CN102408681B - 一种封装用复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封装用复合材料及其制造方法，复合材料包括60-90％(wt)的无机粉体的填料，10％-40％(wt)的粘合固结用的有机组份，而填料为按选定的径值组合和径重组合混匀的2-5种粒径值的无机粉体；在无机粉体表面与有机组份之间包括由长链烷基硅烷偶联剂参与形成的偶联层。本发明能够通过合适搭配不同粒径的无机填料，有效降低无机填料在有机体系中分散粘度、从而增加其流动性，使在相同粘度或相同成型条件下可填充更多的无机填料，进而降低封装成本、提高封装效率，提高封装的导热率、降低封装的热膨胀系数；采用新型偶联剂能够增加粉体表面改性效果，显著提高无机填料与有机组份间的相容性、界面间结合力，降低复合材料及封装整体的吸水率。

Description

一种封装用复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料，更具体地说，本发明涉及一种元器件密封绝缘用的复合材料及其制造方法。 

背景技术

电子封装的目的包括：把电子元器件或集成电路的各个内部构件按规定的要求合理布置、组装、键合、连接，然后用封装材料使其内部与外部环境隔离开来得到保护，以防止水分、尘埃及有害气体侵入和损害电子器件或集成电路的内部，还兼具减缓震动，防止外力损伤和稳定元件参数等作用。 

随着现代电子信息技术飞速发展，对电子产品的小型化、便携化、多功能和高可靠性等提出了越来越高的要求。芯片集成度的迅速增加，必然导致器件内部发热量增加，电路的工作温度不断上升。然而，元器件封装成型后，由于不同材料之间线膨胀系数不同，成型固化收缩导致封装器件内部产生热应力，将造成器件封装的强度下降、耐热冲击差、开裂离层等缺陷。因此，开发一种既具有高导热系数、低热膨胀系数又具有良好电学、力学等综合性能的新型封装材料，使电子元器件能在正常的温度范围内稳定地工作就显得非常迫切和重要。 

按材质的不同，电子封装可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装。其中：陶瓷和金属封装为气密性封装，可靠性高，但由于价格昂贵而主要用于航空、航天及军事领域；塑料封装由于价格相对比较便宜，成型工艺简单，适合大规模生产，具有可靠性与金属和陶瓷封装相当等优点，已占到整个封装材料的95％以上。 

目前塑料封装用复合材料中的有机组份多以邻甲酚醛环氧树脂为基体，其在实际生产和产品中日益暴露出如下问题：1.固化时，因环氧复合材料的热膨胀系数大于芯片等金属材料，使集成电路内部产生热应力，容易导致集成电路 的损坏；2.芯片集成度的增加使电子器件工作时产生越来越大的发热量，若复合材料组成中树脂组分比例过高，必然会导致电子器件散热困难，进而影响到电路的可靠性；3.表面安装过程中，焊接工序会使集成电路表面温度超过200℃，如果集成电路处于吸湿状态，高温使集成电路内部水分汽化，产生较大的蒸汽压，将导致集成电路内部剥离或整体开裂。要解决以上问题，就需要封装材料具有：1.较低的热膨胀系数；2.较高的导热系数；3.较低的吸水率。 

如果增加复合材料中无机粉体填料的比例，就可起到降低膨胀系数和提高导热系数的作用，但无机填料同时也降低了塑封料成型时的流动性，从而提高封装所需压力，增加了工艺难度；无机填料比例的增加还会使材料更具亲水性，使得塑料封装的吸水率提高。 

发明内容

针对传统技术的上述问题，本发明提供一种封装用复合材料及其制造方法，其具有如下优点：能够通过合适搭配不同粒径的无机填料，有效降低无机填料在有机体系中分散粘度、从而增加其流动性，使在相同粘度或相同成型条件下可填充更多的无机填料，进而降低封装成本、提高封装效率，提高封装的导热率、降低封装的热膨胀系数；采用新型偶联剂能够增加粉体表面改性效果，显著提高无机填料与有机组份间的相容性、界面间结合力，降低复合材料及封装整体的吸水率。 

为此，本发明的技术解决方案之一是一种封装用复合材料，而其包括60-90％(wt)的无机粉体的填料，10％-40％(wt)的粘合固结用的有机组份，所述填料为按选定的径值组合和径重组合混匀的2-5种粒径值的无机粉体，选定径重组合即：对选定径值组合中的各粒径值赋予不同重量比例的搭配、即形成不同填料级配，在所有填料级配与硅油具有同一重量比率前提下、将各填料级配的填料分别与达其总重量20-40％(wt)的硅油搅拌混匀，以各填料级配的运动粘度最小者为选定的级配填料；而在无机粉体表面与有机组份之间包括由长链烷基硅烷偶联剂参与形成的偶联层；所述有机组份为混炼产物，混炼原料包括邻甲酚醛环氧树脂、酚醛树脂、增韧剂、阻燃剂。 

为了在尽可能高的填料流动性下，同时获得较低的热膨胀系数、较高的导热系数，传统封装复合材料采用数学模型计算得出填料的级配组合比例，然而，由于不同厂家不同批次所产填料的粒径分布、各种因素千差万别、各不相同，因此，传统封装填料利用数学模型计算得出的级配组合与实验结果往往偏差甚 远，在实际中总是难以在实现高的填料流动性的同时，获得较低的热膨胀系数、和较高的导热系数；而且，也不能同时获得较低的吸水率。针对传统封装复合材料的缺点，本发明人独到地意识到：在粉体与浆料的二元体系中，体系的分散粘度即运动粘度越小表征体系空隙率越大，体系的运动粘度最小表征体系具有最大空隙率，进而推证：此即粉体自身具备最大堆积密度的表征和结果。基于此，本发明人独创性地以粒径径值组合、和粉体总重量对体系之比率均予确定为前提，采用与有机组份各种性能相似的硅油作为模拟有机组份、用硅油与无机粉体的混合物作为模拟的二元体系，在以上模拟条件下测试多种填料级配的体系运动粘度、选定其中运动粘度最小者为具备最大堆积密度的填料级配。 

显而易见，本发明以充分合乎实际的条件确定了最大堆积密度填料的径值组合和径重组合，因而，能够获得最高填料流动性下的最大堆积密度，相应地也就能够获得更低的热膨胀系数、更高的导热系数；与此同时，本发明独创地开发的长链烷基的硅烷偶联剂，可利用其中存在柔性较好的长链烷基，与有机组份中的环氧树脂、酚醛树脂、石蜡等有机成分更好地缠绕相容，所以经本发明偶联剂改性的粉体在与有机组份熔融混合时有较小的粘度，利于粉体填充量的提高；而且，长链烷基硅烷偶联剂对填料的改性，还能显著提高填料与有机组份间的相容性，从而提高有机-无机界面间结合力，降低材料及封装整体的吸水率。 

总而言之，本发明改性粉体制得的封装材料具有较好的成型流动性，相同粘度及流动性和相同成型条件下可填充更多的填料，可使封装材料固化后获得更低的材料吸水率、更高的导热率，更低的热膨胀系数，从而提高封装器件的耐热性，耐应力开裂性等一系列可靠性；还能降低封装成本、提高封装效率。实施例实测数据充分证明本发明封装用复合材料能够同时满足以上多种改进的效果。 

为了进一步提高有机组份与无机粉体的组配功能效果、优化复合材料的微 观结构及稳定性，本发明复合材料还包括如下改进： 

所述无机粉体为结晶型硅微粉；所述硅烷偶联剂的分子中长链烷基的主链碳原子数为12-18。 

所述有机组份为混炼产物，混炼原料包括邻甲酚醛环氧树脂、酚醛树脂、增韧剂、阻燃剂。 

相应地，本发明的另一技术解决方案是一种如上所述封装用复合材料的制造方法，以无机粉体作为填料本体，所述制造方法包括填料级配选择、填料表面改性、填料与有机组份预混、填料与有机组份熔融混合、振动磨粉碎、料饼制作和固化成型步骤，而所述填料级配选择步骤包括如下过程： 

选定径值组合即：选定一种填料包括2-5种粒径值的组合； 

选定径重组合即：对选定径值组合中的各粒径值赋予不同重量比例的搭配、即形成不同填料级配，在所有填料级配与硅油具有同一重量比率前提下、将各填料级配的填料分别与达其总重量20-40％(wt)的硅油搅拌混匀，然后分别检测已混匀硅油的各填料级配的运动粘度，以运动粘度最小者为选定的级配填料； 

本发明制造方法基于如下独到认识：粉体/浆料二元体系分散粘度即运动粘度最小表明体系空隙率最大，反证其中的粉体径值组合和径重组合构成了最小的堆积空隙率、即最大堆积密度；进而，独创性地采用与有机组份各种性能相似的硅油作为模拟有机组份、用硅油与无机粉体的混合物模拟实际封装复合材料的二元体系，在统一所有待测粉体粒径径值组合及其总重量在体系中重量比率基础上，测试多种填料级配即径重组合在模拟二元体系中之运动粘度，选定其中运动粘度最小者、即得到最大堆积密度的填料级配；因此本发明方法能够充分合乎实际地确定最大堆积密度填料的径值组合和径重组合，亦即获得最大堆积密度的填料配比；因而能制得更低膨胀系数、更高导热系数的填料和复合材料；再加本发明方法独创地开发出的长链烷基硅烷偶联剂的配合，本发明粉 体在与有机组份熔融混合时，就能够较大提高粉体填充量，降低材料及封装整体的吸水率。 

总而言之，本发明方法首先根据生产实践经验、粉体分级生产设备水平、市场以及成本等要素，确定某型封装复合材料中粉体的径值组合，然后，按照本发明独创的方法再选定粉体的径重组合，从而获得流动性/堆密度俱佳的填料级配，由此制得的封装材料具有较好的成型流动性，相同粘度或相同成型条件下可填充更多的填料，可使封装材料固化后获得更低材料的吸水率、更高的导热率，更低的热膨胀系数，从而提高封装器件的耐热性，耐应力开裂性等一系列可靠性。实施例实测数据充分证明本发明封装用复合材料能够同时满足以上多种改进的效果。 

为了进一步配合本发明的粉体表面改性的特殊要求、进一步改善产品功能，本发明制造方法还包括如下改进： 

所述填料表面改性步骤包括：将长链烷基硅烷偶联剂配制而成的偶联剂溶液加入选定的级配填料中，充分混合后进行烘干，制得表面改性填料。 

本发明方法的上述步骤，进一步采用独创性的长链烷基硅烷偶联剂对粉体填料表面予以充分的改性，使得其后与有机组份混炼时，偶联剂中的柔性较好的长链烷基，能够与有机组份中的环氧树脂、酚醛树脂、石蜡等有机成分更好地缠绕相容，所以，经本发明偶联剂改性的粉体在与有机组份熔融混合时有较小的粘度，利于粉体填充量进一步提高；而且，长链烷基硅烷偶联剂还能显著提高填料与有机组份间的相容性，从而提高有机-无机界面间结合力，降低材料及封装整体的吸水率。 

为了进一步提高本发明方法的选择客观性、工艺效果、提高产品功能，本发明制造方法还包括如下改进： 

所述无机粉体为结晶型硅微粉；所述填料级配选择步骤中，所述硅油的粘度为200-500cps，所述级配填料与硅油的搅拌混匀是在室温下进行0.75-1.25小 时。 

为了进一步提高本发明方法的工艺条件客观性、改善产品性能，本发明制造方法还包括如下改进： 

所述填料级配选择步骤中，选定的径值组合包括5μm、10μm、20μm、30μm、40μm其中2种或以上粒径值的组合；所述运动粘度为旋转运动下的旋转粘度。 

为了进一步优化本发明填料表面改性步骤的生产效率、工艺效果、提高复合材料的工艺性能和使用性能，本发明制造方法还包括如下改进： 

所述填料表面改性步骤中，所述偶联剂溶液是由占溶液总重12-16％的长链烷基硅烷偶联剂与无水乙醇配制而成。所述填料表面改性步骤中，所述偶联剂溶液占粉体重量的比例为1％-10％，长链烷基硅烷偶联剂用量占粉体重量的比例为0.1％-2％。 

所述填料表面改性步骤中，所述选定级配填料与所述偶联剂溶液的充分混合是经由罐磨机进行，罐磨机转速控制为15-70转/分，罐磨时间4-9小时，烘干温度为100-130℃，烘烤时间为3-9小时。 

为了进一步优化本发明方法相关步骤的生产效率、工艺效果、提高复合材料的工艺性能和使用性能，本发明制造方法还包括如下改进： 

所述预混步骤中，先将有机组份中的环氧树脂，酚醛树脂研磨粉碎，过60-100目筛，之后筛下的有机组份与表面改性后填料一起使用罐磨机分散混合，混合时间为4-8小时；所述熔融混合步骤中，使用双辊开炼机对预混后物料进行熔融混合，熔融混合温度为95-125℃，熔融混合时间为3-5分钟。 

本发明中粒径的测试分级采用筛分法、沉降法、电阻法、激光法、电镜法等多种方法，优选采用电阻法、激光法、电镜法进行。 

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。 

具体实施方式

本发明方法预先恒定填料的径值组合/填料相对硅油的重量比；然配制多种径重组合；再逐一测试多种径重组合的运动粘度，并逐一测试各径重组合的堆积密度，得出其中最低运动粘度者的径值组合及径重组合，即证实且选定为最大堆积密度的最佳填料级配。具体过程如下实施例1、2所示。 

表1实施例1及相应比较例 

表2实施例2及相应比较例 

表3实施例1与比较例1、2封装复合材料性能对比： 

表4实施例2与比较例3、4封装复合材料性能对比： 

(表3、4中性能检测方法参照SJ/T 11197环氧模塑料标准。) 

由上实施例1、2与比较例1、2、3、4封装复合材料性能对比可见，本发明封装用复合材料及其制造方法创造性地搭配不同粒径的无机填料和采用新型偶联剂，有效降低无机填料在有机体系中分散粘度、增加其流动性，在相同粘度或相同成型条件下可填充更多无机填料，从而获得较高导热率、较低膨胀系数，显著提高无机填料与有机组份间的相容性、界面间结合力，降低了复合材料及整体封装的吸水率。 

Claims (9)

1.一种封装用复合材料，其特征在于：其包括60-90％(wt)的无机粉体的填料，10％-40％(wt)的粘合固结用的有机组份，所述填料为按选定的径值组合和径重组合混匀的2-5种粒径值的无机粉体，选定径重组合即：对选定径值组合中的各粒径值赋予不同重量比例的搭配、即形成不同填料级配，在所有填料级配与硅油具有同一重量比率前提下、将各填料级配的填料分别与达其总重量20-40％(wt)的硅油搅拌混匀，以各填料级配的运动粘度最小者为选定的级配填料；而在无机粉体表面与有机组份之间包括由长链烷基硅烷偶联剂参与形成的偶联层；所述有机组份为混炼产物，混炼原料包括邻甲酚醛环氧树脂、酚醛树脂、增韧剂、阻燃剂。

2.如权利要求1所述封装用复合材料，其特征在于：所述无机粉体为结晶型硅微粉；所述硅烷偶联剂的分子中长链烷基的主链碳原子数为12-18。

3.一种如权利要求1-2之一所述封装用复合材料的制造方法，以无机粉体作为填料本体，所述制造方法包括填料级配选择、填料表面改性、填料与有机组份预混、填料与有机组份熔融混合、振动磨粉碎、料饼制作和固化成型步骤，其特征在于：

所述填料级配选择步骤包括如下过程：

选定径值组合即：选定一种填料包括2-5种粒径值的组合；

选定径重组合即：对选定径值组合中的各粒径值赋予不同重量比例的搭配、即形成不同填料级配，在所有填料级配与硅油具有同一重量比率前提下、将各填料级配的填料分别与达其总重量20-40％(wt)的硅油搅拌混匀，然后分别检测已混匀硅油的各填料级配的运动粘度，以运动粘度最小者为选定的级配填料。

4.如权利要求3所述封装用复合材料的制造方法，所述填料表面改性步骤包括：将长链烷基硅烷偶联剂配制而成的偶联剂溶液加入选定的级配填料中，充分混合后进行烘干，制得表面改性填料。

5.如权利要求3所述封装用复合材料的制造方法，其特征在于：所述无机粉体为结晶型硅微粉；所述填料级配选择步骤中，所述硅油的粘度为200-500cps，所述级配填料与硅油的搅拌混匀是在室温下进行0.75-1.25小时。

6.如权利要求3所述封装用复合材料的制造方法，其特征在于：所述填料级配选择步骤中，选定的径值组合包括5μm、10μm、20μm、30μm、40μm其中2种或以上粒径值的组合；所述运动粘度为旋转运动下的旋转粘度。

7.如权利要求4所述封装用复合材料的制造方法，其特征在于：所述填料表面改性步骤中，所述偶联剂溶液是由占溶液总重12-16％的长链烷基硅烷偶联剂与无水乙醇配制而成，所述偶联剂溶液占粉体重量的比例为1％-10％，长链烷基硅烷偶联剂用量占粉体重量的比例为0.1％-2％。

8.如权利要求4所述封装用复合材料的制造方法，其特征在于：所述填料表面改性步骤中，所述选定级配填料与所述偶联剂溶液的充分混合是经由罐磨机进行，罐磨机转速控制为15-70转/分，罐磨时间4-9小时，烘干温度为100-130℃，烘烤时间为3-9小时。

9.如权利要求3述封装用复合材料的制造方法，其特征在于：所述预混步骤中，先将有机组份中的环氧树脂，酚醛树脂研磨粉碎，过60-100目筛，之后筛下的有机组份与表面改性后填料一起使用罐磨机分散混合，混合时间为4-8小时；所述熔融混合步骤中，使用双辊开炼机对预混后物料进行熔融混合，熔融混合温度为95-125℃，熔融混合时间为3-5分钟。