环氧树脂和酚醛树脂对塑封料性能影响的研究

侍二增，秦苏琼，李兰侠，谭 伟，张 慧，刘红杰

(江苏华海诚科新材料有限公司，江苏连云港222047)

环氧塑封料[1-6]又称环氧模塑料（EMC：Epoxy Molding Compound），是集成电路后道封装的主要原材料之一，其发展紧随集成电路与封装技术的发展步伐。随着中国信息产业的大发展，带动了中国半导体市场规模不断扩大，中国半导体市场有着极大的容量，我国集成电路市场需求始终保持高速增长，国民经济将继续保持健康、快速、稳定的发展，社会信息化将会进一步加快推进。

构成半导体集成电路器件的材料很多，如硅芯片、表面钝化膜、引线框架等，它们与环氧塑封料的热膨胀系数相差很大。加热固化时，因热膨胀系数的差异而使器件内部产生热应力。应力的存在会导致塑封料开裂、表面铝钝化膜开裂，铝布线滑动，电性能变坏、界面处形成裂缝，耐湿性变差、封装器件翘曲。影响塑封料在集成电路上的性能的因素有：塑封料的弹性模量，塑封料的玻璃化转变温度及塑封料和器件内部材料的热膨胀系数之差[7-8]。因此需要对塑封料的性能进行控制，而塑造封料的玻璃化转变温度、不同温度下的应力应变形为以及冲击强度相比较而言，尤其重要。

塑封料中含有硅微粉、环氧树脂、酚醛树脂、应力释放剂、增塑剂、催化剂、脱模剂等，这些材料对塑封料的性能均有显著影响，与此同时生产工艺是影响因子之一。其中聚合物占比约为10%～20%，是形成高分子网络的主体材料，因此聚合物决定了环氧塑封料的基本性能。

本文从环氧塑封料中的聚合物中选取了不同的环氧树脂、酚醛树脂结构，研究了不同结构的环氧树脂及酚醛树脂对固化后的环氧塑封料的玻璃化转变温度、不同温度下的应力应变形为以及冲击强度的影响。

1 试验部分

1.1 试验原材料

选用普通邻甲酚醛型、DCPD 型、MAR 型作为环氧树脂的三个水平；选用普通邻甲酚醛型、XYLOK 型、MAR 型作为酚醛树脂的三个水平，进两因素三水平全因子实验。树脂的结构分别如图1、图2所示，其生产厂家见表1。

表1 试验用主要原材料及生产厂家

图1 环氧树脂结构式

图2 酚醛树脂结构式

1.2 试验方法及步骤

将环氧树脂、酚醛树脂、催化剂及其他添加剂按质量比称量后放入高速搅拌器中，在250 r/min下搅拌0.5 h，取出后24 r/min 的加料速度，240 r/min的挤出转速进行挤出，挤出后立即在冷却带上进行冷却，粉碎后放入冷库进行保存备用。

配方设计见表2。另外，本次试验的填料为球形硅微粉，添加量为88%。

1.3 DMA 及冲击样块的制备

将环氧模塑料粉末在40 MPa 的压力下压制成直径为40 mm 的饼料，将饼料在高频预热机上预热到约100 ℃，投入注塑孔内，传递模塑使之进入模具在模具内成型，脱模后在175 ℃的烘箱内后固化6 h。

表2 全因子DOE 正交试验的配方设计

1.4 DMA（Dynamic Mechanical Analysis）的测定方法

本实验中使用的仪器：DMA Q800 型动态热分析仪，测试频率1Hz，升温速率3℃/min，测试温度为25～265 ℃，测试方法为3 点变曲法，试样尺寸为50 mm×13 mm×3 mm。测试结束后分析环氧塑封料的储能模量，耗能模量和损耗角正切。本文中使用损耗角正切tanδ 的峰值来做为环氧塑封料的玻璃化转变温度Tg。见图3所示。

图3 环氧塑封料的典型的DMA 测试分析曲线

1.5 冲击强度的测定方法

本实验中使用的为简支梁冲击试验机，样块为不带缺口，尺寸为：127 mm×13 mm×6.35 mm，按照GB/T 1043-93 进行。试验条件为室温。

2 结果与讨论

表3为本次全因子试验的测试结果。

表3 全因子试验的测试结果

从表3可以看出，所有样品的室温储能模量均在24 000 MPa 到25 000 MPa，基本上没有太大变化。这是由于环氧塑封料的填料含量为88%，在这个条件下，室温储能模量基本上由填料控制，聚合物的聚合程度对其影响较小。而高温下的储能模量、损耗模量的峰值、损耗角正切的峰值及冲击强度受到聚合物的结构影响很大，这是因为不同的结构交联固化后分子链长不同，在高温下链段运动情况也不同，同时链段的强度由于结构的不同也有差异。

2.1 用主效应图来分析环氧树脂和固化剂对DMA的高温模量和Tg 的影响。

由两个主效应图（图4、图5）可以说明，环氧树脂和固化剂对175 ℃和260 ℃的储能模量影响趋势基本一致，环氧树脂B 显示较低的储能模量，环氧树脂C 略高，而环氧树脂A 为最高。固化剂F 显示较低的高温模量，E 次之，D 为最高。

DMA 测试的耗能模量的峰值和tanδ 值的主效应图与DMA 的高温模量变化趋势一致，环氧树脂显示的Tg 高低顺序为：B＜C＜A，固化剂显示的Tg 顺序为：F＜E＜D，见图6、图7所示。

图4 DMA 测试的175 ℃的储能模量主效应分析图

图5 DMA 测试的260 ℃的储能模量主效应分析图

图6 损耗角正切tanδ 峰值的主效应图

由冲击强度的主效应图（见图8）看出，环氧树脂B 显示最高的冲击强度，C 次之，A 最低。固化剂显示的冲击强度顺序为F 最高，E 次之，D 最低。

2.2 交互作用图

图7 损耗模量的峰值主效应图

图8 冲击强度的主效应图

在研究的树脂体系中，环氧树脂为B、固化剂为E 时，会得到最低的175 ℃和260 ℃的储能模量，见图9～图13。

图9 175 ℃下储能模量的交互作用分析图

图10 260 ℃下储能模量的交互作用分析图

图11 损耗模量峰值的交互作用分析图

图12 损耗角正切tanδ 峰值的交互作用分析图

当环氧树脂为B，固化剂为F 时，得到的环氧塑封料冲击强度最高，最低的耗能模量峰值和损耗正切tanδ 的峰值，即玻璃化转变温度Tg。

图13 冲击强度的交互作用分析图

3 结 论

通过改变环氧树脂和酚醛树脂的结构对环氧塑封料的性能进行研究，得出以下结论：

环氧树脂对Tg（玻璃化转变温度）的影响顺序为：DCPD 型＜MAR 型＜普通的邻甲酚醛型；酚醛树脂对Tg 的影响顺序为MAR 型＜XYLOK型＜普通邻甲酚醛型。环氧树脂对冲击强度的影响顺序：DCPD 型＞MAR 型＞普通邻甲酚醛型；酚醛树脂对冲击强度的影响顺序为：MAR 型＞XYLOK 型＞普通邻甲酚醛型。当环氧树脂为DCPD 型，酚醛树脂为MAR 型时，得到的塑封料Tg 最低，冲击强度最高。

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