肖　锋1,廖　伟1,陶　鑫1,刘兰霄1,杨仁辉1,傅　亚2

(1.重庆工学院材料界面物理化学研究所,重庆400050;2.重庆科技学院化学系,重庆400042)

摘要:采用静滴法观察了液态纯固化剂和20%树 脂-80%固化剂混合液体与铜基材料的润湿行为,测定了298~363K温度范围内的接触角,评价了两种液体与铜基材料的润湿性。结果表明,接触角随时间呈下降趋势,初始接触角随着试样中环氧树脂比例的增加 而降低,温度对固化剂平衡接触角的影响较小。在同样的温度条件下,加入树脂后的液体的平衡接触角小于纯固化剂的平衡接触角。

关键词:环氧树脂;铜;接触角;润湿性;静滴法

中图分类号:TB332文献标识码:A

文章编号:1001-9731(2007)08-1244-03

1　引　言

GaN发光二极管(LED,lightemittingdiode)是一 种新型的发光器件,它具有耗电少、寿命长、响应快、可 靠性高、体积小、质量轻等优点,封装是LED生产过程 中的重要环节,一般采用环氧树脂和固化剂的混合液 体作为封装材料,因此,固化后的混合液体的外观形貌 直接影响了LED的以下几个性能:(1)出光效率。由 于LED芯片的外层覆盖了固化后的混合液体,其曲率 半径对光线的透过行为和反射行为影响很大,透过的 光线越多,出光率越好;(2)散热程度。若被封装材料 反射回来的光线较多,将导致大量的光能转变为热能, 恶化LED的使用条件;(3)若封装材料在固化时铺展 行为活跃,封装到同一高度时所需要的封装材料用量 增加,将导致LED生产成本的提高;(4)若封装材料在 固化时铺展行为活跃,导致占用基板面积增大,将降低 LED的集成度。

目前,许多LED生产企业希望在封装材料的自由 状态下完成封装工序;另一方面,为了改善LED的使 用性能,优化工作环境,常采用铜合金作为LED基板, 利用铜的良好导热性能降低LED的工作温度。

LED封装过程的实质是一个钎焊过程,现有的研 究表明,通过调整钎焊工艺控制钎料与基板材料间的 润湿性,可获得性能和形状良好的钎焊封装产品[1~6]。 因此,实现对自由状态下液态封装材料固化行为的控 制必须首先观察和分析混合液体与铜基材料的润湿 性。

目前,对润湿性的研究主要集中在金属/陶瓷、金属/金属等材料之间,而对非金属材料的润湿性的研究 较少,关于环氧树脂与其它材料的润湿性,只有环氧树 脂与碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维之间润湿性的报道, 文献[7]测定并分析了温度对环氧树脂与碳纤维、玻璃 纤维之间润湿性的影响,文献[8]分析了超声波对环氧 树脂与芳纶纤维之间的润湿性的影响。未见关于液态 环氧树脂与铜基材料的润湿性报道,这使环氧树脂材 料的开发和LED封装工艺的优化缺乏理论基础,就 此,本文观察了液态环氧树脂-固化剂混合液体与铜基 材料的润湿现象,采用静滴法测定了不同条件下液态 封装材料与铜基材料的接触角,分析了相关因素对二 者间润湿性的影响,为环氧树脂材料的成分设计与改 进、LED封装工艺的制订与优化提供了数据基础。

2　实　验

采用静滴法测量液态封装材料与铜基材料之间的 接触角,设备示意图如图1所示,由光源、基板、发热 体、热电偶、数字相机、计算机、基板托架、继电器、温度 控制器等部分组成。

选用的基板材料是黄铜,先将铜片剪切成20mm ×20mm的片状,碾平,分别用电子天平和表面粗糙度 仪测定铜片的质量和表面粗糙度,然后将铜片置于超 声波清洗机中用甲醇清洗3次,晾干后置于水平的基 板托架上。

所用铜片表面的形貌如图2所示,其平均粗糙度 为Ra=0.1832μm。

试验中,当温度到达测量温度时,将事先按一定比 例配制好的环氧树脂和固化剂混合液体滴于铜基板 上,并形成液滴,按一定的时间间隔用数字相机记录液 滴形貌,并输入计算机进行图象处理后计算出接触角数据。

3　结果与讨论

3.1　成分对接触角的影响

为了分析成分对液态环氧树脂与铜基材料间的润 湿性的影响,本文按照环氧树脂与固化剂的质量百分 比分别为10∶0、8∶2、5∶5、2∶8和0∶10配制了试 样,在323K温度条件下上述5种成分的接触角随时 间的变化情况如图3所示。5条曲线具有以下共性: (1)5种成分条件下的接触角曲线具有相似的变化趋 势,均随着时间的延长逐渐下降,整个下降曲线可大致 划分为3个阶段,即快速下降区、缓慢下降区、稳定区; (2)经过一段时间后,接触角均可稳定在某一角度,此 稳定角度随着时间的延长没有出现趋势性的变化,仅 围绕某一数值做上下波动,而这一数值可以认为是稳 定接触角。

试样成分对接触角的影响主要体现在以下几个方 面:(1)初始接触角随着试样中环氧树脂比例的增加而 降低,环氧树脂含量的增加使液体试样的表面张力下 降[9],导致初始接触角下降;(2)纯固化剂所对应的接触 角达到稳定时所需要的时间约为10s,当试样中含有环 氧树脂时,接触角达到稳定所需的时间远大于10s。究 其原因,作者认为仍与试样的表面张力的下降有关。 为了进一步明确成分对平衡接触角的影响,将平 衡接触角与成分的关系列于图4。比较纯固化剂与含 20%树脂的试样的接触角可知,一旦试样中含有树脂, 平衡接触角将大幅下降;纯固化剂与纯树脂对应的接 触角相差很大;在封装过程中,只有加入20%以上的固化剂,才对封装材料的润湿性能具有一定调节作用。

3.2　温度对接触角的影响

考察了298、323、343、363K等不同温度条件下纯 固化剂、20%树脂-80%固化剂的接触角。

3.2.1　温度对固化剂接触角的影响

图5是298、323、343、363K条件下纯固化剂的接 触角随时间的变化情况。由图5可知,在室温时,固化 剂的接触角变化规律可以简单分为快速下降区、缓慢 下降区和稳定区等3个阶段,其缓慢下降区经历的时 间较长;温度升高后,接触角的变化过程几乎观察不到 快速下降区,缓慢下降区所经历的时间也较短,作者认 为,这仍与固化剂的表面张力随温度的迅速下降有 关[9]。

为了进一步明确温度对平衡接触角的影响,将图 5中的平衡接触角与温度的关系列于图6。4种温度 条件下固化剂的平衡接触角分别为49、48、45和43°, 这一结果表明在298~363K温度范围内,温度对固化 剂平衡接触角的影响较小

。 3.2.2　温度对20%树脂-80%固化剂混合液体接触角 的影响

图7是323、343、363K条件下20%树脂-80%固 化剂混合液体的接触角随时间的变化情况。与纯固化 剂的情况比较可知,虽然20%树脂-80%固化剂混合 液体的接触角变化规律与纯固化剂有着相似之处,但 其中缓慢变化区所经历的时间较短。将两种液体的平 衡接触角与温度的关系列于图8,比较二者的平衡接 触角可知,在同样的温度条件下,加入树脂后的液体的平衡接触角小于纯固化剂的平衡接触角;同样从323K 变化到363K,纯固化剂的平衡接触角从48°下降到 43°,只变化了5°,而加入树脂后的液体的平衡接触角 从35°下降到27°,变化了8°,可见,加入树脂后的液体 的平衡接触角对温度更加敏感。

4　结　论

采用静滴法观察了液态纯固化剂和20%树脂- 80%固化剂混合液体与铜基材料的润湿行为,测定了 298~363K温度范围内的接触角,分析了接触角变化 规律,评价了两种液体与铜基材料的润湿性。获得如 下结果:

(1)　在实验条件下,接触角随时间呈下降趋势, 存在着快速下降区、缓慢下降区和稳定变化区等3个 阶段。

(2)　初始接触角随着试样中环氧树脂比例的增 加而降低;一旦试样中含有树脂,平衡接触角将大幅下 降。

(3)　升高温度将使接触角的变化速度加快,但对 固化剂平衡接触角的影响较小;在同样的温度条件下, 加入树脂后的液体的平衡接触角小于纯固化剂的平衡 接触角,加入树脂后的液体的平衡接触角对温度更加 敏感。

参考文献:

[1]　王春青,李明雨,田艳红,等.[J].电子工艺技术,2004, 25(2):47-54.

[2]　刘兴军,陈晓虎.[J].稀有金属,2003,27(6):804-808.

[3]　AlbrechtHJ,WilkeK,BrodieDS,etal.[J].现代表 面贴装资讯,2003,(4):29-36.

[4]　JapanIndustryStandardCommettee.[P].Japan: JISZ31982003,2003.

[5]　BukatK,SitekJ.[J].电子工艺技术,2003,24(5): 230-232.

[6]　OhnumaI,LiuXJ,OhtaniH.[J].JournalElectronic Materials,1999,28(11):1164-1166.

[7]　NiuZW,ZhenDL,YangZ.[J].ChineseJournalof PolymerScience,2003,21(3):381-384.

[8]　刘　丽,张志谦,黄玉东,,等.[J].材料科学与工艺, 2002,10(1):69-72.

[9]　肖　锋,廖　伟,王伟锋,等.[J].功能材料,待发表.