硅微粉球形度對(duì)環(huán)氧模塑料熔體流動(dòng)性的影響

陳曉飛

（浙江華飛電子基材有限公司，浙江湖州 313000）

1 引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子元器件的作用越來越重要，呈現(xiàn)出更輕、更小、更快的發(fā)展趨勢(shì)。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，先進(jìn)的封裝技術(shù)扮演著越來越重要的角色，因此對(duì)電子封裝用環(huán)氧模塑料的流動(dòng)性也提出了更高的要求[1]。環(huán)氧模塑料的流動(dòng)性主要采用螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度和熔體粘度進(jìn)行評(píng)價(jià)。環(huán)氧模塑料是1種熱固性塑料，是1類重要的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，是電子封裝行業(yè)最主要的封裝材料[2-4]。在整個(gè)半導(dǎo)體封裝行業(yè)中，90%都采用塑料封裝，而在塑料封裝材料中，90%以上是環(huán)氧模塑料[5]。環(huán)氧模塑料的主要成分有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、固化促進(jìn)劑、硅微粉、應(yīng)力改性劑、蠟、炭黑等[6-8]。硅微粉是環(huán)氧模塑料的重要組成成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上[9]。集成電路的大規(guī)模和超大規(guī)模化發(fā)展對(duì)硅微粉也有了更高的要求，主要表現(xiàn)在超細(xì)化、高純度及球形度等方面。

由于美國(guó)等西方國(guó)家的技術(shù)封鎖，近年來電子封裝用硅微粉（尤其是球形硅微粉）的研究已成為國(guó)內(nèi)粉體研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[10]，但目前國(guó)內(nèi)外在硅微粉外部形貌對(duì)環(huán)氧模塑料熔體流動(dòng)性的影響方面仍少有報(bào)道。本文通過在環(huán)氧模塑料中添加不同粒度段的角形硅微粉的方式，考察了不同粒度段、不同球形度的硅微粉對(duì)環(huán)氧模塑料熔體流動(dòng)性的影響。

2 試驗(yàn)過程

2.1 原材料

本試驗(yàn)所用原材料的組成情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)用原材料的組成情況

2.2 設(shè)備及儀器

試驗(yàn)的設(shè)備及儀器有：高速混合機(jī)（SHR-10A，張家港市永利機(jī)械有限公司），雙螺桿擠出機(jī)（TDS-26，南京諾達(dá)擠出裝備有限公司），四柱液壓機(jī)（Y32-100，湖州鑫科鍛壓機(jī)床有限公司），毛細(xì)管流變儀（CFT-500D/100D，日本島津公司）。

2.3 硅微粉的配制

為研究硅微粉的球形度對(duì)環(huán)氧模塑料的熔體流動(dòng)性的影響，選用不同的熔融硅微粉單體進(jìn)行測(cè)試，分別為粗-1、粗-2、中-1、中-2、細(xì)-1和細(xì)-2。

硅微粉級(jí)配后添加至環(huán)氧模塑料中能充分發(fā)揮其填充效果，因此需要對(duì)上述硅微粉按一定的比例級(jí)配后進(jìn)行評(píng)價(jià)，級(jí)配的基本配比為：粗粉12份，中粉9份，細(xì)粉15份，其他球形硅微粉64份。硅微粉的具體配比如表2所示。

表2 硅微粉的配比 單位：份

2.4 環(huán)氧模塑料的制備

環(huán)氧模塑料的制備主要以環(huán)氧樹脂為基體，以酚醛樹脂為固化劑，再按一定比例加上級(jí)配好的硅微粉、促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑等其他組分，經(jīng)過高速攪拌、擠出、冷卻、粉碎、后混合等工藝制成待測(cè)的環(huán)氧模塑料。

環(huán)氧模塑料制備的配比如表3所示。按配比稱量好原材料，并按一定的順序添加到高速混料機(jī)中，采用常溫高速攪拌5 min后出料，將混合好的料通過擠出機(jī)進(jìn)行擠出，擠出時(shí)應(yīng)設(shè)定好加料速度、背壓、擠出機(jī)轉(zhuǎn)速及不同區(qū)域的溫度等重要控制參數(shù)。擠出后的半成品應(yīng)迅速放入冷柜中進(jìn)行冷藏，防止環(huán)氧模塑料固化。

表3 環(huán)氧模塑料制備的配比

檢測(cè)環(huán)氧模塑料的流動(dòng)性時(shí)，需將適量冷藏4 h以上的半成品通過研磨等方式進(jìn)行粉碎，并控制一定的細(xì)度，再將這些粉碎品混合后待測(cè)。

3 分析與討論

3.1 單體硅微粉分析

硅微粉具有介電性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)氧模塑料的重要組成成分，其外形對(duì)環(huán)氧模塑料的加工及物理性能有重要影響，因而對(duì)硅微粉的形貌進(jìn)行分析尤為必要。硅微粉單體粗-1、粗-2、中-1、中-2、細(xì)-1和細(xì)-2放大500倍的顯微鏡照片如圖1所示。

單體粗-1、中-1、細(xì)-1為純球形硅微粉，單體粗-2、中-2和細(xì)-2為純角形硅微粉。將硅微粉的球形度定義為純球形硅微粉在總的硅微粉中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則單體粗-1、中-1和細(xì)-1的球形度都為100%，而單體粗-2、中-2和細(xì)-2的球形度都為0%。級(jí)配好的硅微粉的球形度如表4所示。

圖1 硅微粉單體放大500倍的顯微鏡照片

表4 硅微粉的球形度

硅微粉的單體粗-1、粗-2、中-1、中-2、細(xì)-1和細(xì)-2的激光粒度和比表面積的測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

從表5中可以看出，單體粗-1和粗-2的激光粒度及比表面積基本一致，單體中-1和中-2的激光粒度及比表面積基本一致，單體細(xì)-1和細(xì)-2的激光粒度及比表面積也基本一致。

3.2 硅微粉球形度對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響

采用標(biāo)準(zhǔn)的螺旋流動(dòng)測(cè)試模具對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，稱取一定量的粉碎預(yù)混合后的環(huán)氧模塑料待測(cè)樣，在175℃、注射壓力為8 MPa的條件下，用四柱液壓機(jī)保壓120 s使其固化，熔體最終固化后的長(zhǎng)度即為螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度。

表5 各單體激光粒度及比表面積測(cè)試數(shù)據(jù)

螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度是環(huán)氧模塑料的1個(gè)重要指標(biāo)。螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度過短，該環(huán)氧模塑料在封裝時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)缺料、有氣孔、沖絲等問題；而螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則該環(huán)氧模塑料在封裝時(shí)可能會(huì)有溢料、飛邊、針孔等現(xiàn)象的發(fā)生。

硅微粉球形度對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響如圖2所示，角形表面積對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響如圖3所示。圖中的粗粉曲線是指角形粗粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度；中粉曲線是指角形中粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度；細(xì)粉曲線是指角形細(xì)粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度。

圖2 硅微粉球形度對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響

圖3 角形表面積對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響

從圖2可以看出，在相同球形度的硅微粉中，角形粗粉的加入對(duì)環(huán)氧模塑料螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響較小，而角形細(xì)粉的加入對(duì)環(huán)氧模塑料螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響較大。從圖3可以看出，角形硅微粉的表面積與環(huán)氧模塑料的螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度具有正向相關(guān)性，且在加入角形細(xì)粉時(shí)，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度曲線的變化更平緩。

3.3 硅微粉球形度對(duì)熔體粘度的影響

采用日本島津公司生產(chǎn)的CFT-500D/100D型毛細(xì)管流變儀對(duì)熔體粘度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將一定量的粉碎預(yù)混合后的環(huán)氧模塑料加熱熔融后，放置到預(yù)熱好的毛細(xì)管流變儀中，啟動(dòng)開關(guān)，按一定的速度把物料從口模中擠出，通過計(jì)算得到在不同剪切速率下的環(huán)氧模塑料的熔體粘度。

熔體粘度也是環(huán)氧模塑料的1個(gè)重要指標(biāo)。熔體粘度過大，該環(huán)氧模塑料在封裝時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生沖絲、注塑不足等問題；而熔體粘度過小，則該環(huán)氧模塑料在封裝時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)溢料、飛邊的現(xiàn)象。

硅微粉球形度對(duì)溶體粘度的影響如圖4所示，角形表面積對(duì)溶體粘度的影響如圖5所示。圖中粗粉曲線是指角形粗粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的熔體粘度；中粉曲線是指角形中粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的熔體粘度；細(xì)粉曲線是指角形細(xì)粉的加入引起的不同球形度和角形表面積所對(duì)應(yīng)的環(huán)氧模塑料樣品的熔體粘度。

圖4 硅微粉球形度對(duì)熔體粘度的影響

圖5 角形表面積對(duì)熔體粘度的影響

從圖4可以看出，在相同球形度的硅微粉中，角形粗粉的加入對(duì)環(huán)氧模塑料熔體粘度的影響較小，而角形細(xì)粉的加入對(duì)環(huán)氧模塑料熔體粘度的影響較大，且角形細(xì)粉的少量加入即對(duì)熔體粘度產(chǎn)生很大的影響。從圖5可以看出，角形硅微粉的表面積與環(huán)氧模塑料的熔體粘度具有反向相關(guān)性，且在加入角形細(xì)粉時(shí)，熔體粘度曲線的變化更平緩。

4 結(jié)論

本文通過在環(huán)氧模塑料中加入不同球形度的硅微粉，研究了硅微粉球形度的差異對(duì)環(huán)氧模塑料熔體流動(dòng)性的影響。環(huán)氧模塑料的流動(dòng)性主要是通過螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度與熔體粘度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度與熔體粘度這2個(gè)指標(biāo)是相輔相成的，在評(píng)價(jià)上具有一致性。等量角形粗料的加入對(duì)環(huán)氧模塑料的熔體流動(dòng)性影響較小，而角形細(xì)粉的加入對(duì)環(huán)氧模塑料的熔體流動(dòng)性影響較大。結(jié)合硅微粉的表面積看，角形細(xì)粉對(duì)環(huán)氧模塑料熔體流動(dòng)性的影響比較小，這應(yīng)該是由于角形粗粉的應(yīng)力比細(xì)粉更集中，而細(xì)粉在環(huán)氧模塑料中能起到潤(rùn)滑作用，有利于改善環(huán)氧模塑料的熔體流動(dòng)性。