에폭시 수지 적용에 실패하면 막대한 비용이 발생합니다. 섬세한 마이크로전자공학을 캡슐화하거나 고전압 산업용 부품을 포팅할 때 열 불일치는 가장 큰 적입니다. 관리되지 않은 열팽창은 심각한 내부 응력을 유발합니다. 이러한 응력은 필연적으로 응력이 높은 환경에서 부품 뒤틀림, 미세 균열 및 치명적인 박리로 이어집니다.
포뮬레이터와 재료 엔지니어는 지속적인 균형 작업에 직면해 있습니다. 유변학적 가공성을 유지하면서 치수 안정성과 기계적 강도를 달성해야 합니다. 잘못된 필러 프로필을 선택하면 제조 결함이 직접 발생합니다. 이는 유전 강도를 손상시키고 현장에서 조기 구성 요소 오류를 보장합니다. 추측할 여유가 없습니다.
고성능 에폭시 시스템을 최적화하려면 필러 특성을 엄격하게 평가해야 합니다. 입자 크기 분포, 표면 처리 화학, 열팽창 특성을 주의 깊게 분석해야 합니다. 이러한 정확한 사양을 애플리케이션 요구 사항에 맞추는 것이 장기적인 안정성을 보장하는 유일한 방법입니다. 옳은 선택 에폭시 수지용 용융 실리카 분말은 전체 제제의 성공을 좌우합니다.
열팽창이 주요 동인입니다. 내부 응력을 최소화하고 캡슐화 시 열 순환 실패를 방지하기 위해 낮은 CTE 용융 실리카 분말을 활용하는 것은 타협할 수 없습니다.
입자 크기는 공정을 결정합니다. 정확한 용융 실리카 입자 크기와 분포는 최대 필러 로딩 한계를 결정하며, 이는 경화되지 않은 수지의 점도와 경화된 제품의 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다.
표면 수정으로 고장 방지: 수정되지 않은 친수성 용융 실리카 분말은 종종 응집 및 습기 유입을 유발합니다. 에폭시 변성 용융 실리카 분말로 전환하면 화학적 결합과 장기적인 신뢰성이 보장됩니다.
응용 분야에 따라 사양이 결정됩니다. 전자 포장용 용융 실리카 분말은 일반 산업용 포팅 화합물에 비해 엄격한 순도(낮은 이온 오염)가 필요합니다.
고성능 에폭시 복합재는 가혹한 작동 조건을 견디기 위해 엄격한 기본 요구 사항을 충족해야 합니다. 치수 안정성은 필수입니다. 경화된 매트릭스는 극심한 온도 변화에도 뒤틀림을 견뎌야 합니다. 열충격 저항성은 급속한 가열 및 냉각 주기 동안 균열을 방지합니다. 탁월한 전기 절연으로 고전압 및 마이크로 전자 환경에서 안전한 작동을 보장합니다. 충전되지 않은 에폭시 수지는 이러한 기준을 모두 충족하지 못합니다. 너무 많이 팽창하고, 열 전달이 제대로 되지 않으며, 기계적 응력으로 인해 균열이 발생합니다. 올바른 무기 필러를 추가하면 기본 폴리머가 견고한 구조적 복합재로 변환됩니다.
필러의 내부 원자 구조에 따라 열적 거동이 결정됩니다. 표준 결정질 석영과 유리구슬은 질서 있는 원자 구조를 가지고 있습니다. 결정질 실리카는 특정 온도에서 상전이를 겪습니다. 가장 주목할만한 것은 573°C에서의 알파-베타 석영 전이입니다. 이러한 변화로 인해 약 0.8%의 갑작스럽고 예측할 수 없는 볼륨 확장이 발생합니다. 경질 에폭시 매트릭스에서는 이러한 갑작스러운 팽창으로 인해 구성 요소가 내부에서 외부로 부서집니다.
용융 실리카(SiO2)는 완전히 다릅니다. 제조업체에서는 고순도 결정질 실리카를 2000°C가 넘는 온도에서 녹인 후 급속 냉각하여 만들어냅니다. 이 과정은 결정 격자를 파괴하여 비결정, 비정질 구조를 생성합니다. 이러한 비정질 특성은 뛰어난 열 안정성을 제공합니다. 약 1200°C의 유리전이온도(Tg)를 자랑하며 매우 높은 연화점을 유지합니다. 고품질의 제품을 사용하는 경우 용융 실리카 필러를 사용 하면 상전이 위험을 완전히 제거할 수 있습니다. 업계에서는 용융 석영이나 실리카 유리와 같은 용어를 같은 의미로 사용하는 경우가 있습니다. 진정한 용융 실리카는 표준 유리 구슬이 따라올 수 없는 뚜렷한 순도 수준과 열적 이점을 제공합니다.
제조자들은 종종 용융 실리카와 흄드 실리카를 혼동합니다. 이 소싱 오류는 생산 배치를 즉시 망칩니다. 용융 실리카는 벌크 치수 필러입니다. 특히 열팽창 계수를 낮추기 위해 대량(종종 중량의 60%~90%)으로 추가합니다. 이는 구조적 질량을 제공하고 열 전도성을 높이며 경화된 부품에 치수 강성을 추가합니다.
흄드 실리카는 나노 규모의 증점제입니다. 제조업체는 사염화규소의 화염 열분해를 통해 이를 생산합니다. 이는 분지형 3차원 사슬로 융합된 비정질 실리카의 미세한 방울로 구성됩니다. 유변학 제어를 위해 흄드 실리카를 일반적으로 1%~3%의 소량으로 사용합니다. 수직 코팅의 처짐을 방지하고 액상 에폭시의 흐름을 제어합니다. 흄드 실리카는 수지를 두껍게 만듭니다. 용융 실리카는 물리적 크기를 안정화시킵니다.
에폭시 제제의 실리카 유형 비교
재산 |
용융 실리카 분말 |
흄드 실리카 |
결정질 석영 |
|---|---|---|---|
주요 기능 |
벌크 볼륨 충진, CTE 감소 |
유변학 제어, 처짐 방지 |
저렴한 연마재 충진 |
일반적인 로딩 수준 |
중량 기준 60% ~ 90% |
중량으로 1% ~ 3% |
중량으로 40% ~ 60% |
입자 크기 범위 |
1미크론 ~ 100미크론 |
5~50나노미터 |
10미크론 ~ 2밀리미터 |
열팽창 |
매우 낮음(0.5ppm/K) |
해당 없음(소량 사용) |
높음(상 전환에 따라 다름) |
점도에 미치는 영향 |
보통~높음(모양에 따라 다름) |
매우 높음(요변성) |
높음(각도가 높은 입자) |
열 불일치로 인해 전자 어셈블리가 손상됩니다. 표준 실리콘 칩의 CTE는 대략 3ppm/K입니다. 구리 리드 프레임은 약 17ppm/K입니다. 충전되지 않은 비스페놀-A 에폭시 수지는 크게 팽창하여 종종 60ppm/K를 초과합니다. 작동 중에 이 어셈블리가 가열되면 에폭시는 실리콘 다이보다 훨씬 빠르게 팽창합니다. 이 바이메탈 스트립 효과는 솔더 조인트를 절단하고, 와이어 본드를 찢고, 다이 자체를 깨뜨립니다.
이러한 열팽창 격차를 해소하려면 낮은 CTE 용융 실리카 분말 . 용융 실리카는 약 0.5 x 10^-6/K(0.5ppm/K)의 매우 낮은 CTE를 갖습니다. 필러 부피 비율을 늘리면 혼합물의 규칙에 따라 최종 복합 CTE가 예상대로 떨어집니다. 10~15ppm/K의 복합 CTE를 달성하려면 높은 필러 로딩이 필요하며 종종 중량 기준으로 80%를 초과합니다. 이는 기판과 밀접하게 일치하여 열 순환 중 내부 전단 응력을 제거합니다.
실리카 입자의 물리적 모양과 크기는 경화되지 않은 수지가 생산 라인에서 어떻게 작용하는지를 결정합니다. 표준적인 파쇄와 밀링을 통해 생성된 각진 입자들이 서로 맞물려 있습니다. 이러한 맞물림은 수지 흐름을 제한하고 점도를 급격하게 증가시킵니다. 또한 각진 입자는 혼합 장비, 기어 펌프 및 분배 노즐에 심각한 마모를 유발합니다.
구형 입자는 미세한 볼 베어링처럼 작동합니다. 서로 롤링되어 높은 로딩 수준에서도 수지 흐름이 원활하게 이루어집니다. 최적화 용융 실리카 입자 크기 분포가 필수입니다. 고밀도 포팅을 위해서는 단일하고 균일한 입자 크기를 사용할 수 없습니다. 대신 다중 모드 블렌딩을 사용합니다. 큰(D50 = 20미크론), 중간(D50 = 5미크론) 및 미세한(D50 = 1미크론) 입자를 혼합합니다. 더 작은 입자는 더 큰 입자 사이의 빈 틈을 채웁니다. 이는 패킹 밀도를 최대화합니다. 다중 모드 혼합을 사용하면 최대 점도 임계값을 초과하지 않고 85% 필러 로딩을 달성할 수 있습니다.
무기 실리카 입자와 유기 에폭시 매트릭스 사이의 경계면이 복합재의 기계적 완전성을 결정합니다. 이 인터페이스는 환경 저하에 매우 취약합니다.
자연 상태에서 실리카는 활성 실라놀(Si-OH) 그룹으로 덮여 있습니다. 이것은 친수성 용융 실리카 분말 . 공기 중의 주변 수분을 적극적으로 끌어당기고 흡수합니다. 전자 봉지재에 처리되지 않은 실리카를 사용하는 경우 시간이 지남에 따라 수분이 매트릭스에 침투합니다. 종종 260°C를 초과하는 솔더 리플로우 공정 중에 이 갇힌 수분은 즉시 증발합니다. 생성된 증기는 빠르게 팽창하여 밀봉재가 리드 프레임에서 갈라지고 박리됩니다. 업계에서는 이러한 재앙적인 실패를 '팝코닝'이라고 부릅니다.
혼합하기 전에 입자 표면을 수정하여 습기 문제를 방지합니다. 전환 중 에폭시 변성 용융 실리카 분말은 신뢰성이 높은 응용 분야에 필수적입니다. 제조업체는 실란 커플링제(일반적으로 글리시독시프로필트리메톡시실란)로 실리카를 처리합니다. 실란 분자의 한쪽 끝은 축합을 통해 무기 실리카 표면에 화학적으로 결합됩니다. 다른 쪽 끝에는 경화 주기 동안 유기 수지 매트릭스에 직접 가교되는 에폭시 반응성 그룹이 포함되어 있습니다. 이 화학적 가교는 계면 전단 강도를 대폭 향상시킵니다. 습기를 차단하고, 입자 응집을 방지하며, 무거운 기계적 부하에서도 장기적인 구조적 무결성을 보장합니다.
산업 환경에서는 에폭시 시스템이 공격적인 화학적 공격에 노출됩니다. 용매, 황산 및 염산과 같은 농축된 산, 강알칼리성 용액은 충전되지 않은 폴리머 매트릭스를 빠르게 분해합니다. 밀도가 높은 용융 실리카 필러를 첨가하여 화학적 침투를 물리적으로 차단합니다. 비정질 SiO2의 불활성 특성은 에폭시 매트릭스의 전반적인 내화학성을 향상시킵니다. 필러는 구불구불한 경로 역할을 하여 부식제가 불침투성 실리카 입자 주위를 돌아다니도록 합니다. 이로 인해 산업용 바닥 코팅, 화학 플랜트 포팅 응용 분야, 하향공 석유 및 가스 센서에 고충진 에폭시가 필수입니다.
마이크로 전자 응용 분야에서는 완벽한 순도가 요구됩니다. 표준 산업용 필러에는 미량의 나트륨(Na+), 칼륨(K+) 및 염화물(Cl-) 이온이 포함되어 있습니다. 집적 회로에서는 주변 수분과 전기장이 이러한 자유 이온을 동원합니다. 이는 다이 표면을 가로질러 이동하여 섬세한 알루미늄 금속화에 심각한 부식을 일으킵니다. 또한 인접한 트레이스 사이에 치명적인 누설 전류를 발생시키는 전도성 경로를 생성합니다. 이러한 전기화학적 고장을 방지하려면 초고순도 용융 실리카를 지정해야 합니다. 종종 1ppm 미만의 추출 가능한 이온 수준을 요구하는 엄격한 이온 오염 제한은 캡슐화된 장치의 장기적인 실행 가능성을 보장합니다.
반도체 산업은 깨지기 쉬운 실리콘 다이를 보호하기 위해 특정 실리카 프로파일에 크게 의존합니다. 전자 포장용 용융 실리카 분말은 EMC(에폭시 성형 화합물)와 액체 모세관 언더필 재료라는 두 가지 주요 응용 분야로 분류됩니다.
EMC(에폭시 성형 화합물): 이러한 고체 B단계 수지는 필요한 CTE 감소를 달성하기 위해 최대 90%의 엄청난 양의 필러 로딩이 필요합니다. 이 제품은 고도로 가공된 다중 모드 구형 실리카를 활용하여 175°C의 고압 트랜스퍼 성형 공정 중에 흐름을 유지합니다.
모세관 언더필: 이러한 액체 에폭시는 모세관 작용을 통해 플립칩 장치 아래로 흐릅니다. 초미세하고 엄격하게 제어되는 입자 크기 분포가 필요합니다. 크기가 큰 입자는 '여과'를 유발합니다. 이 현상은 실리카가 칩 가장자리에 갇히고 채워지지 않은 수지가 아래로 흐르는 현상입니다. 이로 인해 열 보호 기능이 손상되고 납땜 범프가 피로에 취약해집니다. 언더필의 최대 입자 크기는 종종 10미크론 미만으로 제한됩니다.
고밀도 집적 회로는 작동 중에 상당한 열을 발생시킵니다. 알루미나 또는 질화알루미늄과 같은 재료는 뛰어난 열 전도성을 제공하지만 마모성이 높고 가격이 비싸며 가공이 어렵습니다. 용융 실리카는 표준 포장에 대한 최적의 절충안을 제공합니다. 이 제품은 우수한 전기 절연성을 유지하고 높은 유전 강도를 자랑하는 동시에 표준 IC의 열 방출을 관리할 수 있는 충분한 열 전도성(고충진 시스템에서 일반적으로 0.8 ~ 1.5W/m·K)을 제공합니다. 이는 활성 다이 표면에서 열을 빼내는 동시에 밀접하게 배치된 와이어 본드 사이의 전기 아크를 방지합니다.
LED 캡슐화 및 광학 센서와 같은 광전자 응용 분야에는 특수 필러가 필요합니다. 표준 필러는 빛을 산란시키고 에폭시를 불투명하게 만듭니다. 고순도 용융 실리카는 탁월한 UV-IR 투명성을 제공합니다. 가시 스펙트럼 선명도를 제공합니다. 제조자가 실리카의 굴절률(약 1.46)을 특정 광학 지환족 에폭시와 일치시키면 융합 실리카가 빛 투과를 차단하지 않고 캡슐화재를 강화합니다. 또한 UV 분해를 방지하여 수년간 연속 실외 작업을 수행해도 밀봉재가 황변되거나 부서지는 것을 방지합니다.
경화 주기 동안 에폭시 수지는 단량체가 가교되면서 화학적 수축을 겪습니다. 재료가 경화 온도에서 실온으로 냉각됨에 따라 열 수축이 발생합니다. 고충진 EMC는 용융 실리카를 활용하여 두 현상을 모두 완화합니다. 실리카의 낮은 CTE는 복합 매트릭스의 전체 부피 변화를 제한합니다. 특정 실란을 사용하여 입자-수지 인터페이스를 최적화하면 후속 열 충격 중에 매트릭스 내에서 미세한 응력 완화가 가능합니다. 이는 인쇄 회로 기판의 거시적인 변형을 방지하여 후속 표면 실장 기술(SMT) 공정에서 최종 어셈블리가 평평한 상태를 유지하도록 보장합니다.
포뮬러는 끊임없는 딜레마에 직면해 있습니다. 실리카 함량을 높이면 CTE가 낮아지고 열 안정성이 향상됩니다. 더 많은 고체 질량을 추가하면 경화되지 않은 수지의 점도가 기하급수적으로 증가합니다. 점도가 너무 높아지면 에폭시가 복잡한 형상이나 좁은 틈으로 흘러 들어가지 않습니다. 공기 주머니가 갇히게 되어 공극이 발생합니다. 공극은 응력 집중 장치 및 습기 트랩 역할을 하여 고전압 테스트 중에 즉각적인 부품 고장을 초래합니다. 주입, 포팅 또는 디스펜싱 장비의 실제 한계와 원하는 CTE 감소의 균형을 맞춰야 합니다.
실리카 로딩이 에폭시 점도에 미치는 영향
충전제 로딩(중량%) |
CTE(ppm/K) |
점도 영향 |
일반적인 응용 |
|---|---|---|---|
0%(채워지지 않음) |
60 - 80 |
기준선(낮음) |
얇은 코팅, 라미네이팅 |
40% |
35 - 45 |
적당한 증가 |
일반 산업용 포팅 |
60% |
20 - 25 |
높음(열이 흐르려면 가열이 필요함) |
고전압 캡슐화 |
85%+ (다중 모드) |
8 - 15 |
페이스트상(트랜스퍼 성형 필요) |
IC 패키징(EMC) |
견고한 무기 입자를 추가하면 유연한 폴리머의 기계적 프로필이 변경됩니다. 경험적 데이터에 따르면 특정 용융 실리카 필러를 사용할 경우 연속 유리 섬유 또는 특수 유리 비드에 비해 인장 강도가 15% 감소할 수 있는 것으로 나타났습니다. 실리카 입자는 늘어나지 않습니다. 그들은 단단한 내포물로 작용합니다. 인장강도는 떨어지지만 압축강도와 탄성계수는 크게 증가합니다. 실란 커플링 처리를 최적화하여 인장 손실을 완화합니다. 입자와 수지 사이의 강한 화학적 결합은 응력을 인터페이스 전체에 효율적으로 전달하여 인장 성능과 압축 성능의 균형을 유지합니다.
실리카는 액체 에폭시 수지(비중 ~1.1)보다 밀도가 훨씬 높습니다(비중 ~2.2). 저점도 제제에서는 무거운 실리카 입자가 수지 겔화되기 전에 혼합 통 바닥이나 화분에 담긴 구성 요소에 침전됩니다. 이로 인해 불균일한 경화 부품이 생성됩니다. 바닥은 부서지기 쉽고 과도하게 채워지는 반면, 상단은 채워지지 않은 상태로 열팽창에 취약합니다.
정착을 방지하려면 다음 제어를 구현하십시오.
1500+ RPM의 카울 블레이드를 사용하여 고전단 혼합 프로토콜을 구현하여 응집을 분해하고 균일한 입자 분포를 보장합니다.
29inHg의 진공 탈기 챔버를 10~15분 동안 활용하여 고전단 혼합 단계에서 유입된 갇힌 공기를 제거합니다.
상당한 입자 침전이 발생하기 전에 겔화가 발생하도록 더 빠르게 경화되는 경화제 또는 촉진제로 수지 반응성을 조정하십시오.
미리 혼합된 충전 수지를 자동 드럼 롤러에 보관하여 분배 전에 현탁액을 유지합니다.
생산 규모를 확대하려면 재료 공급업체의 절대적인 일관성이 필요합니다. 필러 프로필의 변형으로 인해 제조 라인이 중단되고 폐기율이 엄청나게 높아집니다. 구매자는 배송된 모든 로트에 대해 엄격한 품질 보증 기준을 요구해야 합니다. ISO 13320을 준수하는 레이저 회절 장비를 사용하여 입자 크기 분포 곡선을 확인해야 합니다. 미세 입자(D10)의 이동으로 인해 수지의 흐름 특성이 크게 변경되므로 D10, D50 및 D90 값에 세심한 주의를 기울이십시오. BET 질소흡착 분석을 이용하여 비표면적을 확인해야 합니다. 예상보다 높은 표면적은 미세분의 과잉을 의미하며 이로 인해 점도가 높아집니다. 일반적으로 0.1% 미만의 엄격한 수분 함량 제한을 배송 전에 시행하여 보관 중 배합 오류와 조기 수지 전이를 방지해야 합니다.
필러의 성능을 확인하려면 표준화된 테스트 렌즈를 사용하여 경화된 복합레진을 평가해야 합니다. 경화되지 않은 액체 데이터에 의존하는 것은 현장 신뢰성을 예측하는 데 충분하지 않습니다.
동적 기계 분석(DMA): DMA를 사용하여 유리 전이 온도(Tg)를 정확하게 결정하고 전체 작동 온도 범위에서 저장 탄성률의 변화를 모니터링합니다. 이는 실란 커플링제가 올바르게 작동하고 있음을 확인하는 것입니다.
열기계 분석(TMA): TMA를 사용하여 유리 전이 온도 아래(알파 1)와 위(알파 2) 모두에서 경화된 복합재의 정확한 CTE를 측정합니다. 이를 통해 필러 로딩 계산을 확인합니다.
유전체 파괴 테스트: 경화된 테스트 플라크에 고전압(예: 50kV AC)을 가하여 아크나 트래킹 없이 실리카 순도가 필수 절연 표준을 충족하는지 확인합니다.
현재 고장률을 감사하여 열 불일치, 변형 또는 습기 유입이 부품 거부의 근본 원인인지 확인하십시오.
특히 다중 모드 입자 크기 분포 및 추출 가능한 이온 한계에 초점을 맞춘 포괄적인 기술 데이터 시트를 재료 공급업체에 요청하십시오.
기존 디스펜싱 장비에 대한 기본 점도, 흐름 및 침전 시험을 수행하기 위해 에폭시 개질 실리카의 샘플 수량을 주문하십시오.
특정 실란 커플링 화학 물질을 정확한 에폭시 수지 시스템 및 경화 프로필에 일치시키려면 공급업체와 기술 상담 일정을 잡으세요.
A: 흄드 실리카는 유변학 제어를 위한 증점제로 극소량, 일반적으로 1%~3%로 사용되는 나노 규모의 분말입니다. 용융 실리카 분말은 열팽창 계수를 낮추고 구조 밀도를 높이기 위해 최대 90%까지 대량으로 사용되는 벌크 치수 필러입니다.
A: 치명적인 열 불일치를 방지합니다. 실리콘 다이와 구리 리드 프레임은 열에 의해 거의 팽창하지 않습니다. 충전되지 않은 에폭시는 엄청나게 팽창합니다. 낮은 CTE 실리카를 추가하면 하드웨어에 맞게 에폭시의 팽창률이 낮아져 열 순환 중에 보드 뒤틀림, 다이 균열 및 납땜 접합부 절단이 방지됩니다.
A: 입자 모양과 표면적이 흐름을 결정합니다. 각진 입자가 서로 맞물려 점도를 대폭 높여줍니다. 구형 입자는 서로 지나가며 낮은 점도를 유지합니다. 다중 모드 크기 분포를 사용하면 액상 수지를 작동 불가능한 페이스트로 바꾸지 않고도 필러 로딩을 최대화할 수 있습니다.
A: 실란 커플링제로 처리된 실리카 분말입니다. 이 화학적 처리는 입자 표면을 수분 흡수성에서 수분 반발성으로 변경합니다. 또한 이 처리는 경화 과정에서 무기 실리카를 유기 에폭시 매트릭스에 직접 가교시키는 화학적 가교를 생성합니다.
A: 아니요. 친수성 실리카는 주변 수분을 적극적으로 흡수합니다. 전자 제품에 사용되는 경우 이렇게 갇힌 수분은 고온 솔더 리플로우 중에 즉시 증발합니다. 생성된 증기가 팽창하여 밀봉재가 갈라지고 박리되는 현상을 팝코닝이라고 합니다.
A: 네, 연속 유리섬유를 사용하는 것에 비해 인장강도를 약 15% 정도 줄일 수 있습니다. 실리카 입자는 단단하고 늘어나지 않습니다. 그러나 압축 강도와 모듈러스가 크게 증가합니다. 계면 접착력을 향상시키기 위해 적절한 실란 표면 처리를 사용하여 인장 손실을 완화합니다.
