测试温度范围对环氧树脂平均线膨胀系数的影响

环氧树脂材料在电子元器件和集成电路制造中有重要作用，如果其线膨胀系数与其他材料吻合不好，易导致封装器件内部产生热应力，影响元器件使用寿命。...





环氧树脂材料在电子元器件和集成电路制造中有重要作用，如果其线膨胀系数与其他材料吻合不好，易导致封装器件内部产生热应力，影响元器件使用寿命。在降低该热应力的方法尝试中，降低材料的线膨胀系数是一种主要且最为理想的方法，因此在研制材料时准确地测定其线膨胀系数就显得尤为重要。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：对羟基苯甲酸缩水甘油酯型环氧树脂试验仪器： Toyoseiki 0502热变形/维卡温度仪、Compac 556G千分表、富士PXW-7温控装置控制。

1.2 环氧树脂热变形温度的测定

材料加工成80×10×4mm的试条，检查符合要求后各取3件分别进行4次试验。测试前进行温度23±2℃和相对湿度50±5%的状态调节，选用的负荷为1.80MPa，升温速率为120℃/h，试样变形达到标准挠度时的温度为热变形温度。4批环氧树脂测得的热变形温度分别为71℃、84℃、87℃和92℃，按顺序定为1#、2#、3#和4#试样。

1.3 环氧树脂平均线膨胀系数的测定

环氧树脂平均线膨胀系数的测定采用石英膨胀计法。

试样加工成50mm长、直径为10mm的圆棒，能直立置于膨胀管内。测试前试样进行温度23±2℃和相对湿度50±5%的状态调节。

1.4 环氧树脂试样在线性升温油浴中的长度变化

测试用仪器和试样同线膨胀系数测量。

2结果讨论

2.1 不同测试温度范围的平均线膨胀系数比较

由表1可见，较高温度范围测试时材料的平均线膨胀系数比较低温度范围的值要大得多。

由表二可知，测试结束后试样长度虽然都有减少，但减少不多，均在0.1mm以下。在抵消尺寸变化对试样长度造成的影响后，达到更高温度后试样发生了急剧的膨胀，导致高温度范围的平均线膨胀系数比低温度范围的值有明显增大。

2.2 线性升温条件下试样长度的变化

为了更好地观察试样的长度随温度的变化，每隔一段时间记录下试样的长度变化，对温度作图后得到了四批环氧树脂材料的长度变化-温度曲线图。从图2（前）中可见，在线性升温条件下，使用的环氧树脂材料长度方向尺寸变化呈现三个阶段。在较低温度下长度随温度变化较小，且此时长度测量不是很稳定，可能是由于升温初始阶段温度控制仍然有波动。在达到一个温度范围后，试样变形到了第二阶段，此时随着温度进一步升高，长度变化放缓如1#和4#试样，甚至出现了停滞如2#和3#试样，图上表现为一个类似平台。在该阶段过后，试样长度急剧增大，但增大的幅度不再增加。

将图局部放大得到图2（后），此时曲线的变化更为明显。从第一阶段向第二阶段的转折处温度1#试样约在70℃左右，2#和3#试样约在80℃，其中2#试样稍早，4#试样约在90℃。这个结果和材料在测试条件下的热变形温度较为接近。根据四种材料的负荷热变形温度测试结果，1.80MPa负荷下四种环氧树脂分别在71℃、84℃、87℃和92℃达到热变形温度。虽然该热变形温度与所施加负荷有关，当施加较小负荷后热变形温度较高。但这种类似性说明，如果选取合适的条件，材料的负荷热变形温度可以模拟在线膨胀系数测试中可能会影响测试结果的软化温度，热变形温度以上不适合选入该材料线膨胀系数测试的温度范围。对于实验的4批环氧树脂材料，根据表1结果，以-30~30℃的温度范围的平均线膨胀系数为基准，室温~90℃温度范围的值4种试样分别相差了41%、19%、20%和18%。当高度变化停滞的平台占据了所选温度范围内较多部分时，线膨胀系数测试将更易出现偏差。2.3 已热处理试样第二次测试线膨胀系数所得值比较

将进行过一次较高温度恒温浴的线膨胀系数测试试样收回，再进行一次通用温度范围测试。得到的数据列表和只进行过一次通用温度范围测试的试样结果比较，为表三。

从表三可知，短时间的高温可能没有完全改变材料的结构。

3 结论

（1）实验用环氧树脂在不同测试温度范围下得到的平均线膨胀系数值差别较大，但已进行过一次较高温度范围测试的试样再次进行通用温度范围测试时，得到的值和只进行一次通用温度范围测试的试样相差不大。

（2）由于实验用环氧树脂在较高温度下可能发生一定软化，在大温度范围的线膨胀系数测试时会出现一段试样长度随温度变化不明显的温度区间，当该区间被囊括在实验选择的温度范围内时会影响材料的线膨胀系数测试结果。当选取用于计算平均线膨胀系数的温度范围低于该区间温度时材料的线膨胀系数较小，而当选取温度范围高于该区间温度时材料的线膨胀系数较大。

（3）当使用合适的负荷条件时，材料的热变形温度和线膨胀系数测试时发生可能软化的温度接近，此时可以更合适地选择需要测试的线膨胀系数温度范围，并得到更准确的结果。

选自《理化检验—物理分册》 第52卷 2016.5

作者：吴嘉杰，男，助理工程师，硕士，任职于上海材料研究所

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