CN115410784A - 一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法 - Google Patents

Abstract

一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，涉电子元器件封装技术领域，解决现有封装产品密封性、耐热性差，吸湿性高，高温阻燃稳定性差，易拉弧起火等的技术不足，采用的技术手段包括：制备由70wt％～80wt％的SiO2和20wt％～30wt％的环氧树脂混合制成的高分子复合封装材料，采用压制成型工艺将制得的材料包封在电子元器件上形成膜胚，采用固化工艺对膜胚进行固化以完成电子元器件的高分子复合材料一体化封装。本发方法封装的产品工频耐受性高，包封层致密性、阻燃性、防爆性、防潮性好，膨胀系数低，高温耐受性好，有效杜绝了拉弧起火问题，且工艺简单，成本低。

Description

一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法

技术领域

本发明涉及电子元器件封装技术领域，更具体的涉及一种利用由70wt％～80wt％的SiO₂和20wt％～30wt％的环氧树脂混合制成的高分子复合封装材料对电子元器件(特别是压敏电阻)进行一体化封装的方法。

背景技术

传统的电子元器件封装方式主要有热固性树脂(如环氧树脂)封装、热塑性树脂(如PBT塑料)和陶瓷封装。

热固性树脂封装是将环氧树脂粉末在硫化床中通入压缩空气形成气溶胶，将电子元器件加热后侵入环氧树脂气溶胶中，通过热粘附使得环氧树脂包封在电子元器件体上，加热固化后完成对电子元器件的封装。这种方式的封装主要目的是绝缘、防潮和加固，保证电子元器件的性能，但在实际环境更严苛的应用中，涂层环氧树脂在高温状态下会发生开裂现象，氧气的介入会发生剧烈性电气拉弧起火。而且，环氧树脂中添加有各种抗氧剂、分散剂、促进剂、阻燃剂、固化剂等含有塑胶、溴、苯等的有毒有害成分，易造成环境污染。另外，采用环氧树脂对电子元器件进行热固性封装不能彻底解决长期潮湿环境下潮气侵入元器件的问题。

热塑性树脂封装是在包裹有环氧材料的电子元器件外再裹上一个装有石英砂的塑胶外壳，封装主要目的是用石英砂阻断高压下电弧的产生，塑壳形成一定的绝氧模式。但这种封装方式有一个缺陷，含有一定的空气和潮气，不能完全阻断封装层，在电弧出现的情况下会参与到工频起火爆炸的问题。在工频过压保护上有一定的阻燃效果，但在高工频、大的短路电流、长时间作用下，产品整体外观也会工频起火的问题，工频阻燃等级有一定的限制！

陶瓷封装不能做到致密性封装，只是在环氧封装的基础上，套装一个陶瓷壳体。陶瓷封装之所以不能进行致密性封装，主要是因为陶瓷制成环节为高温制成工艺(温度控制在1000℃以上)，而这种高温会破坏电子元器件的涂银层和引线焊接的可靠性。所以，目前陶瓷封装工艺中大多只能采用套壳式松散封装的方式保护元器件，封壳与器件本体间的致密性有一定的缺陷，导致元器件与封壳之间会侵入一定的空气和潮气。另外，陶瓷封装方式其封壳的刚性差，在外力作用下易损、破裂。

压敏电阻做为过电压处理保护的电子元器件，其独特的非线性半导体性能，在过电压处理上是非常关键的半导体器件，只要有电的地方就会有压敏电阻的身影，应用范围极广，具有广泛的代表性，下面以压敏电阻为例具体讲解现有封装方法存在的问题。

一、压敏电阻“火烧机”、“失效”机理分析。

1、压敏电阻与过电压：

1)压敏电阻是过瞬间过电压处理元器件，并不是所有的过电压压敏电阻都能很好的处理。在实际工况中碰到的过电压按成因分类包括雷击过电压(代表波形1.2/50us、10/350us、8/20us)、操作过电压(代表波形2ms、10/1000us)、暂态过电压(持续时间长在S级别以上)、静电过电压(电压高、时间短，为纳秒级别)。

当过电压是暂态工频过电压的模式时，压敏电阻往往力不从心、不能很好的处理，这也是说压敏电阻对瞬间过电压有很好的工作处理能力，但是碰到环境电压为暂态工频过电压时很容易发生拉弧穿孔、导致压敏电阻起火燃烧而出现“火烧机”的问题。

2)压敏电阻电压选型的基本原则：整机工作的环境电压必须小于压敏电阻最大允许交流(或直流)工作电压值，否则压敏电阻很容易老化失效，出现拉弧起火的问题(这是指压敏电阻长期承受的最大交流电压有效值Uac,或最大直流电压值Udc)。

即Uac的原则是：使用环境的交流电压的峰值不得大于压敏电压公差值的下限，

Udc的原则是：使用环境的直流电压不得大于Udc＝0.83Un，即压敏电阻在Uac下的功耗与在Udc下的功耗大体相等。

在实际试验的验证中，方法是在85℃的环境下加载Uac或Udc试验1000小时，压敏电压变化率不得大于±10％。

2、压敏电阻过电压与失效模式的关联：

压敏电阻其工作环境是一种过电压环境，其不同的失效模式(炸裂和穿孔)与过电压性质(瞬间过电压和暂态工频过电压)有着密切联。

1)系瞬间过电压-炸裂：压敏电阻是一种对瞬间过电压(即冲击时间为us等级的瞬时冲击过电压)会做出快速泄放反应的元器件，其性能的好坏与芯片粉料制程的均匀性有着很大关系，在瞬间过电压冲击下，其失效模式主要为包封层开裂、引线弹开以及芯片本体炸裂或缺失。这种炸裂不会引起明火，危害不大，不会引起整机次生灾害-火烧机现象。这种失效可以通过(8/20us)电流冲击实验模式获得，因此，也可以概括为压敏电阻电流应力(I-t)冲击失效模式，即通流量失效模式。

2)暂态工频过电压-穿孔：过电压按时间性质长短分类，可分为瞬间过电压(10-6s)和暂态工频过电压(10-3s-101s)两种。压敏电阻在瞬间过电压情况下可以有效正常的工作！但是压敏电阻在电路环境中碰到的过电压，并非每次都是瞬间过电压，往往有很多暂态工频过电压的持续加载，这时压敏电阻的表现往往是力不从心，承受功率很小，很容易出现拉弧起火问题。芯片本体的失效模式表现为针式穿孔，这种失效可以通过工频电压升压实验获得，这是一种电压应力(U-t)实验，也叫工频绝缘强度耐受实验。因此，压敏电阻的工频耐受往往跟芯片本体的包封层不同，其危害程度结果大不相同。

由上述分析所得，压敏电阻在瞬间过电压情况下，其失效模式主要是炸裂失效，其好坏与芯片本体有关；压敏电阻在暂态工频过电压情况下，其失效模式主要是穿孔拉弧起火，其好坏与封装材料有关。

3、整机线路的过压与过流防护的协同：

在整机线路的防护设计中，必须考量到过电流与过电压的处理。过电流主要是通过保险丝、PTC、熔断器、继电器、漏电保护开关等元器件进行过流防护处理；过电压防护主要是通过压敏电阻、放电管、变压器等压敏电阻进行过压防护。其过电流的大小与过电压时间的长短必须是要考量的标准，二者的有效协同，才能做好整机线路的防护。

1)过电压与过电流的协同：压敏电阻在持续工频电压作用下，可以产生小电流毫安级持续拉弧，但是在过流保护装置(如保险系、熔断器、继电器等)其电流保护范围都是安培级别，使得过流保护装置不能采取及时有效的断开保护措施。这是由于压敏电阻在小电流(mA)情况下导通，其建立的回路具有很大的阻抗，限制了线路回路短路电流的进一步增大，其短路电流根本达不到目前保险丝、熔断器、继电器等安培级别过流保护的动作电流，高温拉弧(弧温最少在1300℃以上)可以引起芯片穿孔，导致整机线路的“火烧机”现象，所以较难防护，这也是全球工程师对压敏电阻拉弧起火一直很头痛的设计问题。

2)金属性短路与电气性短路:二者是不同性质的短路，金属性短路其短路电流的阻抗不是很大，电流可以迅速增大，过流保护器件可以采取动作进行切断。另外，金属性短路时大电流通过较大的接触电阻时，形成高温金属熔化。熔化后的金属，在表面张力的作用下，会形成向后收缩的球形，拉断短路电流，也可以使得电路中断。所以，金属性短路只要按规范要求，安装短路防护电器保持其防护的有效性，这种短路火灾是可以避免的。而电气性短路是一种等离子体的短路可以瞬间击穿芯片本体，形成弧道拉弧并产生持续高温，进而引燃周围的可燃物，而过流保护装置在时间和电流值上根本来不及反应进行有效防护。

为此，压敏电阻在某种程度上可以看作一种可产生次生灾害-火烧机的根源，因此其封装材料的长时间、高性能、防火阻燃防爆的特性，是制造者必须考量的重要问题，这也是自1968年日本松下发现了金属氧化物ZnO非线性半导体特征这几十年以来，压敏电阻在暂态工频过电压的情况下拉弧起火的问题，一直是全球工程师头痛的问题。

二、电子元器件对封装材料的要求。

做为半导体封装材料，对性能要求呈现多种多样，总结归纳为五高五低，所谓五高即指：高纯度、高耐热及热氧化稳定性、高力学性能、高电绝缘性能和高频稳定性能，所谓五低即指：低相对介电常数与介电损耗因子、低吸湿性、低内应力、低线胀系数和低形成工艺温度。

1、热固性树脂(如环氧树脂)封装：

传统环氧树脂封装的优点：1)收缩力小、没有副产品、材料内部应力小；2)优良的耐热性、电绝缘性能、介电性、能满足电子电气的要求；3)选择不同的固化剂和固化促进剂，可制成各种性能的封装材料，满足不同器件和集成电路的不同要求。

传统环氧树脂封装的缺点：1)耐热性与吸湿性的矛盾：随着封装器件高性能化，要求环氧树脂不仅要有高耐热性，还必须具有低吸水率，如果环氧树脂封装材料的耐湿性不好，则封装件金属配线易被腐蚀钝化。另一方面，如果封装件在高温高湿环境中，则水分子易从封装材料和引线界面或空隙出侵入，而对于环氧树脂来讲，其提高耐热性和降低吸水率是一对结构矛盾。因为提高封装材料的耐热性，一般是提高封装材料的交联度，为此，封装材料中的自由体积也增加了，导致吸水率的提高。2)高温阻燃的稳定性：环氧树脂本身就是一种高分子有机物，只要是有机物就会发生燃烧现象，其阻燃性是通过添加阻燃剂(如溴苯化合物)来阻燃的，在900℃的高温灼热丝实验下，环氧树脂同样会发生燃烧的现象。另外，受环氧树脂膨胀系数的影响，在高温情况下环氧包封层会发生开裂情况，导致空气参与到电弧，进而引起剧烈高温燃烧。

2热塑性树脂(如PBT塑料)封装：

塑封性封装是通过热塑性树脂(如PBT塑料)壳体封装，里面含有石英砂，产生一定的绝氧性能，使得燃烧不完全，达到一定抗工频阻燃性能。但是，由于所有的热塑性树脂的熔点温度都不是很高，如PBT为224℃、PET为250℃PCT为290℃，都不可能达到900℃以上的高温的稳定性(不燃烧、不融化、不变形)，所以在1000℃的高温环境下塑封壳体的损，坏使得空气中氧气参与到燃烧，照样会发生拉弧燃烧，造成火灾外泄，影响到线路板以及整机的安全性问题。

3陶瓷封装：

陶瓷虽然在阻燃性和高温的稳定性上表现非常优异，但因陶瓷成型为高温成型工艺，使得与芯片封装不能做到高度紧密性一体化封装。另外陶瓷生产的污染性、抗应力性差(易损破裂)和装配性限制了陶瓷封装的大规模低成本生产的可能性。

综上所述，需要提供一种新的封装材料和封装方法对电子元器件(特别是压敏电阻)进行封装以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的高分子复合封装材料，利用该新型封装材料对电子元器件(特别是压敏电阻)进行一体化封装，从而解决现有电子元器件因封装材料及封装方法限制导致的封装密封性差、耐热性与吸湿性相互矛盾，高温阻燃的稳定性差，易出现拉弧起火而引起“火烧机”，封装材料中含有有毒有害成分，包封层抗应力性差，封装成本高等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤A：制备高分子复合封装材料，所述的高分子复合封装材料由70wt％～80wt％的SiO2和20wt％～30wt％的环氧树脂混合制成；

步骤B：采用压制成型工艺将制得的高分子复合封装材料包封在电子元器件上形成膜胚；

步骤C：采用固化工艺对包封在电子元器件上的膜胚进行固化以完成电子元器件的高分子复合材料一体化封装。

进一步的，所述步骤A包括：

步骤A1：取300～350目的粗颗粒石英砂和100～150目的细颗粒石英砂按照质量比(7～8):(1～3)的比例混匀，使细颗粒石英砂充分填充在粗颗粒石英砂间的空隙中，然后通过烘干机对混合石英砂进行烘烤排潮，以排除其中的水汽并提高其温度；

步骤A2：取烘烤后的高温混合石英砂与去阻燃剂、去脱模剂后的环氧树脂按照质量比(7～8):(2～3)的比例混合，通过搅拌机对混合物料进行搅拌，将高温石英砂和低温环氧树脂充分混合粘粉配比，利用环氧树脂的热固性和粘合性使得每个颗粒石英砂表面都裹覆有薄薄一层环氧树脂，制得粉料状态的高分子复合封装材料。

进一步的，所述步骤A1中，烘干机的烘烤温度在120℃～150℃之间，烘烤时间在1.5h～2.0h之间。

进一步的，所述步骤B包括：

步骤B1：通过定位夹具将待封装电子元器件限位固定在伺服压制机的模压腔室中；

步骤B2：通过供料装置向所述模压腔室中灌注所述的高分子复合封装材料；

步骤B3：通过压制活塞将模压腔室内的高分子复合封装材料压接在电子元器件上，利用封装材料中环氧树脂的凝胶化将所述的SiO2均匀包封在电子元器件上以形成所述的膜胚；

步骤B4：将包封有膜胚的电子元器件脱模。

进一步的，所述步骤B2中高分子复合封装材料的灌注定量为4.0～5.8，体积压缩比为1.0～1.5。

进一步的，所述步骤C包括：

步骤C1：通过低温固化隧道炉对包封有膜胚的电子元器件进行低温固化，固化温度110℃～120℃，固化时间20min～30min；

步骤C2：通过高温固化隧道炉对低温固化后的电子元器件进行高温固化，固化温度150℃～160℃，固化时间110min～130min，以结合低温固化过程使膜胚中的环氧树脂从凝胶化向玻璃化转变，从而将膜胚固化在电子元器件上；

步骤C3：对高温固化处理后的电子元器件进行降温冷却，以减少步骤B过程中膜胚内产生的内应力，从而完成电子元器件的高分子复合材料一体化封装；冷却温度25℃～30℃，冷却时间20min～40min。

进一步的，所述方法还包括：

步骤D：对一体化封装后的电子元器件进行封装测试，排除不合格产品。

进一步的，所述的电子元器件包括有压敏电阻。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种新型的封装材料，该封装材料只包含高分子有机物环氧树脂和无机物二氧化硅，二者按照设定的配比混合均匀制得高分子复合封装材料。本发明还同时提供了一种应用上述高分子复合封装材料对电子元器件进行一体化封装的方法，采用压制成型工艺将制得的高分子复合封装材料以一定的形状包封电子元器件(只露出电阻的引线部分)并形成膜胚，而后采用固化工艺将包封在电子元器件上的膜胚固化成型，工艺简单、方便实施，成本低廉，适于电子元器件的大规模封装生产。

与传统的灌装封装技术相比，本发明一体化封装方法通过压制成型工艺以物理挤压的方式将高分子复合封装材料包封在电子元器件的本体上，可将膜胚中的空气完全挤出，保证了膜胚的密封性，更好地隔绝了空气，有效防止了电子元器件失效时导致的拉弧和燃烧，避免了“火烧机”问题的出现。

而且，本发明高分子复合封装材料的组成成分中只有大量的无机物SiO₂和少量的有机物环氧树脂，二者形成的包封层在受热后会发生相变和物态变化从而吸收大量热量，使得电子元器件整体温升小，耐热性好的同时还能保持包封层良好的机械强度、绝缘性和密封性，有效维持其封装结构形态，能够持续地、很好隔地绝空气。另外，电子元器件因瞬时电压冲击而失效时，采用本发明封装方法的器件其封装体表的温度更低，不会发生明火燃烧，高分子复合封装材料填充到击穿点，能够弱化甚至阻断电弧，大大提升了电子元器件失效时抗工频电压的性能，不起火不爆炸，安全耐受时间更长。

相较于传统的热固性树脂封装形式，本发明彻底解决了封装后耐热性与吸湿性的矛盾，通过利用少量有机物环氧树脂(质量占比20％～30％)的粘合性和固化特性，把大量散装颗粒的无机物SiO₂(质量占比70％～80％)“高压粘合”在电子元器件外，形成一个完整、致密、近乎不含有任何空气和潮气的有机整体包封层。由于SiO₂拥有所有固体物质最低的膨胀系数(近乎为零)和高温相变吸热的特性，使得采用本发明方法制得的电子元器件产品在高温恶劣的环境(1000℃以上)下，表现出稳定、良好的特性，同时结合包封层中大量SiO₂的填充彻底解决了环氧树脂特有的耐热性和吸湿率的结构性矛盾。相对于传统环氧树脂封装方式，本发明在两者(即环氧树脂和SiO₂)中找到最佳平衡值，使得采用本发明方法封装后的电子元器件包封层具有极佳的高耐热性、低膨胀系数，同时又具有低吸湿性。另外，相较于添加溴苯化合物获得阻燃性的传统环氧树脂，本发明封装材料中只包含有环氧树脂和SiO₂就具有更好的耐热性和阻燃性，无添加其他任何有毒有害的成分又，更加环保。

相较于传统的热塑性树脂封装形式，本发明方法并不是简单的在环氧树脂封壳外套接装有石英砂的塑胶外壳，而是先将粗砂与细砂按特定比例混合并烘烤排潮后，与纯环氧树脂趁热混合制成高分子复合封装材料，再采用压制成型工艺利用高分子复合封装材料对电子元器件进行一体化封装，使得封装后的包封层具有极佳的耐热、耐高温及防火阻燃特性，在900℃甚至更高温度情况下热稳定性(不燃烧、不融化、不变形)更好。所以，采用本发明方法封装的电子元器件在1000℃的高温环境下其包封层不会轻易破损而导致氧气参与到失效燃烧，避免了电阻失效时发生的拉弧燃烧，对设备线路板以及整机的安全性更高，有效避免了“火烧机”问题的出现。

相较于传统的陶瓷外壳封装形式，本发明采取高压干成型、高低温固化方式对高分子复合封装材料与电子元器件进行组合封装，封装后其包封层的结构强度和稳定性更好，抗应力能力更强，不易脆裂，且在耐压绝缘性、阻燃性、防爆性、防潮性等多个方面具有比陶瓷封装更加优越的特性。另外，本发明一体化封装技术相较于陶瓷封装方式更加环保，且工艺流程更简单、制造成本更低。

综上所述，相较于上述传统的封装工艺，本发明方法在以下几个方面具有更佳的效果。

1)电性能特性：采用本发明一体化封装工艺制得的电子元器件产品，在冲击电流防护特性、工频耐受特性、故障模式下的安全性(次生灾害)、耐高温特性(灼热丝)、长期使用的一致性与可靠性(荷电率与直流老化特性)、环境适应性等方面均优于环氧封装与塑料封装压敏。

2)材料成本特性：本发明一体化封装方法与传统的SPD和TMOV比较，具有成本价格优势，传统插件式电子元器件-MOV采用的是热固性塑胶-环氧树脂封装，其材料市场成本在30元/公斤，而压敏电阻避雷器除了芯片要热固型塑胶-环氧树脂封装外，其产品整体外形还需要热塑性塑胶材料封装，如PBT尼龙材料，其市场价格在30～70元/公斤，而本发明高分子复合封装材料的成本最多只有传统封装材料成本的50％。

3)制造成本特性：本发明采用压制成型工艺和固化工艺实现对电子元器件的一体化封装，工艺方法简单化、流程简明，能够做到一次性机械化自动压制封装，以压制代替装配，尤其减少了SPD在生产加工过程中塑料组件、弹簧组件、金属组件等材料的人工操作的组装成本，其封装效率是人工效率的数十倍，利于工厂制造的规模化，大幅度降低了电子元器件封装制造的成本。

4)产品性能特征：本发明采取了高分子复合材料一体化封装技术，其高分子复合封装材料的优越性使得封装后的电子元器件无论在电流应力，还是在电压应力的表现上，远远胜出传统环氧树脂封装、塑胶封装或者陶瓷封装的电子元器件器。

5)发展动向：随着半导体应用技术的不断发展，对其封装材料提出了更加苛刻的要求，目前世界各国都在积极倡导、扶植、并致力于高分子复合封装材料这项技术研发的竞争和开发。本发明方法提供的高分子复合封装材料及一体化封装技术，改善了封装材料的综合性能，其强度好、韧性高、耐热高、阻燃、防爆、防潮，特高温(1000℃以上)稳定性好、内应力低，易于低温加工生产，本发明高分子复合封装材料将会成为如导弹、火箭、卫星、极地通讯基站、太空基站、以及高压输设备首选的封装材料。同时，本发明一体化封装方法也为其开辟了可靠性高、大规模生产制造的道路。

具体实施方式

为了更充分地理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的介绍和说明，下述各实施例均以压敏电阻为封装对象进行展示，并不是对本发明适应对象的限制。

实施例1：

一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，包括有以下步骤：

步骤A-制备高分子复合封装材料，步骤B-压制成型，步骤C-固化封装，步骤D-封装测试，步骤E-打标包装。

上述步骤具体分为以下步骤：

步骤A1：取300～350目的粗颗粒石英砂和100～150目的细颗粒石英砂按照质量比7:1的比例混匀，使细颗粒石英砂充分填充在粗颗粒石英砂间的空隙中，以降低复合封装材料的膨胀系数，达到降低内应力的目的，同时提高阻燃性。然后通过烘干机对混合石英砂进行烘烤排潮，以排除其中的水汽并提高其温度。烘干机的烘烤温度设定在120℃～130℃之间，烘烤时间1.5h，烘干过程中持续对混合石英砂进行翻动搅拌。

步骤A2：取烘烤后的高温混合石英砂与去阻燃剂、去脱模剂后的环氧树脂按照质量比7:3的比例混合，通过搅拌机对混合物料进行搅拌，将高温石英砂和低温环氧树脂充分混合粘粉配比，利用环氧树脂的热固性和粘合性使得每个颗粒石英砂表面都裹覆有薄薄一层环氧树脂，制得粉料状态的高分子复合封装材料。

步骤B1：通过定位夹具定位夹持待封装压敏电阻的金属引线以进行芯片本体定位，将待封装压敏电阻限位固定在伺服压制机的模压腔室中。

步骤B2：通过自动供料机向固定好待封装压敏电阻的所述模压腔室中定量灌注制得的高分子复合封装材料，灌注定量为4.0。

步骤B3：通过压制活塞将模压腔室内的高分子复合封装材料压接在压敏电阻上，压制过程中利用封装材料中环氧树脂的凝胶化将所述的SiO₂均匀包封在压敏电阻上形成一层膜胚。压制过程中模压腔室中的温度保持在60℃左右，封装材料的体积压缩比为1.0。

步骤B4：将包封有膜胚的压敏电阻脱模，需要注意的是，压制成型的膜胚其致密度和硬度还不够高，易破损，脱模过程中需要保持作用力平衡，避免对膜胚造成破坏。

步骤C1：通过低温固化隧道炉对包封有膜胚的压敏电阻进行低温固化，固化温度110℃，固化时间20min。

步骤C2：通过高温固化隧道炉对低温固化后的压敏电阻进行高温固化，固化温度150℃，固化时间110min，以结合低温固化过程使膜胚中的环氧树脂从凝胶化向玻璃化转变，从而将膜胚固化在压敏电阻上。

步骤C3：对高温固化处理后的压敏电阻进行降温冷却，以减少步骤B过程中膜胚内产生的内应力，从而完成压敏电阻的高分子复合材料一体化封装，冷却温度25℃，冷却时间20min。

而后对一体化封装后的压敏电阻进行封装测试，排除不合格产品，通过测试的封装压敏电阻产品经过标识打印及包装后入库，准备发送给客户。

实施例2：

一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，包括有以下步骤：

步骤A-制备高分子复合封装材料，步骤B-压制成型，步骤C-固化封装，步骤D-封装测试，步骤E-打标包装。

上述步骤具体分为以下步骤：

步骤A1：取300～350目的粗颗粒石英砂和100～150目的细颗粒石英砂按照质量比8:3的比例混匀，使细颗粒石英砂充分填充在粗颗粒石英砂间的空隙中，以降低复合封装材料的膨胀系数，达到降低内应力的目的，同时提高阻燃性。然后通过烘干机对混合石英砂进行烘烤排潮，以排除其中的水汽并提高其温度。烘干机的烘烤温度设定在140℃～150℃之间，烘烤时间2h，烘干过程中持续对混合石英砂进行翻动搅拌。

步骤A2：取烘烤后的高温混合石英砂与去阻燃剂、去脱模剂后的环氧树脂按照质量比8:2的比例混合，通过搅拌机对混合物料进行搅拌，将高温石英砂和低温环氧树脂充分混合粘粉配比，利用环氧树脂的热固性和粘合性使得每个颗粒石英砂表面都裹覆有薄薄一层环氧树脂，制得粉料状态的高分子复合封装材料。

步骤B1：通过定位夹具定位夹持待封装压敏电阻的金属引线以进行芯片本体定位，将待封装压敏电阻限位固定在伺服压制机的模压腔室中。

步骤B2：通过自动供料机向固定好待封装压敏电阻的所述模压腔室中定量灌注制得的高分子复合封装材料，灌注定量为5.8。

步骤B3：通过压制活塞将模压腔室内的高分子复合封装材料压接在压敏电阻上，压制过程中利用封装材料中环氧树脂的凝胶化将所述的SiO₂均匀包封在压敏电阻上形成一层膜胚。压制过程中模压腔室中的温度保持在60℃左右，封装材料的体积压缩比为1.5。

步骤B4：将包封有膜胚的压敏电阻脱模，需要注意的是，压制成型的膜胚其致密度和硬度还不够高，易破损，脱模过程中需要保持作用力平衡，避免对膜胚造成破坏。

步骤C1：通过低温固化隧道炉对包封有膜胚的压敏电阻进行低温固化，固化温度115℃，固化时间25min。

步骤C2：通过高温固化隧道炉对低温固化后的压敏电阻进行高温固化，固化温度155℃，固化时间130min，以结合低温固化过程使膜胚中的环氧树脂从凝胶化向玻璃化转变，从而将膜胚固化在压敏电阻上。

步骤C3：对高温固化处理后的压敏电阻进行降温冷却，以减少步骤B过程中膜胚内产生的内应力，从而完成压敏电阻的高分子复合材料一体化封装，冷却温度23℃，冷却时间40min。

而后对一体化封装后的压敏电阻进行封装测试，排除不合格产品，通过测试的封装压敏电阻产品经过标识打印及包装后入库，准备发送给客户。

实施例3：

一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，包括有以下步骤：

步骤A-制备高分子复合封装材料，步骤B-压制成型，步骤C-固化封装，步骤D-封装测试，步骤E-打标包装。

上述步骤具体分为以下步骤：

步骤A1：取300～350目的粗颗粒石英砂和100～150目的细颗粒石英砂按照质量比5:1的比例混匀，使细颗粒石英砂充分填充在粗颗粒石英砂间的空隙中，以降低复合封装材料的膨胀系数，达到降低内应力的目的，同时提高阻燃性。然后通过烘干机对混合石英砂进行烘烤排潮，以排除其中的水汽并提高其温度。烘干机的烘烤温度设定在130℃～140℃之间，烘烤时间2h，烘干过程中持续对混合石英砂进行翻动搅拌。

步骤A2：取烘烤后的高温混合石英砂与去阻燃剂、去脱模剂后的环氧树脂按照质量比72:28的比例混合，通过搅拌机对混合物料进行搅拌，将高温石英砂和低温环氧树脂充分混合粘粉配比，利用环氧树脂的热固性和粘合性使得每个颗粒石英砂表面都裹覆有薄薄一层环氧树脂，制得粉料状态的高分子复合封装材料。

步骤B1：通过定位夹具定位夹持待封装压敏电阻的金属引线以进行芯片本体定位，将待封装压敏电阻限位固定在伺服压制机的模压腔室中。

步骤B2：通过自动供料机向固定好待封装压敏电阻的所述模压腔室中定量灌注制得的高分子复合封装材料，灌注定量为4.7。

步骤B3：通过压制活塞将模压腔室内的高分子复合封装材料压接在压敏电阻上，压制过程中利用封装材料中环氧树脂的凝胶化将所述的SiO₂均匀包封在压敏电阻上形成一层膜胚。压制过程中模压腔室中的温度保持在60℃左右，封装材料的体积压缩比为1.2。

步骤B4：将包封有膜胚的压敏电阻脱模，需要注意的是，压制成型的膜胚其致密度和硬度还不够高，易破损，脱模过程中需要保持作用力平衡，避免对膜胚造成破坏。

步骤C1：通过低温固化隧道炉对包封有膜胚的压敏电阻进行低温固化，固化温度120℃，固化时间30min。

步骤C2：通过高温固化隧道炉对低温固化后的压敏电阻进行高温固化，固化温度160℃，固化时间120min，以结合低温固化过程使膜胚中的环氧树脂从凝胶化向玻璃化转变，从而将膜胚固化在压敏电阻上。

步骤C3：对高温固化处理后的压敏电阻进行降温冷却，以减少步骤B过程中膜胚内产生的内应力，从而完成压敏电阻的高分子复合材料一体化封装，冷却温度30℃，冷却时间30min。

而后对一体化封装后的压敏电阻进行封装测试，排除不合格产品，通过测试的封装压敏电阻产品经过标识打印及包装后入库，准备发送给客户。

综上，本发明高分子复合封装材料的配料环节步骤A中，通过烘干机排除了混合石英砂中的水汽，并同时对石英砂进行升温，使其能够以较高的温度与环氧树脂混合，从而基于热交换原理促使环氧树脂受热软化，使其具有一定的粘黏性、流动性，从而利用环氧树脂的热固性和粘合性使其均匀地包裹在粗颗粒石英砂的表面。同时，本发明封装材料利用细颗粒石英砂充分填充在包裹有环氧树脂层的粗颗粒石英砂间的间隙中，从而提高了细砂填充率，而SiO₂本身具有极低的膨胀系数，因此有效降低了混合制得的封装材料的膨胀系数，达到降低内应力的目的。同时，细颗粒石英砂均匀分布在粗颗粒石英砂的间隙中，使得本发明封装材料中SiO₂的总体占比相较于有机物环氧树脂大的多，而SiO₂本身耐热性、阻燃性好，可以替代环氧树脂中需添加的含有溴苯、红磷等有毒有害成分的阻燃剂，保证了本发明高分子复合封装材料的耐热性、抗爆性及阻燃性。

本发明一体化封装环节中，采用高压压制的方式将高分子复合封装材料压接在电阻本体上并形成膜胚，而封装材料在高压压制过程中由松散的粉料状态向膜胚状态变化，体积压缩过程中封装材料中的空气和潮气被挤压排除，保证了形成的膜胚具有一定的致密度和硬度。但是，初期成型的膜胚其致密度和硬度还没有达到最高，脱模过程中需要格外小心，需保证在平衡作用力下进行脱模操作，防止膜胚被破坏。

环氧树脂属于热固性材料，其固化过程中有两个临界状态：凝胶化和玻璃化。本发明通过低温固化环节促使膜胚中的环氧树脂进行凝胶化转变，此时固化体系的交联网络初步形成，标志着环氧从粉态或液态转变为橡胶态，可以减少膜胚玻璃化温度转变到固化温度的过程，降低高温固化的最高温度，降低后续高温固化的难度和成本，有利于提高膜胚固化的效率。另外，本发明固化环节最后通过常温冷却的方式对固化后的包封层进行降温，可以减少产品压制过程中产生的内应力，提高包封层整体的抗应力性及结构强度。

一体化封装完成后对封装好的产品进行封装测试，从而排除其中的不良品，避免不合格产品流出，以下通过表1：压敏电阻工频耐受实验对比表展示本发明一体化封装方法与现有封装方法制得的产品工频耐受效果比对。

表1：压敏电阻工频耐受实验对比表

工频耐受实验是检验元器件和电气设备电介质绝缘强度的方法，它是考验器件或设备在运行过程中能够长时间承受工作过电压(工频交流电压或直流电压)绝缘耐受能力的指标，施加的工频交流电压越高、时间越长，对材料的绝缘强度要求越高。工频耐受实验结果直观性好、可信度高。

工频耐受测试结果比对分析：

本发明高分子复合封装材料中只包含大量的无机物二氧化硅和少量的有机物环氧树脂，其中的有机物和无机物在拉弧高温1600℃以上的情况下，二氧化硅会发生物理相变，其每克可以吸收1200～1300焦耳的热量。其中的无机物二氧化硅和有机物环氧树脂在高温环境下会形成坚硬的第三种共晶化合物，其材料的高温坚硬性作用：一堵住芯片工频击穿熔融弧道，二完全杜绝外部空气参与其中，三是能够大量吸热，从而使得采用本发明方法封装的产品(压敏4～6)在工频条件下具有以下显著的特征：

1)产品本体实验过程中全程无明火、爆裂，只有本体发红，伴有少量淡白烟。

2)产品引线在工频短路电流持续4分20秒时保证引线不发红，瞬间拉弧(1600℃、白光)熔断，芯片本体也未见任何明火。

3)产品外观实验过程中完整如初，不变形，且产品标识清晰可见。

4)实验后对产品进行解剖，芯片两侧粘附有淡黄色、坚硬的共晶化合物，未见芯片本体存在击穿拉弧融道。

5)产品包封层呈土色，近乎无黑色，说明其中的有机可燃碳化材料很少。

6)芯片瓷体部分完好，未见有碳化烧烛的部分，说明包封层对弧道拉弧的高温仰制性很强，芯片本体的弧道，几乎看不到熔融的孔道，里面填充了大量的共晶化合物，对于芯片弧道拉弧的溢出，起到了关键的封堵作用。

通过上述工频耐受实验对比分析可知，采用本发明高分子复合材料一体化封装技术制得的压敏电阻所表现出来的工频耐受性能，远远高于传统封装技术制得的产品，使得本发明方法制得的产品可靠性更高、耐受性强，失效条件下封装本体也不会出现任何可持续燃烧的明火，其长达4分钟以上、15A以上的工频短路电流的耐受能力、无拉弧外溢、无明火等特性，给设备回路的保险丝(或过流保护装置)提供了足够的断开动作时间和断开电流数值，保证杜绝了整机“火烧机”问题的发生。

以下通过表2：压敏电阻性能指标对比表展示本发明一体化封装方法与现有封装方法制得的产品性能指标比对。

表2：压敏电阻性能指标对比表

性能指标比对分析：

与传统的灌装封装技术相比，本发明采用高分子复合封材料进行一体化封装带来的有益效果是：可以通过高压压制的方式将粉料状态的高分子复合封装材料中的空气、水汽挤出，使得包封层的密封效果更好，能够更好地隔绝空气，避免压敏电阻失效时拉弧和燃烧。本发明高分子复合封装材料压制成型的包封层受热后，其中的环氧树脂和二氧化硅会发生相变和物态变化，从而吸收大量热量，使得压敏电阻整体温升小，同时还仍能保持包封层良好的机械强度和形状、绝缘性和密封性，且能够持续很好地隔绝空气，降低吸湿率。另外，采用本发明方法制得的压敏电子在失效时，其封装体表的温度更低，不会发生明火燃烧，通过高分子复合封装材料填充到击穿点，弱化甚至阻断了电弧，大大提升了压敏电阻失效时抗工频电压的性能，不起火、不爆炸，安全耐受时间更长。

本发明高分子复合封装材料一体化封装技术，从能量转换与时间特性分析，以实现压敏的安全防护，防护的有效性得以大幅提升，结合起火、爆炸的根因分析，形成的一种工艺技术，能够真正解决实际应用问题的关键所在，更重要的是它的主动防护技术较被动防护技术(脱离)是一种理念上的提升。对传统业界封装材料和产品设计两个关键问题提供了很好的解决方法。

从能量吸收特性分析，本发明提供的一种高分子复合封装材料，能量吸收性能为1200-1300焦耳/克,通过计算材料重量与压缩比的关系分析，明显比塑料封装与环氧封装吸收能量大。从产品设计的整体性分析，本发明方法解决了压敏业界难题，主要表现在能够提升压敏整体性能、降低封装生产工艺复杂性、降低装配复杂性、减少人了工成本、提升了产能、降低了额外材料成本等。

综上所述，本发明提供的高分子复合封装材料和应用该封装材料的一体化封装技术，有效解决了压敏产品在实际应用中产生的高温、高热、吸湿、抗应力差、拉弧起火等的问题，且工频性耐受性能更强，不会因拉弧起火导致“火烧机”，防止了次生灾害发生，安全性、可靠性更佳。同时，本发明提供的新型高分子复合封装材料压制成型的包封层，具有优越的阻燃性和低膨胀系数，防潮性、防爆性和高温稳定性，且工艺流程简单、制造成本低廉，有利于大规模封装制造，具有显著的技术优势。

另外，本发明方法不仅仅可以应用在半导体压敏电阻的封装上，其涉及到的新型高分子复合封装材料及一体化封装方法还可以应用在如电阻、电容、电动汽车的锂电池等电子元器件封装中，应用前景广泛。

需要说明的是，上述实施例仅只是本发明优选的具体实施方式，并不能理解为对本发明技术方案保护范围的限制，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤A：制备高分子复合封装材料，所述的高分子复合封装材料由70wt％～80wt％的SiO₂和20wt％～30wt％的环氧树脂混合制成；

步骤B：采用压制成型工艺将制得的高分子复合封装材料包封在电子元器件上形成膜胚；

步骤C：采用固化工艺对包封在电子元器件上的膜胚进行固化以完成电子元器件的高分子复合材料一体化封装。

2.根据权利要求1所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述步骤A包括：

步骤A1：取300～350目的粗颗粒石英砂和100～150目的细颗粒石英砂按照质量比(7～8):(1～3)的比例混匀，使细颗粒石英砂充分填充在粗颗粒石英砂间的空隙中，然后通过烘干机对混合石英砂进行烘烤排潮，以排除其中的水汽并提高其温度；

步骤A2：取烘烤后的高温混合石英砂与去阻燃剂、去脱模剂后的环氧树脂按照质量比(7～8):(2～3)的比例混合，通过搅拌机对混合物料进行搅拌，将高温石英砂和低温环氧树脂充分混合粘粉配比，利用环氧树脂的热固性和粘合性使得每个颗粒石英砂表面都裹覆有薄薄一层环氧树脂，制得粉料状态的高分子复合封装材料。

3.根据权利要求2所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述步骤A1中，烘干机的烘烤温度在120℃～150℃之间，烘烤时间在1.5h～2.0h之间。

4.根据权利要求1所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述步骤B包括：

步骤B1：通过定位夹具将待封装电子元器件限位固定在伺服压制机的模压腔室中；

步骤B2：通过供料装置向所述模压腔室中灌注所述的高分子复合封装材料；

步骤B3：通过压制活塞将模压腔室内的高分子复合封装材料压接在电子元器件上，利用封装材料中环氧树脂的凝胶化将所述的SiO₂均匀包封在电子元器件上以形成所述的膜胚；

步骤B4：将包封有膜胚的电子元器件脱模。

5.根据权利要求4所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述步骤B2中高分子复合封装材料的灌注定量为4.0～5.8，体积压缩比为1.0～1.5。

6.根据权利要求1所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述步骤C包括：

步骤C1：通过低温固化隧道炉对包封有膜胚的电子元器件进行低温固化，固化温度110℃～120℃，固化时间20min～30min；

步骤C2：通过高温固化隧道炉对低温固化后的电子元器件进行高温固化，固化温度150℃～160℃，固化时间110min～130min，以结合低温固化过程使膜胚中的环氧树脂从凝胶化向玻璃化转变，从而将膜胚固化在电子元器件上；

步骤C3：对高温固化处理后的电子元器件进行降温冷却，以减少步骤B过程中膜胚内产生的内应力，从而完成电子元器件的高分子复合材料一体化封装；冷却温度25℃～30℃，冷却时间20min～40min。

7.根据权利要求1所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤D：对一体化封装后的电子元器件进行封装测试，排除不合格产品。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种电子元器件的高分子复合材料一体化封装方法，其特征在于，所述的电子元器件包括有压敏电阻。