半導體封裝膠粘劑番外篇2- 粘度 Viscosity

1.粘度基本概念

 

1.1 什麼(me)是粘度/流變

    粘度 是用來定義流體内部（流動）阻力大小的一個專業術語，由分子吸引力引起(qǐ)的流體内部摩擦，使其阻擋流動傾向(xiàng)。^[1]

    將(jiāng)流動著(zhe)的液體看作許多相互平行移動的液層, 各層速度不同,形成(chéng)速度梯度(dv/dx),由于速度梯度的存在,流動較慢的液層阻滞較快液層的流動,因此.液體産生運動阻力.

爲使液層維持一定的速度梯度運動,必須對(duì)液層施加一個與阻力相反的反向(xiàng)力.　液體在流動時(shí)，在其分子間産生内摩擦力；當施加一個（剪切）外力與流體上，就(jiù)可以觀測到這(zhè)個阻力大小；阻力越大，需要越大的剪切外力去驅使流體流動；這(zhè)個剪切力可以用來定義粘度。

    直觀表現就(jiù)是礦泉水比番茄醬容易倒出。

粘度示意圖

粘度形成(chéng)公式

粘度公式簡化：

  單位：cP、Pa.S

            1 cP = 1 mPa·s  

           1 P = 100 cP 1 Pa·s = 1,000 mPa·s

1.2 流體分類：

    不同的剪切外力作用下，按受到阻力變化狀況（粘度）將(jiāng)流體可以分爲：

   1. 牛頓流體：粘度與剪切速率和時(shí)間無關，典型的是氣體，水

   2. 非牛頓流體：粘度與剪切速率&壓力相關，不同條件下，粘度會(huì)變化，比如導電膠，石油樹脂等

        - 在特殊參數條件下測得的粘度稱之爲"表觀粘度",比如膠粘劑常用的5rpm,25C.

        - 半導體封裝膠黏劑是典型的非牛頓型流體，具有剪切變稀的行爲

流體種(zhǒng)類

 

2.粘度的測試方法：

    原理：通過(guò)轉子轉動流體，粘度儀的轉子施加的扭矩與被(bèi)測樣(yàng)品的分子内部摩擦力(即粘度)正相關，通過(guò)檢測轉子受力換算出樣(yàng)品粘度^[2]

粘度測試示意圖

 膠黏劑市場主流的測試設備是倆種(zhǒng) Brookfield 的粘度儀器和TA的流變儀，前者是市場應用廣泛(70%左右），價格實惠；後(hòu)者準确性和再現性出色，但價格是前者的幾倍。

    半導體封裝日趨精密，對(duì)封裝輔料的膠粘劑要求也會(huì)逐步加強，個人認爲，流變儀會(huì)成(chéng)爲未來膠粘劑流體特性表征的主流設備。

-2.1)Brookfield 粘度儀

        Broofield 粘度儀市場占有量大，精度在±1.0%的全量程範圍内， 重現性在±0.2% ， 工作溫度範圍從5°C到80°C，基本可以滿足市場測試需求

Brookfield 的根據測試設備型号不同，轉子不同形成(chéng)了一系列覆蓋各個粘度範圍的配套成(chéng)熟産品：

半導體封裝膠水行業主要使用的是博勒飛DV2T粘度計，有如下4個機型：

     1）LVDV2T（低粘度）  

     2）RVDV2T（中等粘度）

     3）HADV2T（高粘度）   常見用于膠粘劑行業      

     4）HBDV2T（高粘度）

通常配備的轉子是CP51或52，以下是不同機型不同轉子的測試範圍

在使用過(guò)程中，有以下幾個值得注意的地方：

1）不同的轉速粘度測試範圍不同：

    - 測試樣(yàng)品粘度至少在該轉速下最大扭矩的10%，最好(hǎo)大于25%，越高越精确

    - 低粘度  大轉子高轉速； 高粘度  小轉子  低轉速

2）粘度儀的誤差爲最大量程的1%，量程選擇不當，誤差較大

3）托杯調制(進(jìn)/退一格)，會(huì)影響粘度測試的準确性

   - 進(jìn)一格轉子與托杯間隙變小同樣(yàng)膠量會(huì)溢出，包裹轉子四周接觸面(miàn)增大，扭矩變大，粘度偏高

   - 退一格  轉子與托杯間隙變大同樣(yàng)膠量不足以完全填充，接觸面(miàn)積變小，扭矩變小，測試粘度偏低

 

-2.2)TA流變儀：

流變儀測試粘度數據更爲精确，重複性比較好(hǎo)，操作比brookfield相對(duì)簡單

 同時(shí)TA的測試功能(néng)輔助件種(zhǒng)類多元，能(néng)夠測試除粘度以外的更多性能(néng)，比如測試膠水在升溫或者UV固化過(guò)程中的體積膨脹收縮表現

3. 粘度與膠水性能(néng)：

3.1 觸變指數TI:

    觸變TI是衡量膠黏劑點膠性能(néng)的重要參數，這(zhè)是一個造出來的，約定成(chéng)俗的規定:

     半導體封裝膠水通常觸變指數

     TI= 0.5RPM粘度/5.0RPM粘度

        - 0.5rpm粘度，靜态粘度，是液體開(kāi)始流動的粘度，越大越不容易滴膠 靜如處子

        - 5.0rpm粘度，動态粘度，液體流動起(qǐ)來的粘度，越小越容易點膠操作 動如脫兔

        - 一些場合下，也會(huì)規定10rpm粘度/1.0rpm爲觸變指數

  在點膠的時(shí)候，理論上希望靜态粘度比較大，動态粘度相對(duì)小，即高觸變，但也不是越高越好(hǎo)，根據客戶實際應用，找到一個對(duì)應的區間

- 通常對(duì)于導電膠觸變大于3.5，絕緣膠會(huì)小一些,大于2，也有特殊的應用場景，大于等于1.0即可

3.2 工作時(shí)間：

測試膠水室溫一定時(shí)間内粘度增長(cháng)的幅度，确定膠水的工作時(shí)間，保存周期

3.3 施膠性能(néng)：

因爲封裝膠水的應用場景比較多，從芯片粘接到攝像頭結構，對(duì)膠水粘度的要求也各不相同

- 流平性 流動性 灌封性 定高性

 

4. 粘度的影響因素

4.1 分子間作用力

影響液體粘度的核心因素，在于液體分子間的作用力（inter-molecular forces）。液體要流動，那麼(me)液體分子就(jiù)需要“經(jīng)過(guò)”另一個分子。如果分子間作用力強大，分子“經(jīng)過(guò)”另一個分子就(jiù)會(huì)被(bèi)阻礙。因此，液體的分子間吸引力越小，它的粘度就(jiù)越低，反之則越大。

常溫下成(chéng)液态的正烷烴比水的粘度低，因爲正烷烴分子間作用力是範德華力，水分子之間則是氫鍵。範德華力遠小于氫鍵，因此液态正烷烴粘度小于水。而糖漿粘度比水大許多，因爲糖漿中的糖類分子含有大量羟基(-OH ),以氫鍵的方式與水分子互相吸引。

4.2 溫度

随著(zhe)液體溫度上升，通常其粘度也會(huì)随之降低。比較典型的例子就(jiù)是冬天的糖漿更加難倒出來。這(zhè)是因爲溫度上升會(huì)使分子運動更快，産生更大的分子動能(néng)（Kinetic Energy,KE=kT 分子動能(néng)與溫度直接相關）液體的分子動能(néng)增加會(huì)削弱分子間吸引力，同時(shí)當溫度升高，使得液體分子間間距增大，進(jìn)而使得分子間吸引力減小，于是内摩擦力減小，結果就(jiù)導緻了液體的粘度降低。^[3]

膠黏劑主要由填料與樹脂基體，添加劑組成(chéng)，這(zhè)三者是影響膠黏劑粘度主要因素，可以通過(guò)增減填料/稀釋劑/觸變劑比例，改變産品粘度

-樹脂基體：主要是不同化學(xué)結構的高分子聚合物，這(zhè)些聚合物的分子量大小，分子量分布以及聚合物空間結構（支鏈等），都(dōu)會(huì)對(duì)粘度産生重要的影響

 

5. 其他補充-冰凍後(hòu)粘度變化（個人經(jīng)驗假設,驗證中）

   封裝膠水通常是低溫保存，在冰凍前後(hòu)，膠水粘度會(huì)有小幅度變化，部分特殊膠水的粘度會(huì)有較大差異：

-a) 凍後(hòu)粘度上升：

一般發(fā)生在導電銀膠中，膠水在剛剛制造完成(chéng)時(shí)，樹脂基體與金屬填料表面(miàn)的潤濕程度，或者是二者之間的分子間作用力尚未充分形成(chéng)，在低溫保存的過(guò)程中，分子間作用力逐步完成(chéng)，導緻解凍後(hòu)粘度上升，通常靜态、動态粘度同步變化，對(duì)觸變不會(huì)有影響

-b)凍後(hòu)粘度下降：

通常凍後(hòu)粘度下降的是絕緣非導膠水， 一般絕緣膠水的填料是二氧化矽，氧化鋁等，攪拌混合過(guò)程中，填料本身與樹脂基體可以很快形成(chéng)穩定的氫鍵等分子間作用力，可能(néng)超負荷形成(chéng)（120% 150%200%等）使得粘度上升達到要求，在低溫保存解凍過(guò)程中，這(zhè)種(zhǒng)作用力部分消亡，下降趨于穩定的100%，導緻凍後(hòu)粘度急劇下降。

同時(shí)，在非導絕緣膠黏劑中會(huì)加入一定量的觸變劑氣矽，提升靜态粘度，提升觸變，改善點膠性能(néng)；這(zhè)些氣矽的表面(miàn)處理方式和用量一定程度上也會(huì)對(duì)粘度變化産生重要影響

以上規律也不是100%絕對(duì)，部分情況會(huì)反向(xiàng)。

 

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