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Investigación in situ del proceso de reticulación de resinas epoxídicas para la detección de fluctuaciones en procesos de encapsulación de componentes electrónicos

Resumen : Las resinas epoxídicas se utilizan con frecuencia como materiales de encapsulación de componentes electrónicos en la tecnología de envasado electrónico. El proceso de reticulación química y el correspondiente curado de estas resinas durante su procesamiento influyen considerablemente en la producción y, en última instancia, en la calidad de los componentes. Se integró un sensor infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR) en la herramienta de una prensa de moldeo para medir in situ los espectros infrarrojos y, por tanto, los cambios químicos durante el proceso. Se presenta un método de evaluación de los espectros infrarrojos, para el que el progreso temporal de la reticulación se determina calculando integrales de rangos de números de onda relevantes por paso de tiempo y una normalización posterior de la curva integral. Una comparación con el análisis dieléctrico convencional (DEA) muestra una progresión similar de la curva, por lo que los cambios se pueden medir con el sensor FT-IR, especialmente para altos grados de reticulación, que no son visibles con DEA.

1 Introducción

En la industria actual de componentes electrónicos, el proceso de encapsulado de los componentes electrónicos suele ser un paso esencial que protege los componentes de influencias externas, aísla los contactos eléctricos y define la forma del envase [1]. Este proceso se lleva a cabo mediante un proceso de moldeo, en el que los métodos predominantes son el moldeo por transferencia y el moldeo por compresión, y se suelen utilizar como material compuestos de moldeo de resina epoxi (EMC) [2]. El proceso de encapsulación supone un reto debido a las fluctuaciones en los lotes de producción o a los cambios en las propiedades del material y el consiguiente ajuste de los parámetros específicos del proceso [3]. Estos factores tienen una influencia significativa tanto en el procesamiento como en la calidad del producto final [3]. La selección de los parámetros del proceso se basa principalmente en datos empíricos, ya que la comprensión del proceso es limitada. Mediante el uso de diferentes métodos de medición, el proceso de reticulación de la EMC se registra sistemáticamente, lo que permite una comprensión más profunda del proceso [4].

2 Fundamentos

Para determinar el estado de reticulación química de la EMC, se suele utilizar la calorimetría diferencial dinámica, en la que se mide el flujo de calor liberado al calentar el material y se correlaciona con el grado de reticulación [5]. Para detectar el desarrollo temporal de la reticulación química durante el proceso en curso, en los últimos años se ha establecido la DEA [6]. En este caso, se aplica una tensión sinusoidal y se mide la señal de respuesta, con lo que se registran movilidades iónicas que discurren en dirección opuesta a la viscosidad iónica y se correlacionan con el grado de reticulación del EMC [7]. Otro método de medición in situ es la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR). Este método utiliza luz en un rango de números de onda entre 600 cm-¹ y 1900 cm-¹ (espectroscopia de infrarrojo medio) [8]. La fuente de luz es un espectrómetro cuya luz es guiada hacia el material durante el proceso mediante fibras ópticas, donde es en parte absorbida y en parte reflejada y devuelta al espectrómetro. La luz reflejada se utiliza para generar espectros que son característicos de la composición del material respectivo y del estado de reticulación química actual [9]. De este modo, la reacción de reticulación puede detectarse mediante cambios en los enlaces químicos de las moléculas [10][11].

Materiales y metodología

En este estudio, se utiliza un material de sustrato monocapa con un grosor de 200 μm y un compuesto de moldeo EMC precomprimido altamente relleno con un contenido de relleno de alrededor del 90 %. Se utiliza una película de desmoldeo de LM-ETFE para proteger el molde y para el posterior desmoldeo del componente. El proceso de encapsulado utilizado aquí se conoce como moldeo por presión local [12]. El material se procesa a una temperatura del molde de 170 °C, una presión interna del molde de 50 bar, una velocidad de avance del pistón de 0,2 mm/s y un tiempo de ciclo de 900 s. Para monitorizar el grado de reticulación del EMC durante el proceso, se implementan sensores dieléctricos y un sensor FT-IR en el molde, que miden en contacto directo con el EMC. Una descripción detallada de la configuración de medición se explica en [8].

4. investigación del proceso de curado de las resinas epoxi 4.1 Espectros infrarrojos in situ

Se pueden registrar un total de 115 espectros FT-IR utilizables durante un proceso de encapsulado con un tiempo de ciclo de 900 segundos. La figura 1 muestra uno de cada diez espectros FT-IR registrados para un ensayo de moldeo. La transmisión se representa gráficamente frente a los números de onda, formando bandas características de la composición del material del EMC.

El primer hombro significativo, que representa la banda del epoxi, puede verse en el número de onda 916 cm-1. Este hombro desaparece durante el encapsulado. Este hombro desaparece durante el proceso de encapsulación, ya que el anillo de epoxi se rompe durante la reticulación. Otra banda característica se observa en el número de onda 1006 cm-1, que representa el relleno de dióxido de silicio. Debido al alto contenido de relleno, se forman valores de transmisión muy bajos para esta banda. Además, durante el proceso de reticulación, se forma una banda en el número de onda 1230 cm-1, que representa la reacción de la resina fenólica, que reacciona con la resina epoxi como endurecedor. Además, pueden reconocerse bandas características en los números de onda 1450 cm-1, 1508 cm-1 y 1610 cm-1, que representan un doble enlace C-C que puede producirse tanto en la resina como en el endurecedor de la EMC. Los primeros resultados ya se han publicado en [8].

Fig. 1: Espectros FT-IR medidos en diferentes momentos durante un proceso de encapsulación

4.2 Evaluación de la reticulación química a partir de los espectros infrarrojos

Los espectros FT-IR registrados se utilizan para monitorizar la reticulación de las resinas epoxi durante el procesado. El proceso de reticulación química se hace visible en los espectros FT-IR a través de la medición de los cambios en las bandas existentes. Sin embargo, también hay rangos de números de onda que no cambian con el aumento de la reticulación. Por esta razón, es importante identificar los rangos de números de onda relevantes que muestran cambios puramente sistemáticos durante la reticulación química. Para identificar estos rangos de números de onda, las diferencias de los espectros infrarrojos se forman en relación con el primer espectro registrado, por lo que cada décima diferencia se traza sobre los números de onda en la Figura 2. Las tres áreas con las mayores diferencias se muestran en la Figura 2. Las tres zonas con mayores diferencias se sitúan en torno a las bandas 916 cm-1, 1230 cm-1 y 1450 cm-1, que pueden asociarse a la reacción química de la resina epoxi con la resina fenólica. Para no considerar una sola banda, se definen tres rangos de números de onda alrededor de las tres bandas: de 848 cm-1 a 1036 cm-1, de 1196 cm-1 a 1254 cm-1 y de 1444 cm-1 a 1508 cm-1. Dentro de estos rangos, los valores de transmisión de los espectros disminuyen al aumentar la reticulación. Para poder extraer conclusiones sobre el cambio en la reticulación a lo largo del tiempo, es necesario reducir la dimensión, ya que se dispone de un espectro en lugar de un valor escalar para cada punto en el tiempo. Por esta razón, se calcula la integral para cada espectro FT-IR registrado dentro de los rangos de números de onda previamente definidos y se totalizan las integrales individuales. De este modo, el espectro se reduce a un valor por punto temporal y el cambio en la integral puede representarse gráficamente a lo largo del tiempo. Este cambio es representativo de los cambios químicos debidos al proceso de reticulación. La figura 3 (azul) muestra inicialmente las integrales analizadas para un proceso de encapsulación. Puede observarse que el valor de la integral disminuye continuamente hasta un tiempo de ciclo de 400 s hasta que finalmente se estanca. Si no se aprecia ningún cambio en la integral, se supone que la reticulación de la EMC se ha completado. Para obtener la curva de reticulación, la curva integral se normaliza entre cero y uno(Fig. 3 en rojo).

4.3 Comparación con el análisis dieléctrico

En los últimos años, el DEA se ha establecido para la medición in situ de la reticulación, mediante la cual se puede determinar el curso temporal de la reticulación normalizando la señal dieléctrica [6]. La figura 4 muestra la reticulación de la EMC analizada con el DEA (azul) y utilizando el sensor FT-IR (rojo) a lo largo del tiempo. El sensor FT-IR muestra el primer punto de medición en un tiempo de ciclo de 21 s, mientras que el DEA sólo es capaz de medir a partir de un tiempo de ciclo de 37 s. Por tanto, ambas curvas de reticulación aumentan con el tiempo hasta que finalmente se alcanza una meseta. La reticulación medida con el sensor FT-IR es mayor al principio en comparación con el DEA. La detección de grados bajos de reticulación parece ser más precisa con el sensor FT-IR, ya que el principio de medición se utiliza para medir cambios puramente químicos y la señal no se ve influida por efectos de fusión en comparación con la DEA. A un tiempo de ciclo de 82 s, la curva de reticulación de la DEA se cruza finalmente con la curva de reticulación de la señal FT-IR antes de que la curva dieléctrica alcance la meseta a un tiempo de ciclo de aprox. 255 s. Aquí, la reticulación analizada a partir de la señal infrarroja sólo muestra un grado de reticulación del 84%. El sensor de infrarrojos continúa mostrando cambios en el grado de reticulación hasta un tiempo de ciclo de 450 s. Esto indica que el sensor FT-IR puede utilizarse para detectar cambios químicos en los altos grados de reticulación que no pueden resolverse con el DEA.

Fig. 4: Cambio temporal analizado en el grado de reticulación del vEMC con DEA (azul) y FT-IR (rojo)

5 Resumen y perspectivas

El método aquí presentado ofrece un nuevo método para la monitorización in situ de la reticulación química de resinas epoxi en procesos de encapsulación utilizando espectros infrarrojos medidos durante el proceso. Calculando las integrales de los rangos de números de onda relevantes de los espectros infrarrojos por paso de tiempo, se determina una curva integral en el tiempo que es representativa de los cambios químicos en el proceso. La normalización posterior de la curva integral conduce a la curva de reticulación, que supuestamente puede resolver la reticulación de la resina epoxi de forma más sensible en comparación con la DEA convencional. Los cambios en la reticulación que no pueden resolverse con DEA pueden medirse, especialmente en altos grados de reticulación. Esto no sólo ofrece la posibilidad de optimizar el proceso, sino también de detectar reacciones químicas individuales como subprocesos del proceso global de reticulación durante el proceso de encapsulación.

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Bibliografía

Sasajima, H.; Watanabe, I.; Takamoto, M.; Dakede, K.; Itoh, S.; Nishitani, Y.; Tabei, J.; Mori, T.: New Development of Epoxy Molding Compound for Encapsulating Semiconductor Chips, Springer, (2009)
Komori, S.; Sakamoto, Y.: Development Trend of Epoxy Molding Compound for Encapsulation Semiconductor Chips, Springer, (2009)
Kaya, B.; Kaiser, J.; Becker, K.; Braun, T.; Lang, K.: Evaluation of the Dielectric Cure Monitoring of Epoxy Molding Compound in Transfer Molding Process for Electronic Packages, en IEEE Proceedings of the European Microelectronics Packaging Conference (EMPC), Friedrichshafen, Alemania, 14-16 de septiembre de 2015.
Krahnbühl, D.; Hood, D.; Rogozinski, J.; Meyer, A.; Neag, M.: Monitoring the changing state of a polymeric coating resin during synthesis, cure and use, Progress in Organic Coatings, Vol. 35, (1999), No. 1-4, pp. 101-107
Gerami, G.; Bagheri, R.; Darvishi, R.: Investigation of isothermal and dynamic cure kinetics of epoxy resin/nadic methyl anhydride/dicyandiamide by differential scanning calorimetry (DSC), Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 137, (2019), pp. 575-582
Franieck, E.; Fleischmann, M.; Hölck. O.; Kutuzova, L.; Kandelbauer, A.: Cure Kinetics Modeling of a High Glass Transition Temperature Epoxy Molding Compound (EMC) Based on Inline Dielectric Analysis, Polymers, vol. 13, (2021), n.º 11, 1734
Lee, H.: The Handbook of Dielectric Analysis and Cure Monitoring, Lambient Technologies LLC, Cambridge, EE. UU., (2017)
Niegisch, C.; Haag, S.; Braun, T.; Hölck, O., Schneider-Ramelow, M.: Espectroscopia infrarroja in situ para el análisis químico en procesos de envasado electrónico, En IEEE Proceedings of the 9th Electronics Systems-Integration Technology Conference (ESTC), Sibiu, Rumanía, 13-16 de septiembre de 2022.
Bienz, S.; Bigler, L.; Fox, T.; Maier, H.: Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 9.ª ed., Stuttgart: Georg Thiemeur, Alemania, (2017). Stuttgart: Georg Thieme Verlag, (2016)
Cholake, S.; Mada, M.; Raman, R.K.; Bai, Y.; Zhao, XL; Rizkalla, S.; Brandyopadhyay, S.: Quantitative analysis of curing mechanisms of epoxy resin by Mid- and ear-Fourier Transform Infra Red Spectroscopy, Def. Sci. Journal, Vol. 64, (2014), No. 3, pp. 314-321
Salzmann, M.; Blößl, Y.; Todorovic, A.; Schledjewski, R.: Usage of Near-Infrared Spectroscopy for Inline Monitoring the Degree of Curing in RTM Processes, Polymers, Vol. 13, (2021) No. 18, 3145, pp. 1-13
Schaaf, U.; Kugler, A.: Dispositivo y método para la producción de componentes recubiertos con un compuesto de moldeo al menos en determinadas zonas, (DE 10 2017 216 711 A1 2019.03.21). Oficina Alemana de Patentes y Marcas, (2019)