根據不同應用 選擇各具特色酚醛環氧
從地坪漆、PCB油墨、層壓板到半導體模封材料
環氧樹脂是分子結構中帶有環氧基團的化合物，廣泛應用在複合材料、鑄件、油漆、油墨等。目前常見的合成方式為透過環氧氯丙烷與雙酚A進行縮和反應後而得之。而後環氧樹脂透過與固化劑反應成網狀結構，形成耐化性與強度都相當優異的固化產品，因此固化劑與樹脂本體都具有相當程度的重要性。近年來，由於大家對於永續與低碳的議題愈來愈關注，市場上也出現了生質碳的環氧樹脂，除了生質的附加價值外，也保持了與一般環氧相似的物理特性。
(延伸閱讀: 生物質環氧樹脂，綠色、低碳、符合趨勢的環保材料!!)
▲酚醛環氧樹脂在地坪漆的應用已相當成熟
而除了固化劑之外，環氧樹脂也常與無機填料搭配使用，藉以增強材料的強度並節省樹脂的使用，常見的填料有二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、陶瓷粉等。以封模材料之應用為例，可能的配方、固化條件以及相關物理特性如下:
模封材料應用 (Molding Compound)
| 項目 | 數值 | |
| 配方 (phr) | 標準型固態環氧樹脂 | 100 |
| DDM | 9.6 | |
| 硬脂酸鈣 | 3 | |
| 二氧化矽 | 250 | |
| 反應條件 | 混和(oC/min) | 25-57/5 |
| 老化(min at 80oC) | 43 | |
| 物理特性 | H.D.T(oC) | 105.5 |
| 巴氏硬度 | 52 | |
| 吸水率(1hr沸騰, wt.%) | 0.212 | |
| 抗彎強度(KG/mm2) | 12.7 | |
| 體積電阻(ohm-cm) | 1.7x1014 | |
*模封條件: 在150oC下壓力100-200KG/CM2 x 10 MIN
(延伸閱讀: 經濟型高導熱填料，球形氧化鋁製造方法的優缺點整理!!)
酚醛環氧樹脂由於在耐化性、耐熱性，以及較低的熱膨脹係數，具有均衡的物化特性及經濟可行性，被廣泛應用於電子電氣等領域，例如電子零件材料，層壓板等。而酚醛環氧可再細分為酚醛清漆環氧樹脂(PNE)與鄰甲酚酚醛環氧樹脂(CNE)。以下即為PNE與CNE兩大類分別做說明:
酚醛清漆環氧樹脂 (Phenol Novolac Epoxy, PNE)
酚醛清漆環氧是由環氧氯丙烷與酚醛樹脂反應合成，有良好的耐化、穩定與強度。但相較之下具有較差的彈性，較易碎裂。而若善用其優點，可應用於結構膠、層壓板、複合材料(遊艇、管路、汽車部件)、PCB防焊油墨(PSR Ink)等。
四種酚醛清漆環氧樹脂常見規格
| 類別 | 環氧當量(g/eq) | 黏度(25oC) | 色度(G) | 應用/特性 |
| A | 160-180 | 9,500-12,500 | <1 | 高耐熱、低黏度 |
| B | 165-185 | - | <3 | 高耐熱、低黏度 |
| C | 170-190 | - | <3 | 高耐熱 |
| D | 165-185 | 10,000-20,000 | <3 |
高耐熱、低黏度、FDA 21 CFR |
▲酚醛清漆環氧樹脂化學結構
鄰甲酚酚醛環氧樹脂 (o-Cresol Novolac Epoxy, CNE)
此類樹脂具有高耐熱與耐化學性，並可適用於需求高Tg與低CTE材料特性的相關應用。一個分子中具有多環氧官能能基，完全交聯，固化後具有優異的物理性能，可與聚胺(Polyamine), 聚氨基酰胺(Polyaminodamide), 羧基功能樹脂(Carboxylic)、酚醛樹脂(Phenolic)、酚醛樹脂(Phenol Novolac resin)、酸酐 (Anhydride)等固化劑進行固化反應。應用領域包含粉體塗料、PCB油墨等要求耐熱、耐化、防水等應用。同時在模封材料(EMC)、層板(Laminate)、底部填充膠(Underfill)等要求電氣性佳的應用上也具有一定的優勢。而隨著半導體技術的進步，低膨脹係數的材料要求也已成為目前主流的方向。
四種鄰甲酚酚醛環氧樹脂常見規格
| 類別 | 環氧當量(g/eq) | 軟化點(oC) | 氫化氯(ppm) | 色度(G) | 應用 |
| A | 190-210 | 50-54 | <350 | <2 | EMC, 層壓板, 塗料 |
| B | 200-212 | 60-65 | <350 | <2 | EMC, 層壓板, 塗料 |
| C | 190-220 | 85-95 | <350 | <2 | EMC, 層壓板, 塗料 |
| D | 190-220 | 95-100 | <350 | <2 | EMC, 層壓板, 塗料 |
▲鄰甲酚酚醛環氧樹脂化學結構
地坪漆/塗料 (Epoxy Floorings/ Coatings)
環氧樹脂由於具有獨特的耐化與機械性能，在商業上有著廣泛的可能性，其中於地坪漆的應用更是歷史悠久。環氧樹脂應用於地坪漆上的確是比其他類型更來的具有優勢，主要還是在於他的耐化與強度，造就更高度耐磨、耐用、具裝飾性等特點。主要用法為鋪設於混凝土材料上，經反覆以多層樹脂塗佈或澆注，最終等待完全固化後即形成牢固且永久的保護層。環氧樹脂地坪與環氧樹脂地坪漆厚度通常有所差異，於地坪應用上厚度通常在2-4mm，而地坪漆厚度通常在0.5-1mm。環氧樹脂地坪漆的類型:
- 環氧自流地坪: 平整光滑表面，主要用於車庫、運動場所、廚房、倉庫。
- 環氧砂漿地坪: 耐蝕抗衝擊，主要用於工廠、機械設備、倉庫、車庫。
- 石英填充環氧地坪: 防滑裝飾外觀，主要用於學校、展示大廳、辦公室。
- 環氧防靜電地坪: 消除潛在放電，主要用於存放任何易燃氣體或液體的場所、倉庫。
而根據樹脂地板協會(FeRFA)所提出的合成樹脂地板指引，根據不同種類，具有不同的承重能力與厚度。以下為幾種類常見的地坪類型:
| 類型 | 描述 | 承重 | 厚度 |
| 地板密封條 |
塗佈兩層或多層 一般為溶劑或水性 |
輕型 | 150um |
| 地坪塗料 |
塗兩層或多層 一般無溶劑 |
輕型/重型 | 150-30um |
| 高建漆地坪 |
塗兩層或多層 一般無溶劑 |
中型 | 300-1,000um |
| 多層地坪 | 由多層地坪塗層或自流地坪的鋪設 | 中型/重型 | >2 mm |
| 自流地坪 | 通常具有光滑的表面 | 中型/重型 | >2-3 mm |
| 樹脂砂漿地坪 | 通常包含表面密封塗層以減少孔隙 | 中型/重型 | >4 mm |
| 重型自流地坪 | 具有光滑的表面 | 重型/超重型 | 4-6 mm |
| 重型樹脂地坪 | 骨料填充的系統，使得整體有效不滲透 | 超重型 | >6 mm |
(資料來源: FeRFA, Guide to the specification and application of synthetic resin flooring)
塗料應用參考配方成分與物化特性
| 項目 | 數值 | ||
| 配方成分(wt.%) | 酚醛清漆環氧樹脂 | 32 | |
| 二氧化鈦 | 18 | ||
| 滑石 | 20 | ||
| 稀釋劑 | 11 | ||
| 添加劑 | 3 | ||
| 脂環胺固化劑 | 16 | ||
| 反應條件 | 混和A:B比例 (wt.%) | 84:16 | |
| 染料體積濃度 (%) | 30 | ||
| 體積固體份 (%) | 65 | ||
| 固化條件 | 25oC for 7 days | ||
| 物化特性 | 使用時間 | 4 hr 30 min | |
| 乾燥時間 | 指觸乾燥 | 2 hr | |
| 完全乾燥 | 7 hr 30 m | ||
| 肖氏硬度 | 77 | ||
| 抗磨性 (mg/weight loss) | 61 | ||
| 耐化特性 (25oC for 14 days) | 50% NaOH | 無起泡、軟化、膨脹、失去附著力 | |
| 酚 | |||
| 四氫呋喃 | |||
| 甲醇 | |||
防焊油墨/阻焊層(PSR Ink/ Solder Mask)
在印刷電路板上，為了保護銅線並防止短路，通常會塗上一層防焊油墨或稱為阻焊層，用以保護線路免於氧化或灰塵污垢的影響。而酚醛環氧樹脂由於具有相對較小的熱膨脹率，是最具優勢的防焊油墨材料之一。阻焊層通常可分為三大類:
- 環氧液態阻焊層(Epoxy Liquid Solder Mask)
此為阻焊層中最經濟的做法，利用絲網印刷覆蓋需要保護的區域。此法具有相當久的應用歷程，仍是印刷電路板大規模生產最具經濟效益的做法。
- 液體光成像阻焊層(Liquid Photo Solder Mask, LPSM/Liquid Photo Imageable, LPI):
通常使用環氧樹脂與環氧丙烯酸樹脂為主要配方，適用於印刷電路板較為不平坦的情境，可使用絲網印刷或塗佈方式於電路板上，常用於柔性與剛性電路板。由於LPI具有相當高的穩定性與精確性，可與電路板形成相當緊密的接觸，相當耐用，是目前最常用的阻焊層技術。
- 乾膜阻焊層(Dry Film Solder Mask, DFSM):
相較液體光成像來的昂貴，透過真空層壓將乾膜包覆在PCB板，然後曝光顯影，對於平坦的PCB板最具優勢，形成均勻的表面厚度。
環氧模封材料 (Epoxy Molding Compound, EMC)
環氧模封材料廣泛應用於電子消費、IC、車用電子、半導體元件等各類封裝領域。以半導體為例，從傳統導線架到球柵陣列的封裝，都是使用這類材料。而電子封裝可保護內部元件避免受到外界因素的影響(如水氣、灰塵)，維持產品的穩定性與良率。而隨著電子產品的微型化，封裝技術在更有限的空間需要更穩定的表現，EMC在微型的元件封裝也更顯重要。典型的模封材料通常由環氧樹脂、固化劑、添加劑、填料、催化劑等幾項成分，於高溫下固化完成，可參考以下配方與物理特性。
模封材料的參考配方成分與物理特性
| 項目 | 數值 | ||
| 配方 (wt.%) |
鄰甲酚酚醛環氧樹脂 二氧化矽微粉 酚醛樹脂 TPP 增韌劑 其他添加劑 total |
16 70 8.5 0.3 2 3.2 100 |
|
| 物理特性 | 漩渦流動長度(inch) | 33.5 | |
| 膠化時間(sec) | 26.9 | ||
| 樹脂滲出(mm) | 1.43 | ||
| 硬度 | 88 | ||
| 彎曲強度(Kgf/mm2) | 14.5 | ||
| 彎曲係數(Kgf/mm2) | 1,388 | ||
| 純度 | Cl- (ppm) | 4.5 | |
| Fe+ (ppm) | 2.2 | ||
| Na+(ppm) | 3.3 | ||
(延伸閱讀: 低氯環氧樹脂 (1): 在電子電氣領域產品開發上常應用的特性 !!)
層壓板(Laminate)
酚醛環氧樹脂由於具有卓越的耐化、耐熱、耐磨、防潮等特性，同時在複合材料領域上，比起聚氨脂具有更輕且堅固的獨特表現，所以在層壓板上的應用也是相當常見。透過不同的組合與設計，可以將環氧樹脂與其他材料搭配並製造出擁有相當高強度並耐用的產品。常見的產品如: 船板、汽車部件、電機電氣設備絕緣部件等。
更進一步的，環氧層壓板也廣泛用於PCB產業的銅箔基板(Copper Clad Laminate, CCL)內, 如FR-3, FR-4, FR-5 CEM-1, CEM-2, CEM-3, CEM-4等基板都會使用到環氧層壓板作為其中的素材。
▲酚醛環氧樹脂具有良好的耐化與物性
應用在層壓板的參考配方成分與物理特性
| 項目 | 比例 | |
| 配方 |
鄰甲酚酚醛環氧樹脂 MEK DDS BF3MEA BDMA 稀釋劑 |
100 25 - 63.6 1.1 - |
| 反應條件 | B-Stage(oC/min) | 130/10 |
| Press(Kg/cm2/oC/min) | 15/170/120 | |
| 物理特性 | 巴氏硬度 | 70 |
| 抗彎強度(Kg/mm2) | 54.2 | |
| 拉伸強度(Kg/mm2) | 39.5 | |
| 體積電阻(ohm-cm) | 1.59x1016 | |
| 樹脂含量(%) | 36.7 | |
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