目前,集成電路(IC)向高集成化、布線細微化、芯片尺寸小型化及生產和使用環保化技術方向發展,隨之對IC封裝技術、封裝型式和封裝材料提出了更高的要求,傳統的環氧樹脂模塑料已不能滿足這些要求,必須開發高流動性、高耐熱、低應力和綠色環保的高性能封裝材料[1~3]。開發高性能封裝材料的途徑之一就是大幅度提高硅微粉含量,硅微粉含量提高對環氧樹脂復合材料的流動性影響很大,如何保證在高硅微粉含量的情況下環氧樹脂仍然具有良好的流動性是開發高性能封裝復合材料的關鍵。其中采用低黏度環氧樹脂基體和不同硅微粉粒徑填充是重要措施。本文從這兩個方面研究了大規模集成電路封裝用環氧樹脂復合材料的流動性,為開發高性能IC封裝材料提供借鑒。

1　實驗部分

1.1　實驗原料

鄰甲酚醛環氧樹脂:JF-45,無錫樹脂廠;JECN-801:江山江環化學工業有限公司;CYD:巴陵石化公司;聯苯型環氧樹脂:自制;球形硅微粉:2μm,3μm,5μm,10μm,20μm,浙江通達威鵬電氣有限公司;硅烷偶聯劑:KH-560,武大有機硅新材料股份有限公司。

1.2　實驗儀器

旋轉流變儀: Physica MCR301,奧地利AntonPaar;高速混合機:10L,張家港輕工機械廠;開放式塑煉機:SK-160,上海橡膠機械廠;注壓機:XS-ZY-100T,無錫旭升橡膠機械有限公司。

1.3　樣品制備

先進行硅微粉的表面處理,將計量后的硅微粉和硅烷偶聯劑放入高速混合機中,每次高速混合1 min,靜置1 min,連續混合三次,然后再加入其它的組分以同樣的方式進行混合,以提高混合效果和防止混合溫度升高。混合后的物料在雙輥開煉機上混煉,溫度為90℃~110℃,混煉時間3 min~5 min,輥速比1∶1·2(前∶后)。雙輥開煉后冷卻,經粉碎,然后過孔徑為0·154 mm的篩網(100 mesh),進行測試。

1.4　測試

熔融黏度采用旋轉流變儀進行,主機型號PhysicaMCR301,控溫系統為P-PTD200,測試系統為PP25平行平板,間隙0.5mm,測試溫度150℃,剪切速率掃描1 s-1~100 s-1,數據點8Pt./dec。 

       2　結果與討論

2.1　幾種基體環氧樹脂黏度對比

黏度對于聚合物的加工性有很大的影響,因此環氧樹脂的熔融黏度是環氧樹脂的重要性能指標之一。低熔融黏度可以降低封裝材料的內應力,使其具有高的填充性和可操作性,使封裝器件具有高的可靠性。本文使用Physica MCR301型旋轉流變儀考察了三種ECN和TMBP及其不同比例混合物在150℃時的熔體黏度,結果見Fig.1,Fig.2所示。

　　

 從Fig.1可以看出,巴陵石化的鄰甲酚醛環氧樹脂在150℃時的熔融黏度最高,約為1 Pa·s,江環化工公司的ECN最低,約0.7 Pa·s,而無錫樹脂廠的鄰甲酚醛環氧樹脂熔融黏度約0·8 Pa·s,與江環化工公司的ECN黏度相差不大。同時從Fig.1還可以看出,三種ECN的熔融黏度隨剪切速率的變化趨勢是一致的,即隨著剪切速率的增大,黏度下降很少,表現為近似牛頓流體行為。

從Fig.2可以看出,TMBP的熔融黏度極低,在150℃時約為0·02 Pa·s,而剪切速率對TMBP黏度的影響比對ECN的影響稍大一些,呈現假塑性流體行為。同時可以發現,隨著TMBP在ECN/TMBP共混物中的比例增大,熔融黏度也逐漸降低。TMBP含量40%時(質量分數,下同),熔融黏度降到0·15 Pa·s。因此可以采用TMBP來降低ECN的黏度,從而達到提高復合材料流動性的目的。

2.2　硅微粉填充量對黏度的影響

環氧模塑料中采用硅微粉作為填料,并且在環氧模塑料中含量高達60%~90%。硅微粉的主要作用是提高熱導率,降低熱膨脹系數和成型收縮率,還起到增強作用,提高可靠性。但同時會導致模塑料的黏度增加,降低成型性,所以填充量要選擇適當。不同硅微粉填充量對環氧樹脂體系熔融黏度的影響如Fig.3所示。

　　

 

從Fig.3可以看出,硅微粉填充量為60%的ECN環氧樹脂體系熔融黏度約為11·2 Pa·s(.γ=10 s-1),填充量為70%的ECN環氧樹脂體系熔融黏度為144·9 Pa·s(.γ=10 s-1),黏度提高了10倍,可見增大硅微粉含量對體系的黏度影響很大。同時,隨著剪切速率的增大,硅微粉含量為60%和70%的體系黏度變化趨勢較為相似。低含量的體系(硅微粉60%)表現為脹塑性流體行為(但仍然近似牛頓流體行為),而高含量的體系(硅微粉70%)黏度變化趨勢較復雜,先是在低剪切速率下呈現剪切變稀(假塑性流體)行為,而后在稍高的剪切速率下又表現為剪切變稠(脹塑性流體)行為,但在更高的剪切速率下,又變為假塑性流體。可見剪切速率對高硅微粉填充量環氧樹脂模塑料體系的熔融黏度影響較為復雜,這就要求集成電路的封裝工藝制定要科學和仔細。

2.3　硅微粉粒徑對黏度的影響

硅微粉的顆粒粒徑一般在0·1μm~70μm范圍內,中位粒徑d50=1μm~20μm。不同粒徑硅微粉對環氧樹脂體系熔融黏度的影響如Fig.4所示。從Fig.4可以看出,剪切速率對不同粒徑硅微粉填充后體系的熔融黏度影響較大。低剪切速率下(6 s-1),兩種體系均呈現“剪切變稠”現象,而且粒徑為2μm硅微粉填充體系的熔融黏度大大增加比粒徑為3μm的體系黏度大。從Fig.4還可以看出小粒徑的硅微粉填充體系,在低剪切速率下黏度小,在高剪切速率下黏度大,而大粒徑的硅微粉正好與此相反。因此對不同的封裝工藝,要填充不同粒徑的硅微粉。

3　結論

聯苯型環氧樹脂TMBP熔融黏度極低(0·0Pa·s,150℃),用TMBP與鄰甲酚醛環氧樹脂共混,可大大降低體系的黏度,從而提高硅微粉的填充量和大規模集成電路封裝材料的流動性。同時隨著硅微粉含量的增加,體系的熔融黏度大大增加。對高含量的硅微粉填充體系,隨著剪切速率的變化,其熔融黏度呈現復雜的變化趨勢,即在低剪切速率下,呈現“剪切變稀”的現象,在較高剪切速率下呈現“剪切變稠”現象,而在高剪切速率下又表現為“剪切變稀”行為;而且小粒徑硅微粉填充體系在低剪切速率下黏度小,而在高剪切速率下黏度大,大粒徑硅微粉填充體系正好與此相反。