラノール (Si-OH) 基で覆われています。これにより、 親水性溶融シリカ粉末。空気中の周囲の湿気を積極的に引きつけて吸収します。電子封止材に未処理のシリカを使用すると、時間の経過とともに水分がマトリックスに浸透します。多くの場合 260°C を超えるはんだリフロー プロセス中、この閉じ込められた水分は瞬時に蒸発します。発生した蒸気は急速に膨張し、封止材に亀裂が入り、リードフレームから剥離します。業界ではこの壊滅的な失敗を「ポップコーン」と呼んでいます。
配合前に粒子表面を修正することで、湿気による障害を防ぎます。への移行 エポキシ修飾溶融シリカ粉末は 、信頼性の高い用途には不可欠です。メーカーはシランカップリング剤、通常はグリシドキシプロピルトリメトキシシランでシリカを処理します。シラン分子の一端は、縮合によって無機シリカ表面に化学結合します。もう一方の端には、硬化サイクル中に有機樹脂マトリックスに直接架橋するエポキシ反応性基が含まれています。この化学架橋により、界面せん断強度が大幅に向上します。湿気をはじき、粒子の凝集を防ぎ、大きな機械的負荷がかかった状態でも長期にわたる構造の完全性を確保します。
産業環境では、エポキシシステムが激しい化学攻撃にさらされます。溶媒、硫酸や塩酸などの濃酸、強アルカリ溶液は、充填されていないポリマーマトリックスを急速に劣化させます。高密度の溶融シリカフィラーを組み込むことで、化学物質の浸透を物理的にブロックします。アモルファス SiO2 の不活性な性質により、エポキシ マトリックスの全体的な耐薬品性が向上します。充填剤は曲がりくねった経路として機能し、腐食剤を不浸透性のシリカ粒子の周りを移動させます。これにより、工業用床コーティング、化学プラントのポッティング用途、ダウンホールの石油およびガスセンサーには高充填エポキシが必須となります。
マイクロエレクトロニクス用途には、完璧な純度が求められます。標準的な工業用フィラーには、微量のナトリウム (Na+)、カリウム (K+)、および塩化物 (Cl-) イオンが含まれています。集積回路では、周囲の湿気と電場によってこれらの自由イオンが移動します。これらは金型の表面を横切って移動し、繊細なアルミニウムのメタライゼーションに深刻な腐食を引き起こします。また、隣接するトレース間に致命的な漏れ電流を引き起こす導電経路も形成されます。これらの電気化学的障害を防ぐには、超高純度の溶融シリカを指定する必要があります。厳しいイオン汚染制限により、多くの場合、抽出可能イオンレベルが 1 ppm 未満であることが要求され、カプセル化されたデバイスの長期生存性が保証されます。
半導体業界は、壊れやすいシリコン ダイを保護するために特定のシリカ プロファイルに大きく依存しています。 電子パッケージング用の溶融シリカ粉末は、 エポキシ成形材料 (EMC) と液体キャピラリー アンダーフィル材料の 2 つの主要な用途カテゴリに分類されます。
エポキシ成形コンパウンド (EMC): これらの固体の B ステージ樹脂は、必要な CTE 低減を達成するために、最大 90 重量% までの大量のフィラー配合を必要とします。高度に設計されたマルチモーダル球状シリカを利用して、175°C の高圧トランスファー成形プロセス中の流動を維持します。
毛細管アンダーフィル: これらの液体エポキシは、毛細管現象によってフリップチップ デバイスの下を流れます。これらには、超微細で厳密に制御された粒度分布が必要です。粒子が大きすぎると「フィルタリング」が発生し、シリカがチップの端で捕捉され、充填されていない樹脂がその下に流れます。これにより、熱保護が損なわれ、はんだバンプが疲労しやすくなります。アンダーフィルの最大粒子サイズは、多くの場合 10 ミクロン未満に制限されます。
高密度の集積回路は動作中にかなりの熱を発生します。アルミナや窒化アルミニウムなどの材料は優れた熱伝導率を備えていますが、摩耗性が高く、高価で、加工が困難です。溶融シリカは、標準的なパッケージングに最適な妥協点を提供します。標準 IC の熱放散を管理するのに十分な熱伝導率 (高充填システムでは通常 0.8 ～ 1.5 W/m・K) を提供しながら、高い絶縁耐力を誇り、優れた電気絶縁性を維持します。アクティブなダイ表面から熱を奪いながら、密集したワイヤボンド間のアーク放電を防ぎます。
LED カプセル化や光センサーなどのオプトエレクトロニクス アプリケーションには、特殊なフィラーが必要です。標準的なフィラーは光を散乱させ、エポキシを不透明にします。高純度の溶融シリカは、UV から IR までの優れた透過性を実現します。可視スペクトルの明瞭さを提供します。配合者がシリカの屈折率 (約 1.46) を特定の光学脂環式エポキシと一致させると、溶融シリカは光の透過を妨げることなく封止材を強化します。また、紫外線による劣化にも強く、屋外での長年の連続使用による封止材の黄変や脆化を防ぎます。
硬化サイクル中、エポキシ樹脂はモノマーが架橋する際に化学収縮を起こします。材料が硬化温度から室温まで冷えると、熱収縮が発生します。高充填 EMC は溶融シリカを利用して両方の現象を軽減します。シリカの低い CTE により、複合マトリックスの全体的な体積変化が制限されます。特定のシランを使用して粒子と樹脂の界面を最適化することで、その後の熱衝撃時のマトリックス内の微視的な応力緩和が可能になります。これにより、プリント基板の巨視的な反りが防止され、後続の表面実装技術 (SMT) プロセスでも最終アセンブリが平らな状態に保たれます。
配合者は常にジレンマに直面しています。シリカ含有量を増やすと CTE が低下し、熱安定性が向上します。固体の塊をさらに追加すると、未硬化樹脂の粘度が指数関数的に増加します。粘度が高くなりすぎると、エポキシは複雑な形状や狭い隙間に流れ込まなくなります。エアポケットが閉じ込められ、空隙が生じます。空隙は応力集中や水分トラップとして機能し、高電圧試験中に部品の即時故障につながります。必要な CTE の削減と、注入、ポッティング、または分注装置の実際の制限とのバランスを取る必要があります。
エポキシ粘度に対するシリカ添加の影響
フィラー配合量 (重量%) |
CTE (ppm/K) |
粘度の影響 |
代表的な用途 |
|---|---|---|---|
0% (未充填) |
60～80 |
ベースライン (低) |
薄膜コーティング、ラミネート加工 |
40% |
35 - 45 |
中程度の増加 |
一般工業用ポッティング |
60% |
20～25 |
高 (流動するには加熱が必要) |
高電圧カプセル化 |
85%+ (マルチモーダル) |
8～15 |
ペースト状（トランスファーモールドが必要） |
IC パッケージング (EMC) |
硬質無機粒子を追加すると、柔軟なポリマーの機械的プロファイルが変化します。経験的データによれば、連続ガラス繊維または特殊なガラスビーズと比較して、特定の溶融シリカフィラーを使用すると、引張強度が 15% 低下する可能性があります。シリカ粒子は伸びません。それらは硬い包含物として機能します。引張強度は低下しますが、圧縮強度と弾性率は大幅に増加します。シランカップリング処理を最適化することで、引張損失を軽減します。粒子と樹脂間の強力な化学結合により、界面全体に応力が効率的に伝達され、引張性能と圧縮性能のバランスがとれます。
シリカは、液体エポキシ樹脂（比重約 1.1）よりも大幅に密度が高くなります（比重約 2.2）。低粘度の配合では、樹脂がゲル化する前に、重いシリカ粒子が混合バットの底またはポットに入れられたコンポーネントに沈降します。これにより、不均一な硬化パーツが作成されます。底部は脆くなり、過剰に充填されますが、上部は充填されず、熱膨張の影響を受けやすくなります。
セトリングを防ぐために次の制御を実装します。
1500 RPM 以上のカウルブレードを使用して高せん断混合プロトコルを実行し、凝集を破壊し、均一な粒子分布を確保します。
真空脱気チャンバーを 29 inHg で 10 ～ 15 分間使用して、高せん断混合段階中に導入された閉じ込められた空気を除去します。
より速く硬化する硬化剤または促進剤を使用して樹脂の反応性を調整し、粒子の大きな沈降が起こる前にゲル化が確実に起こるようにします。
プレミックスされた充填樹脂を自動ドラムローラー上に保管し、分注前に懸濁状態を維持します。
生産をスケールアップするには、材料サプライヤーの絶対的な一貫性が必要です。フィラープロファイルにばらつきがあると、製造ラインがクラッシュし、大量のスクラップ率が発生します。バイヤーは、納品されるすべてのロットに対して厳格な品質保証基準を要求する必要があります。 ISO 13320 に準拠したレーザー回折装置を使用して粒度分布曲線を検証する必要があります。微粒子 (D10) のシフトにより樹脂の流動特性が大幅に変化するため、D10、D50、および D90 の値に細心の注意を払ってください。 BET窒素吸着分析を使用して比表面積を確認する必要があります。表面積が予想よりも大きい場合は、微粒子が過剰であることを示しており、粘度が急上昇します。配合エラーや保管中の樹脂の早期進行を防ぐために、出荷前に厳格な水分含有量制限 (通常は 0.1% 未満) を適用する必要があります。
フィラーの性能を検証するには、標準化されたテストレンズを使用して硬化した複合材料を評価する必要があります。未硬化の液体データに依存するだけでは、現場の信頼性を予測するには不十分です。
動的機械分析 (DMA): DMA を使用してガラス転移温度 (Tg) を正確に決定し、動作温度範囲全体にわたって貯蔵弾性率の変化を監視します。これにより、シランカップリング剤が正しく機能していることが確認されます。
熱機械分析 (TMA): TMA を使用して、ガラス転移温度より低い (アルファ 1) とガラス転移温度より高い (アルファ 2) 両方の硬化複合材料の正確な CTE を測定します。これにより、フィラー負荷の計算が検証されます。
誘電破壊試験: 硬化した試験プラークを高電圧 (例: 50 kV AC) にさらし、シリカ純度がアーク発生やトラッキングなしで必要な絶縁基準を満たしていることを確認します。
現在の故障率を監査して、熱の不一致、反り、湿気の侵入がコンポーネントの不合格の根本原因であるかどうかを判断します。
特に多峰性の粒子サイズ分布と抽出可能なイオンの制限に焦点を当てた包括的な技術データシートを材料サプライヤーにリクエストしてください。
既存の塗布装置でベースライン粘度、流量、沈降試験を実施するには、エポキシ修飾シリカのサンプルを注文してください。
特定のシランカップリング化学をお客様の正確なエポキシ樹脂システムおよび硬化プロファイルに適合させるには、サプライヤーとの技術相談をスケジュールしてください。
A: ヒュームドシリカは、厳密にはレオロジー制御のための増粘剤として、微量 (通常は 1% ～ 3%) で使用されるナノスケールの粉末です。溶融シリカ粉末は、熱膨張係数を下げ、構造密度を高めるために、最大 90 重量％まで大量に使用されるバルク寸法充填剤です。
A: 致命的な熱の不一致を防ぎます。シリコンダイと銅リードフレームは熱による膨張がほとんどありません。未充填のエポキシは大幅に膨張します。低CTEシリカを添加すると、ハードウェアに合わせてエポキシの膨張率が低下し、熱サイクル中の基板の反り、ダイの亀裂、はんだ接合部のせん断が防止されます。
A: 粒子の形状と表面積によって流れが決まります。角張った粒子が絡み合い、粘度を大幅に高めます。球状粒子は互いに転がりながら、より低い粘度を維持します。マルチモーダルなサイズ分布を使用すると、液体樹脂を加工不可能なペーストに変えることなく、フィラーを最大限に配合することができます。
A：シランカップリング剤で処理されたシリカ粉末です。この化学処理により粒子表面が吸湿性から撥水性に変化します。この処理により、硬化プロセス中に無機シリカを有機エポキシ マトリックスに直接架橋する化学架橋も形成されます。
A: いいえ。親水性シリカは周囲の湿気を積極的に吸収します。電子機器で使用される場合、この閉じ込められた水分は、高温のはんだリフロー中に瞬時に蒸発します。発生した蒸気が膨張し、封止材に亀裂や剥離を引き起こします。これはポップコーンとして知られる故障です。
A: はい、連続ガラス繊維を使用した場合と比較して、引張強度を約 15% 低下させることができます。シリカ粒子は硬く、伸びません。ただし、圧縮強度と弾性率は大幅に増加します。適切なシラン表面処理を使用して界面接着力を向上させることで、引張損失を軽減します。
