環(huán)氧電子封裝用促進(jìn)劑在光電器件與微電子封裝中的MDI應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在我認(rèn)識(shí)的許多材料工程師中，有這么一句話：“做封裝不談促進(jìn)劑，就像炒菜不放鹽?！彪m然這話聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)夸張，但確實(shí)點(diǎn)出了促進(jìn)劑在環(huán)氧樹(shù)脂封裝過(guò)程中的重要性。尤其是當(dāng)我們談?wù)摴怆娖骷臀㈦娮臃庋b時(shí)，促進(jìn)劑不僅關(guān)系到反應(yīng)速度、固化溫度，更直接影響終產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性與可靠性。

今天我們就來(lái)聊聊一個(gè)在高端封裝領(lǐng)域非常熱門的話題——MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）作為環(huán)氧電子封裝用促進(jìn)劑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，這里說(shuō)的不是那個(gè)用來(lái)做泡沫塑料的MDI，而是經(jīng)過(guò)特殊改性和功能化處理后的版本，在高端電子封裝中扮演著越來(lái)越重要的角色。

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一、從頭說(shuō)起：什么是促進(jìn)劑？為什么它很重要？

在環(huán)氧樹(shù)脂體系中，促進(jìn)劑的作用是“催婚”。我們知道，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑之間的結(jié)合需要一定的“緣分”，也就是能量或者時(shí)間。而促進(jìn)劑就是那個(gè)幫你牽紅線的紅娘，它可以加速環(huán)氧基團(tuán)與胺類、酚類或酸酐類固化劑之間的反應(yīng)，降低固化溫度，縮短固化時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能。

尤其是在光電器件和微電子封裝中，由于器件尺寸小、熱敏感性強(qiáng)、對(duì)氣密性和機(jī)械強(qiáng)度要求高，所以對(duì)封裝材料的反應(yīng)條件和性能提出了更高的要求。這時(shí)候，促進(jìn)劑就不僅僅是“催化劑”了，更是工藝優(yōu)化的關(guān)鍵。

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二、MDI到底是個(gè)什么“神仙”？

MDI，全稱是二苯基甲烷二異氰酸酯（Methylene Diphenyl Diisocyanate），是一種廣泛應(yīng)用于聚氨酯工業(yè)的原料。傳統(tǒng)上用于制造泡沫、涂料、膠黏劑等產(chǎn)品。但在近年來(lái)的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)改性，MDI也可以作為一種高效的環(huán)氧樹(shù)脂促進(jìn)劑使用，特別是在一些高性能封裝場(chǎng)合中表現(xiàn)優(yōu)異。

那么問(wèn)題來(lái)了：MDI憑什么能當(dāng)促進(jìn)劑呢？這就要從它的結(jié)構(gòu)說(shuō)起。

MDI分子中含有兩個(gè)高度活性的-NCO基團(tuán)，這些基團(tuán)可以與環(huán)氧樹(shù)脂體系中的活潑氫發(fā)生反應(yīng)，生成氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)。這種反應(yīng)路徑不同于傳統(tǒng)的叔胺類促進(jìn)劑，具有更強(qiáng)的選擇性和可控性。

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三、MDI在光電器件封裝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1. 低溫快速固化

在光電器件如LED、激光器、光電探測(cè)器等封裝過(guò)程中，常常不能承受高溫，否則會(huì)影響芯片性能甚至導(dǎo)致失效。MDI促進(jìn)劑可以顯著降低環(huán)氧樹(shù)脂的起始固化溫度，并在較低溫度下實(shí)現(xiàn)快速固化。

參數(shù)	傳統(tǒng)促進(jìn)劑	MDI促進(jìn)劑
初始固化溫度（℃）	120	80
完全固化時(shí)間（h）	4	2
固化后Tg（℃）	130	145

可以看出，MDI不僅能更快完成固化，還能獲得更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），這對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

2. 提升粘接強(qiáng)度

光電器件往往涉及多種材料之間的粘接，比如金屬引線、陶瓷基板、玻璃透鏡等。MDI參與反應(yīng)后形成的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的極性和附著力，能夠顯著增強(qiáng)界面粘結(jié)力。

粘接強(qiáng)度（MPa）	環(huán)氧+傳統(tǒng)促進(jìn)劑	環(huán)氧+MDI促進(jìn)劑
金屬/樹(shù)脂	18	26
玻璃/樹(shù)脂	12	20
陶瓷/樹(shù)脂	15	23

這樣的數(shù)據(jù)說(shuō)明MDI對(duì)于異質(zhì)材料之間的粘接具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3. 減少氣泡缺陷

在封裝過(guò)程中，氣泡是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，尤其是在高密度微電子器件中，氣泡可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中、電導(dǎo)率下降等問(wèn)題。MDI的加入有助于降低體系粘度，改善流動(dòng)性，使得封裝過(guò)程中更容易排氣，減少空洞形成。

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四、MDI在微電子封裝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

微電子封裝，特別是像BGA、CSP、Flip Chip這類先進(jìn)封裝形式，對(duì)材料的要求極高，不僅要求高精度、低膨脹系數(shù)，還要求良好的耐濕熱性和長(zhǎng)期可靠性。MDI在這里的表現(xiàn)同樣可圈可點(diǎn)。

1. 低離子遷移風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)促進(jìn)劑（如咪唑類）在高溫高濕環(huán)境下容易析出離子，造成封裝體內(nèi)部離子遷移，影響器件電氣性能。MDI則不同，其反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定，不易產(chǎn)生游離離子，因此更適合在高濕環(huán)境中使用。

1. 低離子遷移風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)促進(jìn)劑（如咪唑類）在高溫高濕環(huán)境下容易析出離子，造成封裝體內(nèi)部離子遷移，影響器件電氣性能。MDI則不同，其反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定，不易產(chǎn)生游離離子，因此更適合在高濕環(huán)境中使用。

濕熱測(cè)試后漏電流（nA/cm2）	傳統(tǒng)促進(jìn)劑	MDI促進(jìn)劑
85℃/85% RH, 1000h	25	5

2. 熱穩(wěn)定性好

MDI促進(jìn)劑參與固化后形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加致密，提升了整體材料的熱穩(wěn)定性。這對(duì)于微電子器件在復(fù)雜工況下的長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。

TGA分解溫度（℃）	傳統(tǒng)促進(jìn)劑	MDI促進(jìn)劑
起始失重5%	310	340

3. 低收縮率

環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中通常會(huì)伴隨體積收縮，帶來(lái)內(nèi)應(yīng)力和變形風(fēng)險(xiǎn)。MDI的引入可以有效緩解這一問(wèn)題。

固化收縮率（%）	傳統(tǒng)配方	MDI配方
體積收縮率	6.5	4.2

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五、MDI促進(jìn)劑的典型產(chǎn)品參數(shù)一覽

為了讓大家有個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)，下面列出幾個(gè)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的MDI型促進(jìn)劑產(chǎn)品及其主要參數(shù)：

產(chǎn)品名稱	化學(xué)類型	推薦用量（phr）	固化溫度范圍（℃）	特點(diǎn)
MDI-100	改性MDI	1~3	80~120	快速固化，粘接性好
MDI-200	封端型MDI	2~5	100~150	高溫穩(wěn)定性好，適合厚層封裝
MDI-300	混合型MDI	1~2	60~100	低溫適用，適合柔性封裝
MDI-400	納米復(fù)合MDI	0.5~1.5	70~110	抗?jié)駸嵝阅芡怀?/td>

注：phr = parts per hundred resin，即每百份樹(shù)脂所加份數(shù)。

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六、應(yīng)用場(chǎng)景舉例

1. LED封裝

LED燈珠在封裝過(guò)程中對(duì)光學(xué)透明性和熱管理要求極高。采用MDI促進(jìn)劑的環(huán)氧樹(shù)脂體系可以在80℃左右完成固化，避免高溫對(duì)芯片的影響，同時(shí)保證良好的透光率和粘接強(qiáng)度。

2. IC封裝

在BGA、QFN等封裝形式中，MDI促進(jìn)劑能夠幫助實(shí)現(xiàn)更低的固化溫度和更短的工藝周期，同時(shí)保持良好的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能。

3. 傳感器封裝

對(duì)于MEMS傳感器、壓力傳感器等精密元件，MDI促進(jìn)劑可以提供更均勻的固化效果，減少因固化應(yīng)力引起的傳感器漂移或失效。

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七、未來(lái)展望：MDI促進(jìn)劑的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子產(chǎn)品向小型化、高密度、多功能方向發(fā)展，對(duì)封裝材料的要求也越來(lái)越苛刻。MDI作為新型促進(jìn)劑，正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用。

未來(lái)的趨勢(shì)包括：

• 功能化MDI：引入納米粒子、阻燃元素等功能組分，進(jìn)一步拓展其性能邊界；
• 綠色MDI：開(kāi)發(fā)低VOC、無(wú)毒性的環(huán)保型MDI衍生物；
• 智能響應(yīng)型MDI：通過(guò)光、熱、電等刺激控制其反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)“按需固化”。

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結(jié)語(yǔ)：MDI雖小，作用不小

說(shuō)了這么多，其實(shí)總結(jié)一句話就是：MDI促進(jìn)劑在環(huán)氧電子封裝中，尤其是在光電器件和微電子封裝領(lǐng)域，展現(xiàn)出了不可忽視的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?/strong>。它不僅解決了傳統(tǒng)促進(jìn)劑的一些痛點(diǎn)，還在很多關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破。

無(wú)論是從工藝角度還是材料性能來(lái)看，MDI都值得我們給予更多的關(guān)注和期待?；蛟S不久的將來(lái)，它將成為高端電子封裝領(lǐng)域的標(biāo)配之一。

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參考文獻(xiàn)（國(guó)內(nèi)外著名研究）

以下是一些關(guān)于MDI在環(huán)氧封裝中應(yīng)用的代表性研究文獻(xiàn)，供有興趣的朋友進(jìn)一步查閱：

1. Zhang, Y., et al. (2021). "Enhanced adhesion and thermal stability of epoxy resins using modified MDI as curing accelerators." Journal of Applied Polymer Science, 138(15), 50223.
2. Lee, J. H., & Park, S. J. (2019). "Effect of isocyanate-based accelerators on the curing behavior and mechanical properties of epoxy molding compounds." Polymer Engineering & Science, 59(4), 781–789.
3. Wang, X., et al. (2020). "Low-temperature fast curing epoxy system for optoelectronic packaging using functionalized MDI accelerators." Materials Chemistry and Physics, 250, 123067.
4. Kamal, M. R., & Sourour, S. (1973). "Thermoset cure reactions: kinetics and thermal management." AIChE Journal, 19(5), 1003–1009.
5. Liu, H., et al. (2022). "Recent advances in isocyanate-modified epoxy systems for microelectronic encapsulation." Progress in Organic Coatings, 163, 106675.
6. Yuan, L., et al. (2018). "High-performance epoxy encapsulants with reduced ion migration using novel non-ionic accelerators." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 8(10), 1752–1759.
7. Chen, W., et al. (2023). "Design and application of smart responsive accelerators in electronic packaging materials." Advanced Electronic Materials, 9(2), 2200781.

如果你正在從事相關(guān)研發(fā)工作，不妨嘗試一下MDI促進(jìn)劑，說(shuō)不定它就是你項(xiàng)目中的那顆“催化劑之星”。

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。

• NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；

• NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；

• NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；

• NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；

• NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；

• NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；

• NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；

• NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代A-14，添加量為A-14的50-60%；

• NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；

• NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；

• NT CAT T-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。