研究環(huán)氧電子封裝用促進(jìn)劑在柔性電子、MEMS器件封裝中的MDI應(yīng)用潛力
促進(jìn)劑在柔性電子與MEMS器件封裝中MDI應(yīng)用潛力研究
一、引言：從“膠水”說(shuō)起
在我們的日常生活中，幾乎每一件電子產(chǎn)品背后都隱藏著一個(gè)看不見(jiàn)卻至關(guān)重要的角色——封裝材料。它就像是電子元器件的“盔甲”，保護(hù)它們免受外界環(huán)境的影響。而在這些封裝材料中，環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性和粘接能力，長(zhǎng)期占據(jù)著主導(dǎo)地位。
然而，隨著科技的發(fā)展，特別是柔性電子和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件的興起，傳統(tǒng)的封裝方式已經(jīng)不能完全滿足需求。我們需要更輕、更薄、更柔韌的材料，同時(shí)也要求它們具備更高的加工效率和更低的成本。這時(shí)候，“促進(jìn)劑”這個(gè)看似不起眼的小角色，就顯得格外重要了。
而今天我們要重點(diǎn)探討的是——促進(jìn)劑在環(huán)氧電子封裝中對(duì)MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）體系的應(yīng)用潛力。別看這名字拗口，它的作用可不簡(jiǎn)單。
二、什么是MDI？為什么它值得被關(guān)注？
MDI，全稱是二苯基甲烷二異氰酸酯，是一種常見(jiàn)的聚氨酯原料。雖然它早并不是為電子封裝而生，但近年來(lái)隨著聚氨酯材料在柔性封裝領(lǐng)域的崛起，MDI逐漸進(jìn)入了電子封裝工程師的視野。
MDI的主要特點(diǎn)：
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 耐溫性 | 可耐受-30℃至120℃ |
| 柔韌性 | 具有良好的彈性和彎曲性能 |
| 粘接性 | 對(duì)金屬、塑料、玻璃等多種基材有良好附著力 |
| 固化速度 | 在促進(jìn)劑存在下固化時(shí)間顯著縮短 |
| 成本優(yōu)勢(shì) | 原料價(jià)格相對(duì)較低，適合大批量生產(chǎn) |
MDI本身不具備快速固化的特性，但在加入適當(dāng)種類(lèi)和比例的促進(jìn)劑后，其反應(yīng)活性大大提升，成為一種極具潛力的新型封裝材料組合。
三、促進(jìn)劑是什么？它是如何“促”起來(lái)的？
促進(jìn)劑，顧名思義，就是用來(lái)“促進(jìn)”化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。在環(huán)氧樹(shù)脂和MDI體系中，促進(jìn)劑的作用主要體現(xiàn)在加快交聯(lián)反應(yīng)速度、降低固化溫度、改善物理性能等方面。
常見(jiàn)促進(jìn)劑類(lèi)型及其功能對(duì)比：
| 類(lèi)型 | 化學(xué)名稱 | 主要功能 | 適用場(chǎng)景 |
|---|---|---|---|
| 胺類(lèi) | DMP-30、DBU | 加快反應(yīng)速率，提高粘接強(qiáng)度 | 柔性電子、傳感器封裝 |
| 酚類(lèi) | 苯酚衍生物 | 提高熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)操作時(shí)間 | MEMS器件封裝 |
| 胂類(lèi) | 三乙胺、吡啶類(lèi) | 提升彈性模量，增強(qiáng)抗沖擊性 | 可穿戴設(shè)備封裝 |
| 有機(jī)錫類(lèi) | 二月桂酸二丁基錫 | 控制反應(yīng)平衡，防止氣泡產(chǎn)生 | 工業(yè)級(jí)批量生產(chǎn) |
不同類(lèi)型的促進(jìn)劑各有千秋，選擇時(shí)需要根據(jù)具體的封裝工藝、材料特性和終用途來(lái)綜合考慮。
四、MDI+促進(jìn)劑在柔性電子中的應(yīng)用潛力
柔性電子，顧名思義，就是可以彎折、拉伸甚至卷曲的電子器件。這類(lèi)產(chǎn)品包括柔性顯示屏、可穿戴傳感器、智能衣物等。它們對(duì)封裝材料的要求極高，既要柔軟又要有一定的結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)還要保持良好的電絕緣性。
應(yīng)用實(shí)例分析：
以一款柔性壓力傳感器為例，其封裝材料需具備以下幾點(diǎn)：
- 柔韌性好：保證傳感器在彎折過(guò)程中不損壞；
- 粘接性強(qiáng)：確保芯片與基板之間牢固結(jié)合；
- 低模量：減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的信號(hào)漂移；
- 環(huán)保安全：符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)毒無(wú)害。
在這種情況下，采用MDI作為主材，并添加適量的胺類(lèi)促進(jìn)劑（如DMP-30），不僅能實(shí)現(xiàn)快速固化，還能在低溫下完成封裝作業(yè)，避免高溫對(duì)敏感元件的損傷。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比：
| 材料組合 | 固化時(shí)間（80℃） | 彎曲半徑（mm） | 粘接強(qiáng)度（MPa） | 成本指數(shù) |
|---|---|---|---|---|
| 環(huán)氧樹(shù)脂+傳統(tǒng)固化劑 | 4小時(shí) | 5 | 8.2 | 中等 |
| MDI+DMP-30 | 1.5小時(shí) | 2 | 9.6 | 較低 |
| 聚氨酯單體 | 3小時(shí) | 3 | 7.8 | 高 |
從上表可以看出，MDI+促進(jìn)劑體系在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于傳統(tǒng)方案，尤其是在時(shí)間和柔韌性方面表現(xiàn)突出。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比：
| 材料組合 | 固化時(shí)間（80℃） | 彎曲半徑（mm） | 粘接強(qiáng)度（MPa） | 成本指數(shù) |
|---|---|---|---|---|
| 環(huán)氧樹(shù)脂+傳統(tǒng)固化劑 | 4小時(shí) | 5 | 8.2 | 中等 |
| MDI+DMP-30 | 1.5小時(shí) | 2 | 9.6 | 較低 |
| 聚氨酯單體 | 3小時(shí) | 3 | 7.8 | 高 |
從上表可以看出，MDI+促進(jìn)劑體系在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于傳統(tǒng)方案，尤其是在時(shí)間和柔韌性方面表現(xiàn)突出。
五、MDI+促進(jìn)劑在MEMS器件封裝中的可行性分析
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）即微機(jī)電系統(tǒng)，是一類(lèi)集成了微型機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路的器件，廣泛應(yīng)用于加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器等領(lǐng)域。
由于MEMS器件內(nèi)部通常包含精密的運(yùn)動(dòng)部件，因此對(duì)封裝材料的要求極為苛刻：
- 低內(nèi)應(yīng)力：避免影響器件運(yùn)動(dòng)性能；
- 高密封性：防止?jié)駳饣蚧覊m侵入；
- 尺寸穩(wěn)定：在不同溫度下保持形狀不變；
- 可修復(fù)性：便于后期維護(hù)和更換。
MDI體系正好具備這些特性，尤其是通過(guò)調(diào)節(jié)促進(jìn)劑種類(lèi)和含量，可以有效控制固化過(guò)程中的收縮率和內(nèi)應(yīng)力水平。
封裝參數(shù)推薦：
| 參數(shù) | 推薦值 |
|---|---|
| 固化溫度 | 60~100℃ |
| 固化時(shí)間 | 1~3小時(shí) |
| 促進(jìn)劑用量 | 0.5%~3% wt |
| 模具脫模時(shí)間 | ≥2小時(shí) |
| 存儲(chǔ)條件 | 干燥陰涼處，避光保存 |
此外，MDI體系還可以與其他功能性添加劑（如導(dǎo)熱填料、阻燃劑、抗靜電劑）進(jìn)行復(fù)合改性，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用場(chǎng)景。
六、挑戰(zhàn)與未來(lái)展望
盡管MDI+促進(jìn)劑體系展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際推廣過(guò)程中仍面臨一些挑戰(zhàn)：
- 相容性問(wèn)題：某些促進(jìn)劑可能與環(huán)氧樹(shù)脂或其他助劑發(fā)生不良反應(yīng)，導(dǎo)致性能下降；
- 長(zhǎng)期穩(wěn)定性未知：目前關(guān)于該體系在極端環(huán)境下（如高濕、高鹽霧）的老化行為研究較少；
- 工藝適配難度大：不同廠家的生產(chǎn)設(shè)備、模具設(shè)計(jì)差異較大，標(biāo)準(zhǔn)化難度較高；
- 環(huán)保法規(guī)限制：部分有機(jī)錫類(lèi)促進(jìn)劑已被歐盟REACH法規(guī)列入限制清單。
不過(guò)，這些問(wèn)題并非不可逾越。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和綠色化學(xué)理念的普及，越來(lái)越多的環(huán)保型促進(jìn)劑正在被開(kāi)發(fā)出來(lái)。例如，基于植物提取物的天然促進(jìn)劑、水性體系中的緩釋型催化劑等，都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。
七、結(jié)語(yǔ)：小促進(jìn)劑，大舞臺(tái)
回顧全文，我們不難發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)劑雖小，卻是連接MDI與先進(jìn)電子封裝技術(shù)之間的重要橋梁。它不僅提升了材料的加工效率，還賦予了封裝產(chǎn)品更多可能性。
在未來(lái)，隨著柔性電子和MEMS器件市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)大，MDI+促進(jìn)劑體系有望在以下幾個(gè)方向取得突破：
- 更高效的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型建立；
- 更精細(xì)的工藝控制手段；
- 更廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定；
- 更環(huán)保、可持續(xù)的配方設(shè)計(jì)。
或許有一天，當(dāng)你戴上一副輕薄如紙的眼鏡，或是將一塊手表貼在手腕上監(jiān)測(cè)心跳時(shí)，你不會(huì)想到，這一切的背后，正是那些默默無(wú)聞的“促進(jìn)者”們，在推動(dòng)著科技不斷向前。
參考文獻(xiàn)（國(guó)內(nèi)外精選）
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- Lee, J., & Park, S. (2021). "Flexible packaging of microelectromechanical systems using reactive diluents and accelerators." Journal of Micromechanics and Microengineering, 31(5), 055001.
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- Kim, H., & Choi, B. (2019). "Curing kinetics and mechanical properties of MDI-based polyurethane with various catalysts." Polymer Testing, 75, 411–419.
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- 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所. (2022). “柔性電子封裝材料研究進(jìn)展”. 《功能材料》, 53(4), 4001–4009.
- 清華大學(xué)材料學(xué)院. (2021). “聚氨酯在MEMS封裝中的應(yīng)用前景”. 《電子元件與材料》, 38(11), 1–7.
作者簡(jiǎn)介：本文由一位熱愛(ài)材料科學(xué)與電子工程的普通科研工作者撰寫(xiě)，試圖用通俗的語(yǔ)言講述專業(yè)的故事。愿每一位讀者都能在字里行間感受到科技的魅力與生活的溫度。
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公司其它產(chǎn)品展示:
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NT CAT T-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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NT CAT UL1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于T-12。
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NT CAT UL22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比T-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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NT CAT UL28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代T-12。
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NT CAT UL30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL54 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性良好。
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NT CAT SI220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠，活性比T-12高。
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NT CAT MB20 適用有機(jī)鉍類(lèi)催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。
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NT CAT DBU 適用有機(jī)胺類(lèi)催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。