CN103771423B

CN103771423B - 电子封装用球形填料及制造方法

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Publication number: CN103771423B
Application number: CN201310680515.6A
Authority: CN
Inventors: 董雁国; 李芳�; 侯风亮; 朱树峰; 陈刚; 赵育华
Original assignee: CMP TIANJIN Co Ltd
Current assignee: CMP TIANJIN Co Ltd
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103771423A

Abstract

本发明公开了一种电子封装用球形填料，含有二氧化硅作为主成分，二氧化硅的含量在99.5%～99.99%，平均粒径为2～40um,球形度为0.90或以上,吸水率为0.06重量%或以下。本发明的填料采用火焰熔融法制造，其包括把以SiO2为主成分、二氧化硅的纯度含量在99.0%～99.9%，且平均粒径为1.5～40um的粉末粒子在火焰中熔融而使其球状化的工序。本发明所得填料，具有特定的成分组成和平均粒径，并且球形度好，因此具有流动性好而且热膨胀系数小、吸水率小的特点。因此，采用该塑封料进行电子封装时，得到的电子元器件冲模好，表面光滑，提高了电子元器件的使用功效和使用寿命。

Description

电子封装用球形填料及制造方法

技术领域

本发明涉及一种填料及其制造方法，特别涉及一种可以在塑封料、灌封胶、贴片胶、包封料等电子封装中使用的球状填料及其制造方法。

背景技术

起初作为填料被广泛使用的是结晶硅微粉。由于结晶硅微粉是矿产品，因此其形态为不规则的角形，缺乏流动性，填充性差。所以由结晶硅微粉构成的塑封料流动长度较短，从而电子元器件的缺陷增多，使电子产品的使用功效减损、使用寿命降低。另外，由于结晶硅微粉本身的热膨胀系数较高，因电子产品使用时间较长而引起内部温度升高，因此结晶硅微粉作为填料的使用性能差。作为解决上述问题的手段，在例如特开平10-368341号公报中公开了一种熔融球形二氧化硅的生产方法，它是将破碎硅与硅微粉混合后进行球化生产的，以及在例如特开平2004-320451号公报中公开了一种球形熔融二氧化硅的生产方法，它是用湿法生产方式得到球形熔融硅微粉。但是，所得到的球形硅微粉球形度均不高，因此流动性能和填充性不理想，对电子元器件的封装效果改善不明显。还有，由于使用的是湿法，因此只能得到少量的球形硅微粉，不能满足市场对球形硅微粉大量的需求。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种电子封装中使用的球状填料及其制造方法，解决现有技术中电子元器件的封装填料流动性差、填充性不理想的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种电子封装用球形填料，含有二氧化硅作为主成分，二氧化硅的含量在99.5%～99.99%，平均粒径为2～40um,球形度为0.90或以上,吸水率为0.06重量%或以下。

优选平均粒径为2～25um，且球形度为0.94或以上。优选吸水率为0.04重量%或以下。

一种电子封装用球形填料，其含有60重量％或以上的上述的球状填料，余下填料为流动性低的公知填料，如角形硅微粉。

一种电子封装用球形填料的制造方法，采用火焰熔融法制造，其包括把以SiO2为主成分、二氧化硅的纯度含量在99.0%～99.9%，且平均粒径为1.5～40um的粉末粒子在火焰中熔融而使其球状化的工序。所述火焰熔融法采用氧气作为载气，往火焰中投入粉末粒子，在载气中分散后进行。其中燃料对氧气的比以容量比计1.01～1.25。载气中的粉体浓度为0.1～25kg/Nm3。粉末粒子在投入火焰中时，通过筛网或振动筛网以提高其分散性。

本发明的有益效果为：本发明所得填料，具有特定的成分组成和平均粒径，并且球形度好，因此具有流动性好而且热膨胀系数小、吸水率小的特点。因此，采用该塑封料进行电子封装时，得到的电子元器件冲模好，表面光滑，提高了电子元器件的使用功效和使用寿命。

附图说明

图1是实施例1得到的球形填料的电子扫描显微镜图片(倍率：1000倍)；

图2是比较例1得到的球形填料的电子扫描显微镜图片(倍率：1000倍)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

作为本发明的球形填料的主成分即SiO₂的成分，从提高流动性的角度出发，优选为99.5～99.99重量%，更优选为99.8～99.99重量%。其球形度优选为0.90或以上，更优选为0.94或以上，进一步优选为0.98或以上。

另外，作为本发明的球形填料的吸水率(重量%)，从抑制因塑封料封装电子元器件吸收填料内部水分而引起的化学腐蚀导致电子产品失效的角度出发，优选为0.06重量%或以下，更优选为0.04重量%或以下，进一步优选为0.02重量%或以下。吸水率可以按照JISA1109的细骨料的吸水率测定方法来测定。

球形填料当采用火焰熔融法调制时，与采用该方法以外的烧成方法调制的填料相比，其吸水率在相同球形度的条件下通常会下降。

还有，本发明的球形填料中可以含有的作为主成分以外的成分例如可以举出：Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、K₂O、MgO、TiO₂、CaO等金属氧化物。它们作为初始原料加以使用，例如来源于后述的原料。当含有Al₂O₃和Fe₂O₃时，从降低球形填料的热膨胀系数的角度出发，作为它们的含量，以总量计优选为0.32%重量或以下。另外，Fe₂O₃的含量根优选为0.02重量%或以下，进一步优选为0.01重量%或以下。当含有Na₂O和K₂O时，作为其含量，各自优选为0.018%重量或以下，更优选为0.012重量%或以下。当含有MgO、TiO₂和CaO时，作为它们的含量，以总量计优选为0.024重量%或以下，更优选为0.018重量%或以下。

本发明的球形填料的平均粒径(um)为2～40um的范围。低于2um时，塑封料的混炼制造过程中粘度增大，流动性变差，因而不是优选。另一方面，如果超过40um，塑封料的填料量会降低，性能改善不明显且成本更高，因而是不优选的。

所述平均粒径可以按照以下方法求得。也就是说，从球形填料的粒子投影断面看，球形度为1时直接测定直径(um)，而当球形度小于1时，测定随机取向的球形填料粒子的长轴径(um)和短轴径(um)，并求出(长轴径+短轴径)/2，对于任意的100个球形填料粒子，将分别得到的值进行平均，该平均值便设定为平均粒径(um)。长轴径和短轴径的定义如下所述：使粒子在平面上处于稳定，用2根平行线夹住所述粒子在平面上的投影像时，该平行线的间隔变为最小的粒子的宽度称为短轴径，另一方面，用该平行线的垂直方向上的2根平行线夹住粒子时的距离称为长轴径。

还有，球形填料粒子的长轴径和短轴径可以利用光学显微镜或扫描电子显微镜获得该粒子的图像，然后将得到的图片进行图像解析而求得。另外，球形度的求出方法是，通过对得到的图像进行图像解析求得该粒子的粒子投影断面的面积和该断面的周长，然后计算[具有和粒子投影断面的面积(um²)相同面积的真圆的圆周长(um)]/[粒子投影断面的周长(um)]，再对任意50个球形填料离子，将分别得到的值进行平均。

另一方面，本发明的球形填料的球形度为0.94或以上时，如果该球形填料在与角形硅微粉等流动性低的公知的填料的混合物中优选含有60重量%或以上，则由该混合物构成的填料可以充分发挥本发明所期望的效果。也就是说，如果在如上所述的公知的型砂中缓慢添加本发明的球形填料，则随着添加量的增加能够发挥本发明所期望的效果，但在由所述混合物构成的填料中，含有60重量%或以上的具有所述预定球形度的本发明的球形填料时，其效果变得明显。还有，作为由该混合物构成的填料中的球形度为0.94或以上的本发明的球形填料的含量，更优选为75重量%或以上，进一步优选为90重量%或以上。因此，作为本发明的球形填料，从其具有良好的利用性的角度出发，球形度为0.94或以上是特别合适的。另外，含有60重量%或以上该球形填料的填料，可以发挥和本发明的球形填料相同的效果，因此这样的填料也包括在本发明中。

本发明球形填料可以采用火焰熔融法制造，也可以采用例如化学合成方法，VMC方法、等离子体法等公知的方法来制造。

采用火焰熔融法获得本发明的填料具有球形度高、非晶态的结构特征。该结构特征大大有助于提高流动性、填充量，降低了塑封料的热膨胀系数。

本发明的球形填料的制造方法包括如下工序：把以SiO₂为主成分、二氧化硅的纯度含量在99.0%～99.9%，且平均粒径为1.5～40um的粉末粒子作为初始原料，将该粉末粒子在火焰中熔融而使其球状化。

在作为初始原料的所述粉末粒子中，从为了使所得到的球形填料中的SiO₂总量为99.5重量%或以上这样的角度考虑，作为主成分的SiO₂以总量计的含量，优选为99.0重量%或以上，更优选为99.3重量%或以上，进一步优选为99.5重量%或以上，特别优选为99.8重量%或以上。作为平均粒径，从获得单分散球形填料的角度出发，为1.5um或以上，从获得具有所期望的球形度的填料的角度出发，为40um或以下，为满足上述两者，为2～40um。另外，从提高所得到的填料球形度的角度出发，优选为2～35um。还有，关于原料粉末粒子的平均粒径，虽然角形粉末变成球形时粒径会增大，但本来是球形的粉末的粒径不会发生变化，因此只要在上诉范围即可。

为了获得本发明的球形填料，作为初始原料的粉末粒子，在考虑熔融时的成分蒸发后，SiO₂的成分和平均粒径应调整到上述范围内再使用。

当结晶作为初始原料的粉末粒子时，如果该粒子中含有水分，由于该水分在高温下发生了蒸发，得到的填料中就会伴随该水分的蒸发而形成很多开孔。该开孔的形成将导致填料的吸水率增加和球形度下降。因此，作为初始原料的含水率(重量%)，从把得到的球形填料的吸水率和球形度调节为适当范围的角度出发，优选为0.2重量%或以下，更优选为0.18重量%或以下，进一步优选为0.15重量%或以下。含水率通过10g粉末粒子在105℃保温2小时后的减少量来测定。

初始原料例如可以从具有一定粒度分布的天然矿产原料和煅烧原料之中加以选择。在把作为初始原料的粉末粒子在火焰中熔融从而球形化的工序中，使上述的初始原料分散于氧等载气中，然后投入到火焰中熔融，从而进行球形化。在适宜的方案中，投入到下述火焰中。

使用的火焰是使甲烷、丙烷、丁烷、天然液化气、液化石油气、煤油、轻油、等燃料和氧气一起燃烧而产生的。从完全燃烧的角度考虑，燃料对氧气的比以容量比计优选1.01～1.25。从产生高温的火焰的角度出发，以使用氧和气体燃烧器为宜。对燃烧器的结构并没有特别的限定，可以例举特开平7-48118号公报、特开平11-132421号公报、特开2000-205523号公报或特开2000-346318号公报中所公开的燃烧器。

在对本发明的制造方法所使用的、具有处在1.5～40um范围的平均粒径的所述原料粉末进行球形化方面，以下的方法是适用的。

往火焰中投入粉末粒子，在载气中分散后进行。作为载气，氧是适合使用的。这时，载气氧的优点是可以用于燃料燃烧而消耗。从确保粉末粒子的充分的分散性的角度出发，气体中的粉体浓度优选为0.1～25kg/Nm³，更优选0.5～20kg/Nm³。

在投入火焰中时，优选通过筛网、振动筛网等，以提高其分散性。

另外，粉末粒子在使氮气惰性气体等电离产生的等离子体喷射火焰中，也可以很好地熔融而发生球形化。

采用以上的方法能够获得本发明所期望的球形填料。该填料具有非常优良的流动性。还有，如上所述，将本发明的球形填料和公知的填料适当混合以使其含有一定比例的该球形填料，由此可以获得能够发挥和本发明的球形填料同等效果的填料。在塑封料的制造中使用这些填料时，可以提高添加量，因此这些球形粉作为填料能够有效地提高流动性。

本发明的球形填料以及由该填料和公知的填料的混合物构成的填料(以下将上述的填料简称为本发明的填料)适用于环氧塑封料、包封料、灌封料等电子封装领域。另外，还可以用做化妆品、牙膏、油墨、特种橡胶、特种陶瓷等中的填料。

本发明的填料可以单独地或者和结晶硅微粉等其它公知的填料组合，与树脂、固化剂、偶联剂、固化促进剂、脱模剂、着色剂、应力缓释剂等物质混炼后，得到所期望的电子封装用塑封料。

从获得高流动性的电子封装用塑封来料的角度出发，作为填料的用量，占整个物料总量的60～90%，甚至更多。如上所述得到的填料，具有流动性好而且热膨胀系数小。因此，采用该塑封料进行电子封装时，得到的电子元器件冲模好，表面光滑，提高了电子元器件的使用功效和使用寿命。

从用于电子封装用塑封料的制造的角度出发，作为本发明的填料的粒度分布，优选1～75um的范围。当希望更高流动性的塑封料时，作为粒度分布，优选1～53um的范围。处在该范围的粒度分布，能够获得紧实的堆积密度并且流动性好的塑封料。粒度分布可以根据光散射原理制造的激光粒度仪进行测定。

实施例1

以SiO₂含量为99.5重量%、平均粒径为20um、含水率为0.14重量%的硅微粉为初始原料，用氧气作为载气，在使液化石油气(丙烷气体)以对氧气比(容量比)为1.05进行燃烧的火焰(约2600℃)中投入该粉末，便得到单分散的球形填料。得到的填料SiO₂含量为99.6重量%，平均粒径为21um，球形度为0.95，吸水率为0.03重量%，真密度为2.20g/cm³。该填料的电子显微镜图片(倍率：1000倍)如图1所示。从该图可知：所有的填料粒子都是球形。

实施例2

除了将平均粒径选定为10um、含水率为0.16重量%外，用和实施例1同样的操作得到单分散的球形填料。得到的填料SiO₂含量为99.6重量%，平均粒径为10um，球形度为0.95，吸水率为0.03重量%，真密度为2.19g/cm³。

实施例3

除了将平均粒径选定为25um、含水率为0.16重量%外，用和实施例1同样的操作得到单分散的球形填料。得到的填料SiO₂含量为99.6重量%，平均粒径为28um，球形度为0.94，吸水率为0.02重量%，真密度为2.21g/cm³。

实施例4

以SiO₂含量为99.3重量%、平均粒径为15um、含水率为0.15重量%的硅微粉为初始原料，用和实施例1同样的操作得到单分散的球形填料。得到的填料SiO₂含量为99.5重量%，平均粒径为16um，球形度为0.95，吸水率为0.02重量%，真密度为2.19g/cm³。

实施例5

以SiO₂含量为99.8重量%、平均粒径为5um、含水率为0.18重量%的硅微粉为初始原料，用和实施例1同样的操作得到单分散的球形填料。得到的填料SiO₂含量为99.8重量%，平均粒径为7um，球形度为0.96，吸水率为0.03重量%，真密度为2.20g/cm³。

比较例1

使用正硅酸乙酯、乙醇和浓氨水合成SiO₂含量为99.7重量%、平均粒径为0.5um、含水率为85重量%的硅微粉为初始原料，用喷雾干燥机使之成为平均粒径为5um的呈球形的粉末粒子。在电炉中于1050℃将其预烧1小时，由此得到球形填料。该球形填料SiO₂含量为99.7重量%，平均粒径为5um，球形度0.88，吸水率为1.3重量%，真密度为2.33g/cm³。该填料的电子显微镜图片(倍率：1000倍)如图2所示。从该图可知：本填料粒子的形状真球度低，球形度低。

比较例2

使用正硅酸乙酯、乙醇和浓氨水合成SiO₂含量为99.7重量%、平均粒径为2um、含水率为81重量%的硅微粉为初始原料，用喷雾干燥机使之成为平均粒径为5um的呈球形的粉末粒子。在电炉中于1050℃将其预烧1小时，由此得到球形填料。该球形填料SiO₂含量为99.7重量%，平均粒径为5um，球形度0.84，吸水率为2.8重量%，真密度为2.39g/cm³。

试验例

对实施例1、2、3、4以及5和比较例1、2所得到的的填料的球形度、以及由该填料得到的塑封料的流动性和热膨胀系数进行了研究。

(1)填料的球形度

使用Hitachi S-4800仪器，得到填料的SEM图片，利用画像解析的方法求得球形度。

(2)塑封料的流动性

将填料与树脂、固化剂、偶联剂、固化促进剂、脱模剂、着色剂、应力缓释剂等物质在开炼机上混炼后，得到电子封装用塑封料。接着，使用75t压机测定塑封料的流动长度(mm)(固化计时30s，转进计时35s，转进压力2.5Mpa，合模压力10Mpa)。流动长度越长，说明塑封料的流动性越好。

(3)塑封料的热膨胀系数

将混炼得到的塑封料进行成形(15mm×100mm)，接着，使用热膨胀系数测定仪进行测试。

以上各试验结果如表所示。

表1

从表1所示的结果可知：与比较例1、2的填料相比，实施例1、2、3、4和5的填料具有较好的球形度。对于所得到的塑封料，具有优良的流动性能，而且热膨胀系数相比更低。用由实施例1、2、3、4和5的填料制造的塑封料封装电子元器件，在温度变化明显的情况下，尺寸不会随之变化，使用性能更加稳定。

以上本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的普通施工技术人员均能理解，在实际应用中，本发明中各部件的设置方式均可能发生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变及其相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电子封装用球形填料，其特征在于，含有二氧化硅作为主成分，二氧化硅的纯度含量在99.5％～99.99％，平均粒径为2～40um，球形度为0.90或以上，吸水率为0.06重量％或以下，真密度是2.20±0.05g/cm³。

2.根据权利要求1所述电子封装用球形填料，其特征在于，其中平均粒径为2～25um，且球形度为0.94或以上。

3.根据权利要求1所述电子封装用球形填料，其特征在于，所述吸水率为0.04重量％或以下。

4.一种电子封装用球形填料，其特征在于，当球形度为0.94或以上时，其含有60重量％或以上的权利要求1所述的球状填料。

5.一种权利要求1所述的球形填料的制造方法，其特征在于，采用火焰熔融法制造，其包括把以SiO₂为主成分、二氧化硅的纯度含量在99.0％～99.9％，且平均粒径为1.5～40um，含水率为0.18重量％或以下的粉末粒子在火焰中熔融而使其球状化的工序。

6.根据权利要求5所述电子封装用球形填料的制造方法，其特征在于，所述火焰熔融法采用氧气作为载气，往火焰中投入粉末粒子，在载气中分散后进行。

7.根据权利要求6所述电子封装用球形填料的制造方法，其特征在于，其中燃料对氧气的比以容量比计1.01～1.25。

8.根据权利要求7所述电子封装用球形填料的制造方法，其特征在于，载气中的粉体浓度为0.1～25kg/Nm³。

9.根据权利要求5所述电子封装用球形填料的制造方法，其特征在于，粉末粒子在投入火焰中时，通过筛网或振动筛网以提高其分散性。