一种高耐热模塑型环氧底填料及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及一种高分子材料领域,特别是一种高耐热模塑型环氧底填料。
背景技术
倒装芯片(flip chip,FC)技术在电子封装领域中已经应用了30多年。FC技术主要是为了满足电子器件小尺寸、高输入输出密度、高速度等应用需求而开发的。FC技术中广泛采用液体底填料(μnderfill)来填充焊球间以及焊球与芯片间的缝隙,从而可以有效避免由于芯片与基板间热膨胀系数(CTE)的差异而引起的可靠性问题。传统的毛细管型μnderfill(CΜF)存在固化时间长、生产效率低等问题,因此近年来逐渐被模塑型环氧底填料(molded μnderfill, MΜF)所替代。随着集成电路封装向着高密度化、高集成化、高速化方向的不断发展,MΜF除了肩负着传统的应力缓冲、绝缘等作用外,由于MΜF直接与芯片接触,因此需要其能够承受芯片发热而带来的一系列可靠性风险。因此,如何提高MΜF的耐热稳定性对于高性能电子器件的开发具有重要的意义。但目前为止,各种公开报道文献中很少涉及高耐热型MΜF材料的报道。
MΜF材料的开发与传统μnderfill以及环氧塑封料(epoxy molding compoμnds,EMC)的开发既具有相似点,又有其独特的方面。MΜF本质是一类复合材料,其中环氧-酚醛树脂体系作为连续相,而无机填料作为分散相。为了实现与基板以及芯片间CTE的匹配,MΜF组分中无机填料的体积分数要足够高,并且要具有高的堆积效率。同时,无机填料的含量又不能过高,否则会影响MΜF的高温流变特性。MΜF材料的耐热性主要与环氧树脂、酚醛树脂的种类以及最终固化物的交联密度等因素密切相关。现有技术中,为了提高EMC材料的耐热性能,往往在其组分中加入耐高温树脂,如双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯(CE)等。例如,EP1705199报道了一类耐高温EMC。其采用N,N’-4,4’-二苯甲烷双马来酰亚胺与邻烯丙基酚醛等组分来生成高度交联网络来提高EMC的耐热稳定性。但上述组分的加入对于EMC的流动性产生了较大的影响,无法应用于耐高温MΜF材料开发中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提出了一种具有固化物玻璃化转变温度高、力学性能优良、工艺性能优良的高耐热模塑型环氧底填料。本发明要解决的另外一个技术问题是所提供的高耐热模塑型环氧底填料的制备方法及其在包括汽车电子器件在内的大功率、高发热型倒装芯片封装中的应用。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的,一种高耐热模塑型环氧底填料,其特点是,包括如下重量百分比的原料制成:
耐热型环氧树脂 3~10%;
联苯型环氧树脂 0~5%;
耐热型酚醛固化剂 1~10%;
芳烷基型酚醛固化剂 0~5%;
无机填料 80~96%;
促进剂 0.01~0.5%;
偶联剂 0.1~1%;
脱模剂 0.1~1%;
着色剂 0.1~1%;
离子捕捉剂 0.1~1%;
低应力剂 0.01~0.5%。
耐热型环氧树脂或者酚醛固化剂通常含有体积庞大的芳香结构基团,如萘环、蒽环等,或者含有多个官能团。固化物分子结构中由于具有庞大的取代基或者较高的交联密度,因此在温度升高时,分子链不易发生运动,从而赋予MΜF材料良好的高温性能。
上述组成成分中,所述耐热型环氧树脂至少选自结构如式I所示的环氧树脂(环氧当量:204 g/eq),或者结构如式II所示的环氧树脂(环氧当量:162 g/eq), 或者结构如式III所示的环氧树脂(环氧当量:152 g/eq),或者结构如式IV所示的环氧树脂(环氧当量:100 g/eq)中的一种或几种按任何可适用的比例组成的混合物。
(式I)
(式II)
(式III)
(式IV)
上述组成成分中,所述联苯型环氧树脂选自结构如式V所示的环氧树脂。其中,R=-H或-CH3。
(式V)
上述组成成分中,所述的耐热型酚醛固化剂至少选自如式VI所示的酚醛树脂(羟基当量:214 g/eq,n=0-10),或者结构如式VII所示的酚醛树脂(羟基当量:100 g/eq,n=1-10;m=1-10)中的一种或者按任何可适用的比例组成的混合物。
(式VI)
(式VII)。
上述组成成分中,所述芳烷基型酚醛树脂包括对苯芳烷基型酚醛树脂、联苯芳烷基型酚醛树脂中的至少一种或者多种按任何可适用的比例组成的混合物。式VI或VII所示的酚醛树脂与芳烷基型酚醛树脂的比例为(50~100):(0~50),优选式VI或VII所示的酚醛树脂与芳烷基型酚醛树脂按照(80-100):(0~20)比例组成的混合物。
上述组成成分中,所述的促进剂选自咪唑类化合物,包括2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羟乙基咪唑中的至少一种,优选2-苯基-4-甲基-5-羟乙基咪唑;和有机膦化合物中的至少一种;所述有机膦化合物选自三苯基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦、三(壬基苯基)膦、四苯基膦-四苯基硼酸酯、三苯基膦-对苯醌加成物中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选三苯基膦-对苯醌加成物。
上述组成成分中,所述的偶联剂选自g-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、g-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、g-硫醇氨丙基三甲氧基硅烷(KH-580)中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选KH-560。
上述组成成分中,所述的脱模剂选自天然蜡(巴蜡等)、合成蜡(聚乙烯蜡等)、硬脂酸、棕榈酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸锂和硬脂酸镁中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选巴蜡和聚乙烯蜡。
上述组成成分中,所述的无机填料选自球形熔融型石英(SiO2)微粉,上述无机填料的中位粒径(d 50)不超过15 μm,最大粒径不超过30 μm。
上述组成成分中,所述的着色剂选自炭黑。
上述组成成分中,所述的低应力吸收剂选自有机聚硅氧烷型聚合物。
本发明提供的制备上述高耐热模塑型环氧底填料的方法,包括如下步骤:
将式I~IV所示耐热型环氧树脂、式V所示联苯型环氧树脂(如需要)、式VI~VII所示耐热型酚醛固化剂、所述芳烷基型酚醛树脂、所述促进剂、所述偶联剂、所述脱模剂、所述低应力剂、所述无机填料混匀后混炼,得到所述MΜF材料。所述混炼步骤中,温度为80-120℃,具体可为80-100℃、90-110℃或100-120℃,优选90-110℃。
在具体操作中,可将上述各组分按所需比例混合均匀,在挤出机中加热挤出混炼,得到均匀分散的混合物,冷却、粉碎后,在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的高耐热模塑型环氧底填料材料。
另外,上述本发明提供的高耐热模塑型环氧底填料在封装包括汽车电子器件在内的大功率、高发热型倒装芯片封装中的应用,也属于本发明的保护范围。
本发明通过采用耐热型和联苯型环氧树脂,耐热型酚醛固化剂等组分,在保障所制备高耐热模塑型环氧底填料在具有高耐热稳定性的前提下,还可赋予高耐热模塑型环氧底填料良好的流动性能和力学性能。与现有技术相比,本发明公开的高耐热模塑型环氧底填料具有玻璃化转变温度(T g)高、充填率高、力学性能优良等特征,可广泛用于包括汽车电子器件在内的大功率、高发热型倒装芯片的封装。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的,一种高耐热模塑型环氧底填料,其特点是,包括如下重量百分比的原料制成:
耐热型环氧树脂 3~10%;
联苯型环氧树脂 0~5%;
耐热型酚醛固化剂 1~10%;
芳烷基型酚醛固化剂 0~5%;
无机填料 80~96%;
促进剂 0.01~0.5%;
偶联剂 0.1~1%;
脱模剂 0.1~1%;
着色剂 0.1~1%;
离子捕捉剂 0.1~1%;
低应力剂 0.01~0.5%。
耐热型环氧树脂或者酚醛固化剂通常含有体积庞大的芳香结构基团,如萘环、蒽环等,或者含有多个官能团。固化物分子结构中由于具有庞大的取代基或者较高的交联密度,因此在温度升高时,分子链不易发生运动,从而赋予MΜF材料良好的高温性能。
上述组成成分中,所述耐热型环氧树脂至少选自结构如式I所示的环氧树脂(环氧当量:204 g/eq),或者结构如式II所示的环氧树脂(环氧当量:162 g/eq), 或者结构如式III所示的环氧树脂(环氧当量:152 g/eq),或者结构如式IV所示的环氧树脂(环氧当量:100 g/eq)中的一种或几种按任何可适用的比例组成的混合物。
(式I)
(式II)
(式III)
(式IV)
上述组成成分中,所述联苯型环氧树脂选自结构如式V所示的环氧树脂。其中,R=-H或-CH3。
(式V)
上述组成成分中,所述的耐热型酚醛固化剂至少选自如式VI所示的酚醛树脂(羟基当量:214 g/eq,n=0-10),或者结构如式VII所示的酚醛树脂(羟基当量:100 g/eq,n=1-10;m=1-10)中的一种或者按任何可适用的比例组成的混合物。
(式VI)
(式VII)。
上述组成成分中,所述芳烷基型酚醛树脂包括对苯芳烷基型酚醛树脂、联苯芳烷基型酚醛树脂中的至少一种或者多种按任何可适用的比例组成的混合物。式VI或VII所示的酚醛树脂与芳烷基型酚醛树脂的比例为(50~100):(0~50),优选式VI或VII所示的酚醛树脂与芳烷基型酚醛树脂按照(80-100):(0~20)比例组成的混合物。
上述组成成分中,所述的促进剂选自咪唑类化合物,包括2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羟乙基咪唑中的至少一种,优选2-苯基-4-甲基-5-羟乙基咪唑;和有机膦化合物中的至少一种;所述有机膦化合物选自三苯基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦、三(壬基苯基)膦、四苯基膦-四苯基硼酸酯、三苯基膦-对苯醌加成物中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选三苯基膦-对苯醌加成物。
上述组成成分中,所述的偶联剂选自g-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、g-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、g-硫醇氨丙基三甲氧基硅烷(KH-580)中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选KH-560。
上述组成成分中,所述的脱模剂选自天然蜡(巴蜡等)、合成蜡(聚乙烯蜡等)、硬脂酸、棕榈酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸锂和硬脂酸镁中的至少一种或多种按任何可适用的比例组成的混合物,优选巴蜡和聚乙烯蜡。
上述组成成分中,所述的无机填料选自球形熔融型石英(SiO2)微粉,上述无机填料的中位粒径(d 50)不超过15 μm,最大粒径不超过30 μm。
上述组成成分中,所述的着色剂选自炭黑。
上述组成成分中,所述的低应力吸收剂选自有机聚硅氧烷型聚合物。
本发明提供的制备上述高耐热模塑型环氧底填料的方法,包括如下步骤:
将式I~IV所示耐热型环氧树脂、式V所示联苯型环氧树脂(如需要)、式VI~VII所示耐热型酚醛固化剂、所述芳烷基型酚醛树脂、所述促进剂、所述偶联剂、所述脱模剂、所述低应力剂、所述无机填料混匀后混炼,得到所述MΜF材料。所述混炼步骤中,温度为80-120℃,具体可为80-100℃、90-110℃或100-120℃,优选90-110℃。
在具体操作中,可将上述各组分按所需比例混合均匀,在挤出机中加热挤出混炼,得到均匀分散的混合物,冷却、粉碎后,在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的高耐热模塑型环氧底填料材料。
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。本发明中所用式I所示萘型环氧树脂可购自日本DIC株式会社(商品名:HP-4770)、式II所示萘型环氧树脂可购自日本DIC株式会社(商品名:HP-4700)、式III所示萘型环氧树脂可购自日本DIC株式会社(商品名:HP-4032)、式IV所示多官能团型环氧树脂可购自美国CVC公司(商品名:Erisys GA-240)。所用式V所示联苯型环氧树脂购自日本三菱化学株式会社(商品名YX-4000H,环氧当量:186 g/eq)。所用式VI所示酚醛固化剂购自日本新日铁化学株式会社(商品名:SN-485,羟基当量:214 g/eq)。所用式VII所示酚醛固化剂购自日本air water株式会社(商品名:HE910-20,羟基当量:100 g/eq)。所述联苯型芳烷基型酚醛树脂可购自日本明和化成株式会社(商品名:MEH-7851SS,羟基当量:200 g/eq)。所述对苯型芳烷基型酚醛树脂可购自日本明和化成株式会社(商品名:MEH-7800SS,羟基当量:175 g/eq)。作为对比例的邻甲酚醛型环氧树脂可购自日本DIC株式会社(商品名:N-665-EXP-S,环氧当量:200g/eq)。
所用促进剂购自日本精工化学株式会社(商品名:TPP-BQ);所用偶联剂g-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)购自南京联硅化工有限公司或其他公司相关商业化产品;所用球形型熔融硅微粉购自日本Admatechs公司(商品名:SQ-CC69,中位粒径:5 μm);所用离子捕捉剂购自日本协和化学工业株式会社(商品名:DHT-4A);所用脱模剂购自美国Honeywell公司(商品名:AC316A);所用炭黑购自日本三菱化学株式会社(商品名:MA-600);所述有机硅低应力剂购自日本道康宁公司(商品名:SF-8421)。
MΜF充填性评价方法:采用超声波扫描显微镜(C-SAM或SAT,美国Sonoscan公司)考察封装后的芯片与基板间MΜF中的气泡有无情况,共封装30个芯片进行充填性考察。C-SAM扫描,芯片与MΜF间存在气泡的芯片数少于3个的为优,否则为差。采用的倒装芯片球栅阵列封装(FC-BGA)尺寸如下:芯片尺寸:5×5×0.2 mm;基板尺寸:20×20×0.5 mm;焊球间距:150 μm;芯片与基板间狭缝间距:70 μm。
螺旋流动长度测试:使用传递模塑机将MΜF材料注入模具中,注射温度:175 oC,注射压力:7.0 MPa,加压时间:120s,测试MΜF流动长度(cm)。
热性能采用美国TA公司Q400型热机械分析(TMA)仪测定。
力学性能采用美国Instron公司5967型万能试验机测定。
实施例1
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
耐热型环氧树脂(式I) 5.74%;
联苯环氧树脂(式V,R=-CH3) 1.5%
耐热型酚醛固化剂(式VII) 3.61%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA600) 0.3 %;
应力吸收剂(SF-8421) 0.05%
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
实施例2
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
耐热型环氧树脂(式II) 3.29%;
联苯环氧树脂(式V,R=-CH3) 1.5%
耐热型酚醛固化剂(式VI) 6.06%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA-600) 0.3%
低应力剂(SF-8421) 0.05 %;
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
实施例3
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
耐热型环氧树脂(式IV) 4.28%;
联苯环氧树脂(式V,R=-CH3) 1.5%
耐热型酚醛固化剂(式VII) 5.07%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA-600) 0.3%
低应力剂(SF-8421) 0.05 %;
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
实施例4
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
耐热型环氧树脂(式IV) 2.43%;
联苯环氧树脂(式V,R=-CH3) 1.5%
耐热型酚醛固化剂(式VI) 6.92%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA-600) 0.3%
低应力剂(SF-8421) 0.05 %;
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
对比例1
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
联苯环氧树脂(式V,R=-CH3) 5.59%
对苯芳烷基型酚醛树脂 5.26%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA-600) 0.3%
低应力剂(SF-8421) 0.05 %;
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
对比例2
MΜF材料的制备,原料选自如下重量百分数的组分:
邻甲酚环氧树脂 5.8%
对苯芳烷基型酚醛树脂 5.05%;
促进剂(TPP-BQ) 0.3%;
偶联剂(KH-560) 0. 2%;
脱模剂(AC316A) 0.2%;
离子捕捉剂(DHT-4A) 0.1%
着色剂(MA-600) 0.3%
低应力剂(SF-8421) 0.05 %;
球形熔融型石英粉(SQ-CC69) 88%。
将上述组分在挤出机中于100oC挤出混炼,得到均匀分散的MΜF,冷却、粉碎。在打饼机上打饼,得到所需尺寸大小的MΜF。另外将上述MΜF在传递模塑机中制成各种试样,进行各项性能测试,结果列于表1。
所制MΜF的TMA测试结果如附图1所示。
表1 实施效果
可以看出,本发明提供的MΜF无论是在耐热型、流动性、填充性以及固化性方面均优于现有技术MΜF(对比例1),对比例2采用的邻甲酚醛环氧树脂虽然可以提供高的耐热性,但其树脂熔体粘度较高,无法满足MΜF填充性要求。本发明提供的MΜF材料在汽车电子用大功率、小尺寸、高发热型倒装芯片型封装中具有良好应用前景。