CN110804284A - 一种高强度lcp基板封装材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂70‑80份、杂化填料7‑10份、聚乙烯蜡4‑5份；该封装材料由如下步骤制成：第一步、转矩流变仪预混；第二步、将预混物放入平板硫化机内，先热压再冷压，制得所述封装材料。本发明的封装材料采用LCP作为基体物质，并采用杂化填料对LCP基体进行高效填充，以微晶玻璃粉和碳纳米管形成的胶囊结构复合填料，能够更加均匀分布于LCP基体中，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，均匀分布于基体发挥导电导热和增强作用，使得到的封装材料具有优良的导电导热性能、高强度和高气密性，适用于集成电路的封装。

Description

一种高强度LCP基板封装材料及其制备方法

技术领域

本发明属于集成电路封装技术领域，具体地，涉及一种高强度LCP基板封装材料及其制备方法。

背景技术

目前，集成电路主要有两种封装方式：一种是采用PCB基板作为衬底的塑封封装，另一种是采用高温共烧陶瓷的多层陶瓷封装。二者采用完全不同的封装材料和工艺，陶瓷封装可以实现气密封装，但是成本高，制造工艺复杂，加工周期长，而且由于陶瓷基板的导体材料采用的是Mo或W，内埋高频信号传输线时损耗很大，导致陶瓷封装在毫米波等高频电路特别是需要内埋射频传输线时的使用受到限制。塑封的优点是成本低，但是由于无法实现气密封装，限制了塑封封装在高可靠集成电路中的应用。

液晶聚合物(LCP)是一种介电常数低，损耗小，并且其热稳定性高、机械强度大、吸湿率低、综合性能优异的新型基板材料，可实现无源、有源器件的埋置和集成，适合应用于高频、宽频、超薄要求的系统封装中。因此，LCP基板封装材料在集成电路上具有极大的发展空间。

专利号为CN201410579319.4的中国发明专利公开了一种基于LCP基板的封装外壳及制备方法，其包括一个多层LCP基板组成层层压形成的层压结构；相邻的LCP基板组成层之间通过各中间粘结层结合；LCP基板组成层包括位于层压结构最底层的底部焊盘层，位于层压结构中部的芯片装片层，位于层压结构顶层的密封层，密封层之下与密封层结合的键合层；LCP基板组成层还包括设在底部焊盘层和芯片装片层之间的至少一层布线互联层，设在键合层与芯片装片层之间的至少一层布线互联层；该层压结构的各层间通过过孔实现电气连接。其采用了空腔结构和具有几乎气密性的LCP材料，可实现近似气密封装，但是该LCP基板封装材料在强度上仍有所欠缺，不能满足高强度环境下的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度LCP基板封装材料及其制备方法，采用LCP作为基体物质，形成热稳定性高、机械强度大、吸湿率低、综合性能优异的基板材料，并采用杂化填料对LCP基体进行高效填充，以微晶玻璃粉和碳纳米管形成的胶囊结构复合填料，加入至LCP基体中，能够更加均匀分布于LCP基体中，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，二者复合后均匀分布于基体内，发挥导电导热和增强作用，使得到的封装材料具有优良的导电导热性能以及高强度和高气密性，适用于集成电路的封装。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂70-80份、杂化填料7-10份、聚乙烯蜡4-5份；

该封装材料由如下步骤制成：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12-15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190-200℃，先预热5-6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12-13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

进一步地，所述液晶高分子聚合物树脂为聚-2-溴对苯二甲酸-2-正己基-1,4-亚苯酯、4-羟基苯甲酸-2,6-羟基萘甲酸无规共聚物或4-羟基苯甲酸-间苯二甲酸-对苯二酚无规共聚物。

进一步地，所述杂化填料包括微晶玻璃粉和碳纳米管，微晶玻璃粉和碳纳米管的质量比为3:1。

进一步地，所述杂化填料由如下方法制备：

1)将淀粉分散在去离子水中，置于磁力搅拌器下加热至沸腾，煮沸10min，形成质量分数为10％的淀粉水溶液；

2)趁热加入碳纳米管，在高速剪切机内以10000r/min转速剧烈搅拌10min形成充分分散的悬浮液；

碳纳米管与淀粉水溶液的用量之比为1g：40mL；

3)将微晶玻璃粉加入此悬浮液中并以10000r/min的转速剧烈搅拌15min，过滤分离，再置于35℃烘箱中干燥100-110min，得到复合填料；

4)按照固液比1g：25-30mL的比例将复合填料倒入混合均匀的丙酮-钛酸酯偶联剂溶液中，300r/min匀速搅拌30-35min，静置12-15min后过滤，产物放入80℃真空干燥箱中干燥10-12h，制得杂化填料。

进一步地，所述微晶玻璃粉由如下方法制备：

(1)按照质量比为1:2:3称取碳酸镁、氧化铝和硅酸，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1600℃高温熔融1h，水淬后得到玻璃渣；

(2)将玻璃渣置于陶瓷罐中使用Al₂O₃球球磨半小时后烘干得到玻璃粉，向制得的玻璃粉中掺入2％质量分数的TiO₂，加入去离子水湿式球磨7h，烘干后得到均匀分散的干燥粉体，制得微晶玻璃粉。

一种高强度LCP基板封装材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12-15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190-200℃，先预热5-6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12-13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

本发明的有益效果：

本发明采用杂化填料作为高填充剂，杂化填料包括微晶玻璃粉和碳纳米管，其中的微晶玻璃粉为在普通玻璃粉中掺杂了TiO₂，TiO₂作为异相成核体的掺杂能够降低微晶玻璃的烧结温度，也能促进析晶，使结晶度增大，结晶度增大能够提高机械性能；其次，由于随着TiO₂含量的增大，玻璃粉的密度增大，更致密化，因此强度和介电常数也增大；另外，TiO₂具有较高的热膨胀系数，加入至玻璃粉中，能够形成较大的内部应力，从而提高玻璃的机械性能，使制得的微晶玻璃粉具有高强度和高致密度；

在杂化填料制备过程中，淀粉水溶液在加热沸腾过程中，为了降低表面能，直链淀粉分子盘旋成螺旋结构，极性脂质迁移到直链淀粉螺旋中以形成稳定的直链淀粉-脂质络合物，这种络合物具有双亲性，当加入碳纳米管时，络合物的疏水基朝向碳纳米管，亲水基溶解在水中，加入微晶玻璃粉后，络合物另一端的非极性部分吸附到微晶玻璃粉(微晶玻璃粉是无机物)表面，极性头部与水接触，悬浮在水中的残余淀粉以及碳纳米管随着反应时间增加，累积到壁层，形成胶囊结构，使微晶玻璃粉包裹在微胶囊中，形成碳纳米管包覆微晶玻璃粉的复合填料结构，复合填料经过钛酸酯偶联剂表面修饰后加入至LCP基体中；该复合填料结构能够使得碳纳米管和微晶玻璃粉形成单独的胶囊结构，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，二者形成复合结构能够更加均匀分布于LCP基体中，发挥导电导热和增强作用，使得到的封装材料具有优良的导电导热性能以及高强度和高气密性；

本发明的封装材料采用LCP作为基体物质，形成热稳定性高、机械强度大、吸湿率低、综合性能优异的基板材料，并采用杂化填料对LCP基体进行高效填充，以微晶玻璃粉和碳纳米管形成的胶囊结构复合填料，加入至LCP基体中，能够更加均匀分布于LCP基体中，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，二者复合后均匀分布于基体内，发挥导电导热和增强作用，使得到的封装材料具有优良的导电导热性能以及高强度和高气密性，适用于集成电路的封装。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂(LCP)70-80份、杂化填料7-10份、聚乙烯蜡4-5份；

其中，液晶高分子聚合物树脂可为聚-2-溴对苯二甲酸-2-正己基-1,4-亚苯酯、4-羟基苯甲酸-2,6-羟基萘甲酸无规共聚物或4-羟基苯甲酸-间苯二甲酸-对苯二酚无规共聚物；

杂化填料包括微晶玻璃粉和碳纳米管，微晶玻璃粉和碳纳米管的质量比为3:1；

微晶玻璃粉由如下方法制备：

(1)按照质量比为1:2:3称取碳酸镁、氧化铝和硅酸，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1600℃高温熔融1h，水淬后得到玻璃渣；

(2)将玻璃渣置于陶瓷罐中使用Al₂O₃球球磨半小时后烘干得到玻璃粉，向制得的玻璃粉中掺入2％质量分数的TiO₂，加入去离子水湿式球磨6-7h，烘干后得到均匀分散的干燥粉体，制得微晶玻璃粉；

在普通玻璃粉中掺杂了TiO₂，TiO₂作为异相成核体的掺杂能够降低微晶玻璃的烧结温度，也能促进析晶，使结晶度增大，结晶度增大能够提高机械性能；其次，由于随着TiO₂含量的增大，玻璃粉的密度增大，更致密化，因此强度和介电常数也增大；另外，TiO₂具有较高的热膨胀系数，加入至玻璃粉中，能够形成较大的内部应力，从而提高玻璃的机械性能，使制得的微晶玻璃粉具有高强度；

杂化填料的制备：

1)将淀粉分散在去离子水中，置于磁力搅拌器下加热至沸腾，煮沸10min，形成质量分数为10％的淀粉水溶液；

2)趁热加入碳纳米管，在高速剪切机内以10000r/min转速剧烈搅拌10min形成充分分散的悬浮液；

碳纳米管与淀粉水溶液的用量之比为1g：40mL；

3)将微晶玻璃粉加入此悬浮液中并以10000r/min的转速剧烈搅拌15min，过滤分离，再置于35℃烘箱中干燥100-110min，得到复合填料；

4)按照固液比1g：25-30mL的比例将复合填料倒入混合均匀的丙酮-钛酸酯偶联剂溶液(丙酮与钛酸酯偶联剂的体积比为20:1)中，300r/min匀速搅拌30-35min，静置12-15min后过滤，产物放入80℃真空干燥箱中干燥10-12h，制得杂化填料；

淀粉水溶液在加热沸腾过程中，为了降低表面能，直链淀粉分子盘旋成螺旋结构，极性脂质迁移到直链淀粉螺旋中以形成稳定的直链淀粉-脂质络合物，这种络合物具有双亲性，当加入碳纳米管时，络合物的疏水基朝向碳纳米管，亲水基溶解在水中，加入微晶玻璃粉后，络合物另一端的非极性部分吸附到微晶玻璃粉(微晶玻璃粉是无机物)表面，极性头部与水接触，悬浮在水中的残余淀粉以及碳纳米管随着反应时间增加，累积到壁层，形成胶囊结构，使微晶玻璃粉包裹在微胶囊中，形成碳纳米管包覆微晶玻璃粉的复合填料结构，复合填料经过钛酸酯偶联剂表面修饰后加入至LCP基体中；该复合填料结构能够使得碳纳米管和微晶玻璃粉形成单独的胶囊结构，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，二者形成复合结构能够更加均匀分布于LCP基体中，发挥导电导热和增强作用，使得到的封装材料具有优良的导电导热性能以及高强度和高气密性；

一种高强度LCP基板封装材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12-15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190-200℃，先预热5-6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12-13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

实施例1

一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂70份、杂化填料7份、聚乙烯蜡4份；

液晶高分子聚合物树脂为聚-2-溴对苯二甲酸-2-正己基-1,4-亚苯酯；

该封装材料由如下步骤制成：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190℃，先预热6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

实施例2

一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂75份、杂化填料8.5份、聚乙烯蜡4.5份；

液晶高分子聚合物树脂为4-羟基苯甲酸-2,6-羟基萘甲酸无规共聚物；

该封装材料由如下步骤制成：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合13.5min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为195℃，先预热5.5min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12.5min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

实施例3

一种高强度LCP基板封装材料，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂80份、杂化填料10份、聚乙烯蜡5份；

液晶高分子聚合物树脂为4-羟基苯甲酸-间苯二甲酸-对苯二酚无规共聚物；

该封装材料由如下步骤制成：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为200℃，先预热5min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

对比例1

将实施例1中的杂化填料换成微晶玻璃粉和碳纳米管，将微晶玻璃粉和碳纳米管混合后经过钛酸酯偶联剂处理。

对比例2

将实施例1中杂化填料中的微晶玻璃粉换成普通的玻璃粉，其余原料及制备过程不变，得到的新的杂化填料。

对比例3

普通PLC基板。

对实施例1-3和对比例1-3制得的封装材料做如下性能测试：

按照GB/T 528-2009测试封装材料的拉伸性能；按照GB/T 2567-2008测试冲击性能；按照GJB 548A-1996测试体积电阻率；按照GB/T 13745.9测试热导率；测试材料的气密性；测试结果如下表：

由上表可知，实施例1-3制得的封装材料的拉伸强度为35.2-35.6MPa，冲击强度为24.8-25.9kJ·m^-2，说明本发明制得的封装材料具有良好的力学性能；实施例1-3制得的封装材料的体积电阻率为(0.69-0.81)*10⁹·Ω·cm，热导率为0.96-1.04W·(m·K)^-1，气密性为(0.2-0.3)*10^-9·Pa·m³·s^-1，说本发明制得的封装材料具有良好的导电导热性能以及气密性，结合对比例1，说明将微晶玻璃粉和碳纳米管经过杂化处理后得到的杂化填料，形成碳纳米管包覆微晶玻璃粉的复合填料结构，复合填料经过钛酸酯偶联剂表面修饰后加入至LCP基体中，该复合填料结构能够使得碳纳米管和微晶玻璃粉形成单独的胶囊结构，碳纳米管具有良好的导热导电性，微晶玻璃粉具有良好的机械性能和良好的气密性，二者形成复合结构能够更加均匀分布于LCP基体中，发挥导电导热和增强作用，能够明显提升封装材料的导电导热和气密性，结合对比例2，说明微晶玻璃粉相对于普通玻璃粉，具有更好的性能，能够进一步提高封装材料的强度；相较于对比例3，说明本发明通过杂化填料作为高效填充剂，能够提高LCP基材的力学性能、导电导热性能和气密性，使得到的封装材料适用于集成电路封装。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种高强度LCP基板封装材料，其特征在于，由如下重量份原料制成：液晶高分子聚合物树脂70-80份、杂化填料7-10份、聚乙烯蜡4-5份；

该封装材料由如下步骤制成：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12-15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190-200℃，先预热5-6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12-13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。

2.根据权利要求1所述的一种高强度LCP基板封装材料，其特征在于，所述液晶高分子聚合物树脂为聚-2-溴对苯二甲酸-2-正己基-1,4-亚苯酯、4-羟基苯甲酸-2,6-羟基萘甲酸无规共聚物或4-羟基苯甲酸-间苯二甲酸-对苯二酚无规共聚物。

3.根据权利要求1所述的一种高强度LCP基板封装材料，其特征在于，所述杂化填料包括微晶玻璃粉和碳纳米管，微晶玻璃粉和碳纳米管的质量比为3:1。

4.根据权利要求1所述的一种高强度LCP基板封装材料，其特征在于，所述杂化填料由如下方法制备：

1)将淀粉分散在去离子水中，置于磁力搅拌器下加热至沸腾，煮沸10min，形成质量分数为10％的淀粉水溶液；

2)趁热加入碳纳米管，在高速剪切机内以10000r/min转速剧烈搅拌10min形成充分分散的悬浮液；

碳纳米管与淀粉水溶液的用量之比为1g：40mL；

3)将微晶玻璃粉加入此悬浮液中并以10000r/min的转速剧烈搅拌15min，过滤分离，再置于35℃烘箱中干燥100-110min，得到复合填料；

4)按照固液比1g：25-30mL的比例将复合填料倒入混合均匀的丙酮-钛酸酯偶联剂溶液中，300r/min匀速搅拌30-35min，静置12-15min后过滤，产物放入80℃真空干燥箱中干燥10-12h，制得杂化填料。

5.根据权利要求3或4所述的一种高强度LCP基板封装材料，其特征在于，所述微晶玻璃粉由如下方法制备：

(1)按照质量比为1:2:3称取碳酸镁、氧化铝和硅酸，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1600℃高温熔融1h，水淬后得到玻璃渣；

(2)将玻璃渣置于陶瓷罐中使用Al₂O₃球球磨半小时后烘干得到玻璃粉，向制得的玻璃粉中掺入2％质量分数的TiO₂，加入去离子水湿式球磨7h，烘干后得到均匀分散的干燥粉体，制得微晶玻璃粉。

6.一种高强度LCP基板封装材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、按照重量份数将聚乙烯蜡、液晶高分子聚合物树脂和杂化填料放入180℃的转矩流变仪中，均匀混合12-15min，得到预混物；

第二步、设定平板硫化机的热压温度为190-200℃，先预热5-6min，再将第一步得到的预混物放入平板硫化机内，用10MPa的压力对预混物热压12-13min，然后用10MPa的压力再对预混物冷压8min，制得所述封装材料。