環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂對(duì)塑封料性能影響的研究

侍二增，秦蘇瓊，李蘭俠，譚 偉，張 慧，劉紅杰

(江蘇華海誠(chéng)科新材料有限公司，江蘇連云港222047)

環(huán)氧塑封料[1-6]又稱(chēng)環(huán)氧模塑料（EMC：Epoxy Molding Compound），是集成電路后道封裝的主要原材料之一，其發(fā)展緊隨集成電路與封裝技術(shù)的發(fā)展步伐。隨著中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，帶動(dòng)了中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)有著極大的容量，我國(guó)集成電路市場(chǎng)需求始終保持高速增長(zhǎng)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)保持健康、快速、穩(wěn)定的發(fā)展，社會(huì)信息化將會(huì)進(jìn)一步加快推進(jìn)。

構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路器件的材料很多，如硅芯片、表面鈍化膜、引線框架等，它們與環(huán)氧塑封料的熱膨脹系數(shù)相差很大。加熱固化時(shí)，因熱膨脹系數(shù)的差異而使器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致塑封料開(kāi)裂、表面鋁鈍化膜開(kāi)裂，鋁布線滑動(dòng)，電性能變壞、界面處形成裂縫，耐濕性變差、封裝器件翹曲。影響塑封料在集成電路上的性能的因素有：塑封料的彈性模量，塑封料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及塑封料和器件內(nèi)部材料的熱膨脹系數(shù)之差[7-8]。因此需要對(duì)塑封料的性能進(jìn)行控制，而塑造封料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變形為以及沖擊強(qiáng)度相比較而言，尤其重要。

塑封料中含有硅微粉、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、應(yīng)力釋放劑、增塑劑、催化劑、脫模劑等，這些材料對(duì)塑封料的性能均有顯著影響，與此同時(shí)生產(chǎn)工藝是影響因子之一。其中聚合物占比約為10%～20%，是形成高分子網(wǎng)絡(luò)的主體材料，因此聚合物決定了環(huán)氧塑封料的基本性能。

本文從環(huán)氧塑封料中的聚合物中選取了不同的環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂結(jié)構(gòu)，研究了不同結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂對(duì)固化后的環(huán)氧塑封料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變形為以及沖擊強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

選用普通鄰甲酚醛型、DCPD 型、MAR 型作為環(huán)氧樹(shù)脂的三個(gè)水平；選用普通鄰甲酚醛型、XYLOK 型、MAR 型作為酚醛樹(shù)脂的三個(gè)水平，進(jìn)兩因素三水平全因子實(shí)驗(yàn)。樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示，其生產(chǎn)廠家見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用主要原材料及生產(chǎn)廠家

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)式

圖2 酚醛樹(shù)脂結(jié)構(gòu)式

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

將環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、催化劑及其他添加劑按質(zhì)量比稱(chēng)量后放入高速攪拌器中，在250 r/min下攪拌0.5 h，取出后24 r/min 的加料速度，240 r/min的擠出轉(zhuǎn)速進(jìn)行擠出，擠出后立即在冷卻帶上進(jìn)行冷卻，粉碎后放入冷庫(kù)進(jìn)行保存?zhèn)溆谩?/p>

配方設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。另外，本次試驗(yàn)的填料為球形硅微粉，添加量為88%。

1.3 DMA 及沖擊樣塊的制備

將環(huán)氧模塑料粉末在40 MPa 的壓力下壓制成直徑為40 mm 的餅料，將餅料在高頻預(yù)熱機(jī)上預(yù)熱到約100 ℃，投入注塑孔內(nèi)，傳遞模塑使之進(jìn)入模具在模具內(nèi)成型，脫模后在175 ℃的烘箱內(nèi)后固化6 h。

表2 全因子DOE 正交試驗(yàn)的配方設(shè)計(jì)

1.4 DMA（Dynamic Mechanical Analysis）的測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)中使用的儀器：DMA Q800 型動(dòng)態(tài)熱分析儀，測(cè)試頻率1Hz，升溫速率3℃/min，測(cè)試溫度為25～265 ℃，測(cè)試方法為3 點(diǎn)變曲法，試樣尺寸為50 mm×13 mm×3 mm。測(cè)試結(jié)束后分析環(huán)氧塑封料的儲(chǔ)能模量，耗能模量和損耗角正切。本文中使用損耗角正切tanδ 的峰值來(lái)做為環(huán)氧塑封料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。見(jiàn)圖3所示。

圖3 環(huán)氧塑封料的典型的DMA 測(cè)試分析曲線

1.5 沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)中使用的為簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，樣塊為不帶缺口，尺寸為：127 mm×13 mm×6.35 mm，按照GB/T 1043-93 進(jìn)行。試驗(yàn)條件為室溫。

2 結(jié)果與討論

表3為本次全因子試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。

表3 全因子試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出，所有樣品的室溫儲(chǔ)能模量均在24 000 MPa 到25 000 MPa，基本上沒(méi)有太大變化。這是由于環(huán)氧塑封料的填料含量為88%，在這個(gè)條件下，室溫儲(chǔ)能模量基本上由填料控制，聚合物的聚合程度對(duì)其影響較小。而高溫下的儲(chǔ)能模量、損耗模量的峰值、損耗角正切的峰值及沖擊強(qiáng)度受到聚合物的結(jié)構(gòu)影響很大，這是因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)交聯(lián)固化后分子鏈長(zhǎng)不同，在高溫下鏈段運(yùn)動(dòng)情況也不同，同時(shí)鏈段的強(qiáng)度由于結(jié)構(gòu)的不同也有差異。

2.1 用主效應(yīng)圖來(lái)分析環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑對(duì)DMA的高溫模量和Tg 的影響。

由兩個(gè)主效應(yīng)圖（圖4、圖5）可以說(shuō)明，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑對(duì)175 ℃和260 ℃的儲(chǔ)能模量影響趨勢(shì)基本一致，環(huán)氧樹(shù)脂B 顯示較低的儲(chǔ)能模量，環(huán)氧樹(shù)脂C 略高，而環(huán)氧樹(shù)脂A 為最高。固化劑F 顯示較低的高溫模量，E 次之，D 為最高。

DMA 測(cè)試的耗能模量的峰值和tanδ 值的主效應(yīng)圖與DMA 的高溫模量變化趨勢(shì)一致，環(huán)氧樹(shù)脂顯示的Tg 高低順序?yàn)椋築＜C＜A，固化劑顯示的Tg 順序?yàn)椋篎＜E＜D，見(jiàn)圖6、圖7所示。

圖4 DMA 測(cè)試的175 ℃的儲(chǔ)能模量主效應(yīng)分析圖

圖5 DMA 測(cè)試的260 ℃的儲(chǔ)能模量主效應(yīng)分析圖

圖6 損耗角正切tanδ 峰值的主效應(yīng)圖

由沖擊強(qiáng)度的主效應(yīng)圖（見(jiàn)圖8）看出，環(huán)氧樹(shù)脂B 顯示最高的沖擊強(qiáng)度，C 次之，A 最低。固化劑顯示的沖擊強(qiáng)度順序?yàn)镕 最高，E 次之，D 最低。

2.2 交互作用圖

圖7 損耗模量的峰值主效應(yīng)圖

圖8 沖擊強(qiáng)度的主效應(yīng)圖

在研究的樹(shù)脂體系中，環(huán)氧樹(shù)脂為B、固化劑為E 時(shí)，會(huì)得到最低的175 ℃和260 ℃的儲(chǔ)能模量，見(jiàn)圖9～圖13。

圖9 175 ℃下儲(chǔ)能模量的交互作用分析圖

圖10 260 ℃下儲(chǔ)能模量的交互作用分析圖

圖11 損耗模量峰值的交互作用分析圖

圖12 損耗角正切tanδ 峰值的交互作用分析圖

當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂為B，固化劑為F 時(shí)，得到的環(huán)氧塑封料沖擊強(qiáng)度最高，最低的耗能模量峰值和損耗正切tanδ 的峰值，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。

圖13 沖擊強(qiáng)度的交互作用分析圖

3 結(jié) 論

通過(guò)改變環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)氧塑封料的性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）的影響順序?yàn)椋篋CPD 型＜MAR 型＜普通的鄰甲酚醛型；酚醛樹(shù)脂對(duì)Tg 的影響順序?yàn)镸AR 型＜XYLOK型＜普通鄰甲酚醛型。環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響順序：DCPD 型＞MAR 型＞普通鄰甲酚醛型；酚醛樹(shù)脂對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篗AR 型＞XYLOK 型＞普通鄰甲酚醛型。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂為DCPD 型，酚醛樹(shù)脂為MAR 型時(shí)，得到的塑封料Tg 最低，沖擊強(qiáng)度最高。

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