电子封装材料能强化电子器件的整体性、提高其抗冲击性、抗振动性,并增强内部元件及线路板间的绝缘性能,有利于实现电子产品中电子元件的小型化和轻量化^{[1, 2]}。环氧树脂具有优良的粘着性能、机械性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能以及成本低、配方灵活多变、生产效率高等特性,广泛应用于电子器件、集成电路和LED的封装^[3,4,5]。

环氧树脂固化收缩产生的残余应力使封装材料的强度降低、制品的形状和尺寸改变甚至引起内部分层甚至开裂,影响电子封装元件的性能和使役寿命。掌握树脂固化残余应力对电子元件的作用形式,能提高电子封装产品的质量和改善产品性能,还能降低生产成本和提高生产效率。热固性环氧树脂的固化收缩,包括树脂固化交联反应导致的收缩和温度降低导致的收缩^[6,7,8]。凝胶点后树脂的固化收缩是电子封装工艺过程中残余应力产生的主要来源^[9,10,11],因此研究环氧树脂固化温度和应变随固化时间的演变过程十分必要^[12]。目前,国际上已研制出多种形式的监测传感器,如介电传感器^[13]、超声波传感器^[14]、光纤传感器^[15]等。其中光纤Bragg光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点,得到了广泛的应用^{[16,17,18,19]}。使用FBG传感器在线监测环氧树脂固化过程能得到树脂内部温度变化、应变变化、热膨胀系数等信息,对于优化固化工艺参数和固化过程中残余应力导致的结构变形等有重要的意义。

近年来基于FBG传感技术研究了环氧树脂的固化收缩特性,但是多数是从复合材料基体的角度研究树脂固化收缩规律及其对复合材料整体性能的影响^{[20, 21]}。本文使用FBG温度传感器和应变传感器同时监测环氧树脂固化过程中温度和应变,根据在不同实验条件下温度和应变的演变分析环氧树脂的固化温度和固化残余应力的演变规律。

1 实验方法

1.1 FBG传感机制

当光纤光栅受外力作用或环境温度变化时,应变和外界温度引起的中心波长漂移为^[22]

ΔλB=λB(1-Pe)ε+λB(αf+ξ)ΔT =kεε+kTΔT(1)

式中ε为光纤光栅的轴向应变,ΔT为传感器温度变化量,P_e为有效弹光系数,ξ和α_f分别为光纤光栅的热光系数和热膨胀系数,k_ε和k_T分别为光纤光栅的应变灵敏度系数和温度灵敏度系数。

由式(1)可知,FBG传感器对温度和应变同时敏感。因此用于应变检测时需要在应变传感器附近设置温度补偿传感器,使二者具有相同的温度,对温度的变化产生相同响应,二者Bragg中心波长相对漂移之差只与应变传感器所受应变有关,此时得到的材料应变为^[22]

ε=ΔλB-ΔλTkε(2)

式中Δλ_B为应变传感器的Bragg中心波长漂移(应变和温度综合作用),Δλ_T为温度补偿传感器的Bragg中心波长漂移(只有温度作用)。

1.2 FBG传感器的设计

FBG应变传感器存在温度交叉敏感问题,因此在FBG应变传感器的附近位置铺设FBG温度传感器,作为FBG应变传感器的温度补偿器。在Corining SMF-28光纤(包层直径125 μm)上刻写的FBG传感器的中心波长与外界温度和应变有良好的线性关系,经过多次温度和应变标定实验测得其温度灵敏度系数为10.2 pm/℃,应变灵敏度系数为1.2 pm/με。

实验用FBG应变传感器为裸光纤光栅,FBG温度传感器需要对其进行应变不敏感封装：将栅区封装在不锈钢毛细管中,并处于自由状态。封装所用不锈钢毛细管外径为0.7 mm,壁厚为0.2 mm,两端用DG-4双组份环氧胶密封。将其在常温下放置24 h使其完全固化,封装后的FBG温度传感器结构如图1a所示。使用耐高温材料聚酰亚胺涂覆FBG应变传感器的栅区,以适应长期高温监测的要求,其结构如图1b所示。

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图1   FBG传感器封装结构

Fig.1   Packaging structure of FBG sensors (a) FBG temperature sensor (b) FBG strain sensor

1.3 实验用材料和装置

双酚A型环氧树脂E-51,5784脂肪胺环氧固化剂;光纤Bragg光栅,中心波长为1545~1566 nm,纤芯直径为10 μm,刻栅区域长度为10 mm;SM125光纤光栅解调仪,采样频率为1 Hz,波长精度为1 pm;长方体聚丙烯盒槽,长140 mm,宽110 mm,高40 mm。

1.4 FBG铺设方案

环氧树脂在固化过程中产生残余应力,可能使电子封装产品的形状与尺寸改变,甚至引起内部分层、开裂。因此,需要研究同一模具内不同位置处的应力应变演变情况以及最终残余应力应变的大小,从而为合理布局电子元件提供技术支持;同时需要明确环氧树脂用量对最终残余应力应变大小的影响,为减小电子封装产品中的内应力、降低工艺成本、提高产品质量稳定性提供依据。根据上述研究目的设置实验组A、实验组B。

实验组A：在模具高度的1/2处铺设两对FBG传感器,其中一对FBG传感器位于模具长度和宽度的1/2处,标记为FBG1;另外一对FBG传感器位于模具长度的1/4、宽度的1/2处,标记为FBG2,如图2a所示。实验中环氧树脂的用量为200 g,固化剂的用量为80 g。

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图2   FBG传感器铺设示意图

Fig.2   Lay-up schematic of FBG sensors (a) Group A; (b) Group B

实验组B：在模具长度、宽度和高度的1/2处铺设一对FBG传感器,标记为FBG3,如图2b所示。环氧树脂的用量为250 g,固化剂的用量为100 g。

每对FBG传感器包括一条温度传感器(标记为T)和一条应变传感器(标记为S),二者相距10 mm。上述传感器的具体实验参数列于表1。在FBG传感器铺设完成后连接光纤解调设备并开始信号的采集与保存,随后将混配均匀并脱泡处理后的环氧树脂与固化剂倒入模具中。实验在室温条件下(25℃)进行。

图3给出了FBG1T、FBG2T、FBG3T实验后的光栅反射光谱图和FBG1S、FBG2S、FBG3S实验后的光栅反射光谱图。可以看出,实验后FBG传感器的光栅反射光谱波型规整、对称性好,没有出现波型宽化或杂峰等光谱劣化,说明FBG传感器测得的数据是准确可靠的。

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图3   FBG传感器的反射光谱图

Fig.3   Reflection spectrum of FBG sensors (a) FBG temperature sensors; (b) FBG strain sensors

2 结果和讨论

2.1 环氧树脂用量对树脂固化温度和应变的影响

使用FBG传感器在线监测环氧树脂固化过程时,由FBG温度传感器、FBG应变传感器测得树脂内部温度、应变随固化时间的演变特性。为了探究环氧树脂用量对树脂固化特性的影响,对比分析FBG1与FBG3测得的温度和应变随固化时间的演变曲线,如图4所示。图4a给出了FBG1T和FBG3T测得的温度-时间曲线,图4b给出了FBG1S和FBG3S测得的应变-时间曲线。

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图 4   FBG1和FBG3测得的温度和应变随时间的演变

Fig.4   Temperature and strain curves evolving with time measured by FBG1 and FBG3 (a) Temperature-time curves of FBG1T and FBG3T; (b) Strain-time curves of FBG1S and FBG3S

图4a表明,随着环氧树脂固化反应的进行模腔内的温度急剧升高,FBG1T和FBG3T测得的温度随之提高,在到达温度最高点后下降至室温。当环氧树脂用量为200 g时,FBG1T监测到的树脂固化过程中的最高温度为187℃(图中A点);而当环氧树脂用量为250 g时,FBG3T监测到的树脂固化过程中的最高温度为218℃(图中B点)。显然,环氧树脂的用量增加则固化反应过程中的最高温度随之提高。

图4b表明,在固化反应的开始阶段(图中C′D′时间段)FBG传感器监测到的树脂内部应变为零,并不随着温度和时间的变化而变化。其原因是,在固化初始阶段环氧树脂处于粘流态,在树脂体系内还未形成三维交联网络结构,树脂模量低,与光纤的界面结合强度较弱,树脂内部应变难以传递给光纤栅区。在固化反应进行到约1400 s时(图中D′点)环氧树脂与FBG传感器之间产生一定强度的粘结,能将应变传递到FBG传感器上。图4b还表明,FBG1S监测到的树脂在固化反应过程中的拉应变最大值为197 με (图中A′点),而FBG3S监测到的树脂固化过程中拉应变最大值为456 με (图中B′点),且到达最大值的时间比FBG1S提前了约213 s。造成上述差距的主要原因是,随着环氧树脂用量的增加树脂固化放出的热量更不易释放,模具内温度急剧升高使环氧树脂受热膨胀效应增大,导致FBG传感器所测的拉应变最大值增大且到达最大值的时间缩短。

同时,FBG1S的监测结果表明,环氧树脂用量为200 g时环氧树脂的最终固化收缩应变为4190 με;而FBG3S的监测结果表明,环氧树脂用量为250 g时树脂的最终固化收缩应变为5490 με,二者相差1300 με。产生上述差别的原因是：随着环氧树脂用量的增加模具内温度变化更加剧烈,温度的急剧升高导致树脂固化加剧和残余应变不易松弛,使最终的固化收缩应变增大。

为了研究环氧树脂固化过程中的热胀冷缩效应和固化收缩效应对环氧树脂宏观应变状态的影响,选取同一对FBG传感器(FBG3T和FBG3S),作出温度和应变随时间的演变曲线(图5)。图5表明,在1400~1800 s时间段内(图中AB和BC段)应变为拉应变,且在1400~1680 s时间段内(图中AB段)拉应变呈增大趋势,最大值为456 µε;在1680~1800 s时间段内(图中BC段)拉应变逐渐减小至0。其原因是：当应变光纤光栅与环氧树脂界面间的强度足够大时光纤光栅同时受环氧树脂热膨胀和化学收缩的影响。在AB时间段内,环氧树脂固化反应放热使体系的温度迅速上升,环氧树脂热膨胀效应大于固化收缩效应,因此FBG3S监测到的应变整体表现为拉应变逐渐上升的状态。需要说明的是,在1867 s(图中D点)温度才达到最大值218℃,因此BC时间段内温度也逐渐上升,但是环氧树脂固化收缩加快,固化收缩效应大于热膨胀效应,因此FBG3S监测到的应变整体表现为拉应变逐渐下降的状态。在1800 s(图中C点)以后,随着温度下降和树脂的固化收缩压应变急剧增加,随后增速变缓并最终达到稳定状态。

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图5   FBG3测得的温度和应变随时间的演变

Fig.5   Temperature and strain curves evolving with time measured by FBG3

2.2 树脂固化温度和应变与FBG埋入位置的关系

为了研究同一模具内不同位置处环氧树脂的固化特性,将FBG1与FBG2测得的温度和应变随固化时间的演变曲线分别进行对比分析,如图6所示。图6a给出了FBG1T和FBG2T测得的温度-时间曲线,图6b给出了FBG1S和FBG2S测得的应变-时间曲线。

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图6   FBG1和 FBG2测得的温度和应变随时间的演变

Fig.6   Temperature and strain curves evolving with time measured by FBG1 and FBG2 (a) Temperature-time curves of FBG1T and FBG2T; (b) Strain-time curves of FBG1S and FBG2S

图6a表明,在2160 s时(图中A点)两条温度-时间曲线同时达到最高温度187℃,随后温度逐渐降低至室温。从图中还可见,铺设在模具长度方向1/2处的温度传感器FBG1T和铺设于模具长度方向1/4处的温度传感器FBG2T所测温度-时间曲线完全重合,说明在同一模具内的相同水平高度、不同位置处的温度基本一致。

图6b表明,在固化反应的开始阶段FBG传感器监测到的树脂内部的应变为零,并不随温度和时间的变化而变化。在固化反应进行到约1610 s时环氧树脂与应变光纤光栅之间有一定强度的粘结,可将应变传递到FBG传感器上。随着固化反应的进行环氧树脂受热膨胀大于固化收缩,应变表现为拉应变并呈增大趋势,两条应变曲线在1880s时同时达到拉应变最大值(图中A′点和B′点)且二者数值相差较小。其原因是,两个应变传感器所处温度条件相同,环氧树脂热膨胀效应相同,进而导致两条应变-时间曲线的变化趋势基本一致,数值相近。

同时,铺设在模具长度方向1/2处的应变传感器FBG1S所测环氧树脂完全固化后的最终应变为4189 με,而铺设于模具长度方向1/4处的应变传感器FBG2S所测环氧树脂完全固化后的最终应变为4295 με,两者仅相差106 με,即两个应变FBG传感器所测应变-时间曲线基本吻合,说明同一模具内在相同水平高度、不同位置处的应变相差很小。

3 结论

(1) 在环氧树脂的固化反应过程中模腔内同一水平高度、不同位置的温度和应变随时间的演变曲线基本相同,即当电子封装产品在水平方向无差异时环氧树脂固化过程中的温度和应变与水平位置无关。

(2) 在使用同一模具且光纤光栅埋入位置固定的前提下,随着环氧树脂用量的增加树脂固化放出的热量不易释放,光纤光栅监测到的最高温度提高;模具内温度的急剧升高使树脂的固化加剧,残余应变不易松弛,使最终的固化收缩应变增大。因此,在满足电子封装各项要求的前提下应该尽量减小环氧树脂封装材料的用量,以降低固化温度和树脂固化收缩应力对电子元件的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.