環氧樹脂和酚醛樹脂對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

(江蘇華海誠科新材料有限公司，江蘇連云港222047)

環氧塑封料[1-6]又稱環氧模塑料（EMC：Epoxy Molding Compound），是集成電路后道封裝的主要原材料之一，其發展緊隨集成電路與封裝技術的發展步伐。隨著中國信息產業的大發展，帶動了中國半導體市場規模不斷擴大，中國半導體市場有著極大的容量，我國集成電路市場需求始終保持高速增長，國民經濟將繼續保持健康、快速、穩定的發展，社會信息化將會進一步加快推進。

構成半導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，它們與環氧塑封料的熱膨脹系數相差很大。加熱固化時，因熱膨脹系數的差異而使器件內部產生熱應力。應力的存在會導致塑封料開裂、表面鋁鈍化膜開裂，鋁布線滑動，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，塑封料的玻璃化轉變溫度及塑封料和器件內部材料的熱膨脹系數之差[7-8]。因此需要對塑封料的性能進行控制，而塑造封料的玻璃化轉變溫度、不同溫度下的應力應變形為以及沖擊強度相比較而言，尤其重要。

塑封料中含有硅微粉、環氧樹脂、酚醛樹脂、應力釋放劑、增塑劑、催化劑、脫模劑等，這些材料對塑封料的性能均有顯著影響，與此同時生產工藝是影響因子之一。其中聚合物占比約為10%～20%，是形成高分子網絡的主體材料，因此聚合物決定了環氧塑封料的基本性能。

本文從環氧塑封料中的聚合物中選取了不同的環氧樹脂、酚醛樹脂結構，研究了不同結構的環氧樹脂及酚醛樹脂對固化后的環氧塑封料的玻璃化轉變溫度、不同溫度下的應力應變形為以及沖擊強度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

選用普通鄰甲酚醛型、DCPD 型、MAR 型作為環氧樹脂的三個水平；選用普通鄰甲酚醛型、XYLOK 型、MAR 型作為酚醛樹脂的三個水平，進兩因素三水平全因子實驗。樹脂的結構分別如圖1、圖2所示，其生產廠家見表1。

表1 試驗用主要原材料及生產廠家

圖1 環氧樹脂結構式

圖2 酚醛樹脂結構式

1.2 試驗方法及步驟

將環氧樹脂、酚醛樹脂、催化劑及其他添加劑按質量比稱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的擠出轉速進行擠出，擠出后立即在冷卻帶上進行冷卻，粉碎后放入冷庫進行保存備用。

配方設計見表2。另外，本次試驗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，將餅料在高頻預熱機上預熱到約100 ℃，投入注塑孔內，傳遞模塑使之進入模具在模具內成型，脫模后在175 ℃的烘箱內后固化6 h。

表2 全因子DOE 正交試驗的配方設計

1.4 DMA（Dynamic Mechanical Analysis）的測定方法

本實驗中使用的儀器：DMA Q800 型動態熱分析儀，測試頻率1Hz，升溫速率3℃/min，測試溫度為25～265 ℃，測試方法為3 點變曲法，試樣尺寸為50 mm×13 mm×3 mm。測試結束后分析環氧塑封料的儲能模量，耗能模量和損耗角正切。本文中使用損耗角正切tanδ 的峰值來做為環氧塑封料的玻璃化轉變溫度Tg。見圖3所示。

圖3 環氧塑封料的典型的DMA 測試分析曲線

1.5 沖擊強度的測定方法

本實驗中使用的為簡支梁沖擊試驗機，樣塊為不帶缺口，尺寸為：127 mm×13 mm×6.35 mm，按照GB/T 1043-93 進行。試驗條件為室溫。

2 結果與討論

表3為本次全因子試驗的測試結果。

表3 全因子試驗的測試結果

從表3可以看出，所有樣品的室溫儲能模量均在24 000 MPa 到25 000 MPa，基本上沒有太大變化。這是由于環氧塑封料的填料含量為88%，在這個條件下，室溫儲能模量基本上由填料控制，聚合物的聚合程度對其影響較小。而高溫下的儲能模量、損耗模量的峰值、損耗角正切的峰值及沖擊強度受到聚合物的結構影響很大，這是因為不同的結構交聯固化后分子鏈長不同，在高溫下鏈段運動情況也不同，同時鏈段的強度由于結構的不同也有差異。

2.1 用主效應圖來分析環氧樹脂和固化劑對DMA的高溫模量和Tg 的影響。

由兩個主效應圖（圖4、圖5）可以說明，環氧樹脂和固化劑對175 ℃和260 ℃的儲能模量影響趨勢基本一致，環氧樹脂B 顯示較低的儲能模量，環氧樹脂C 略高，而環氧樹脂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 測試的耗能模量的峰值和tanδ 值的主效應圖與DMA 的高溫模量變化趨勢一致，環氧樹脂顯示的Tg 高低順序為：B＜C＜A，固化劑顯示的Tg 順序為：F＜E＜D，見圖6、圖7所示。

圖4 DMA 測試的175 ℃的儲能模量主效應分析圖

圖5 DMA 測試的260 ℃的儲能模量主效應分析圖

圖6 損耗角正切tanδ 峰值的主效應圖

由沖擊強度的主效應圖（見圖8）看出，環氧樹脂B 顯示最高的沖擊強度，C 次之，A 最低。固化劑顯示的沖擊強度順序為F 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圖

圖8 沖擊強度的主效應圖

在研究的樹脂體系中，環氧樹脂為B、固化劑為E 時，會得到最低的175 ℃和260 ℃的儲能模量，見圖9～圖13。

圖9 175 ℃下儲能模量的交互作用分析圖

圖10 260 ℃下儲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

當環氧樹脂為B，固化劑為F 時，得到的環氧塑封料沖擊強度最高，最低的耗能模量峰值和損耗正切tanδ 的峰值，即玻璃化轉變溫度Tg。

圖13 沖擊強度的交互作用分析圖

3 結 論

通過改變環氧樹脂和酚醛樹脂的結構對環氧塑封料的性能進行研究，得出以下結論：

環氧樹脂對Tg（玻璃化轉變溫度）的影響順序為：DCPD 型＜MAR 型＜普通的鄰甲酚醛型；酚醛樹脂對Tg 的影響順序為MAR 型＜XYLOK型＜普通鄰甲酚醛型。環氧樹脂對沖擊強度的影響順序：DCPD 型＞MAR 型＞普通鄰甲酚醛型；酚醛樹脂對沖擊強度的影響順序為：MAR 型＞XYLOK 型＞普通鄰甲酚醛型。當環氧樹脂為DCPD 型，酚醛樹脂為MAR 型時，得到的塑封料Tg 最低，沖擊強度最高。

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