CN111073217B - 一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，环氧树脂10‑90重量份，固化剂酚醛树脂20‑70重量份，大粒径导热填料300‑800重量份，小粒径导热填料20‑200重量份，离子捕捉剂2‑15重量份，低应力改性剂0.5‑5重量份，偶联剂0.1‑3重量份，促进剂0.1‑5重量份，脱模剂0.1‑5重量份，阻燃剂1‑8重量份，着色剂0.1‑5重量份。与现有技术相比，本发明环氧塑封料的主要优点是：（1）环氧塑封料具有极高的导热性能，导热系数可以达到3.5W/m·K以上；（2）环氧塑封料封装外观及封装操作性良好，无气孔、砂眼、粘模等现象发生；（3）环氧塑封料可靠性高，具有较低的应力和线膨胀系数。

Description

一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料
技术领域
本发明涉及一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，属于电子封装领域。
背景技术
环氧树脂作为主体树脂和固化剂在固化促进剂的作用下高温固化，其中环氧树脂和酚醛树脂的组合是当今电子塑封料的主流，在上述材料中，辅以二氧化硅、碳酸钙等无机填料，以及阻燃剂和各种助剂，就能制备满足电子封装需求的塑封材料。环氧塑封料有许多有益的性能，普遍应用在电子封装领域。
然而，普通环氧塑封料的导热率很低，为了满足越来越多的大功率元器件散热需求，保证电子产品的工作可靠性，就必须对环氧树脂改性以提高其热导率。
已有的研究表明，塑封料导热性能的提高主要取决于导热填料的种类、含量等。
华海诚科在中国专利CN102911479A中公开了一种适合于全包封器件的环氧树脂组合物，该组合物通过添加结晶型二氧化硅微粉，可以得到导热系数为2.2W/m·K的环氧塑封料。
江苏中鹏在中国专利CN105440588B中公开了一种高导热模塑型环氧底填料及其制备方法，该组合物通过添加球形导热填料，可以得到导热系数最高为3.3W/m·K的组合物。
但是，目前大部分的研究结果所得导热系数都在3.5W/m·K以下，这些研究结果表明，仅仅通过简单添加高导热粉末，难以在树脂中形成优异的导热网络，难以进一步提高材料导热性能。
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，提供了一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料。
发明人通过研究发现，通过对导热填料的颗粒大小及形状进行设计，用不同种类、不同形状尺寸的导热填料填充环氧树脂，在较高填充量下，可以在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，不仅可以提高环氧塑封料的导热性能，同时可以有效地降低塑封料的热膨胀系数，进一步提高可靠性。
本发明要解决的技术问题本是通过以下技术方案来实现的：
一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，含有如下组分：环氧树脂10-90重量份，固化剂酚醛树脂20-70重量份，大粒径导热填料300-800重量份，小粒径导热填料20-200重量份，离子捕捉剂2-15重量份，低应力改性剂0.5-5重量份，偶联剂0.1-3重量份，促进剂0.1-5重量份，脱模剂0.1-5重量份，阻燃剂1-8重量份，着色剂0.1-5重量份。
其中，
所述环氧树脂为邻甲酚环氧树脂、联苯型环氧树脂、芳烷基型环氧树脂、酯环型环氧树脂、杂环型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、萘环型环氧树脂、多官能团型环氧树脂中的一种或几种。
所述的固化剂选自线性酚醛树脂、联苯型酚醛树脂、萘型酚醛树脂或芳烷基苯酚型酚醛树脂中的一种或几种。
所述导热填料选自钝角型二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、碳化硅、氮化硅、氮化硼、石墨烯的一种或几种复合。
特别地，
所述大粒径导热填料大小为2～100μm，选自氧化铝、氮化铝、氮化硅中的一种或几种；所述小粒径导热填料大小为0.1～10μm，选自钝角型二氧化硅、片状氧化铝、碳化硅、氮化硼、石墨烯中的一种或几种。
其中，导热填料的含量为总组合物质量的70～90％；且小粒径导热填料含量为全部导热填料质量的3～25％。
所述导热填料构成高导热填料体系，且在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，可以获得更好的导热性能。
所述促进剂选自三苯基膦及其衍生物、咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基-4甲基咪唑、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯或有机胺促进剂中的一种或几种。
所述的低应力改性剂选自有机硅改性环氧树脂、硅树脂、液体端羧基丁腈橡胶、含有有机硅成分的三嵌段共聚物中的一种或几种。
所述偶联剂选自γ-环氧丙基醚三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-氨基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
所述脱模剂选自巴西棕榈蜡、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、费托蜡、聚丙烯蜡、脂肪酸蜡中的一种或几种。
所述离子捕捉剂选自阴离子捕捉剂、阳离子捕捉剂、阴-阳复合离子捕捉剂、水滑石化合物的一种或几种。
所述阻燃剂选自卤系阻燃剂、非卤阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷-卤阻燃剂、磷-氮阻燃剂、氢氧化物阻燃剂中的一种或几种。
所述着色剂选自炭黑、钛白粉、氧化锌中的一种或几种。
优选地，
所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，含有如下组分：环氧树脂20-80重量份，固化剂酚醛树脂25-60重量份，大粒径导热填料400-700重量份，小粒径导热填料30-150重量份，离子捕捉剂2-12重量份，低应力改性剂1-4重量份，偶联剂0.5-2.5重量份，促进剂0.5-3重量份，脱模剂0.5-4重量份，阻燃剂1.5-6重量份，着色剂0.5-3重量份。
所述环氧树脂为邻甲酚环氧树脂、联苯型环氧树脂、芳烷基型环氧树脂、酯环型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多官能团型环氧树脂中的一种或几种。
所述的固化剂酚醛树脂选自联苯型酚醛树脂、萘型酚醛树脂或芳烷基苯酚型酚醛树脂中的一种或几种。
所述导热填料选自钝角型二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、碳化硅、氮化硼、石墨烯的一种或几种复合。特别地，所述大粒径导热填料大小为10～80μm，包括氧化铝、氮化铝中的一种或几种；小粒径导热填料大小为0.1～8μm，包括钝角型二氧化硅、片状氧化铝、碳化硅、氮化硼、石墨烯中的一种或几种。
所述导热填料的含量为总组合物质量的75～90％；且小粒径导热填料含量为全部导热填料质量的4～23％。特别地，所述导热填料构成高导热填料体系，且在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，可以获得更好的导热性能。
所述促进剂选自2-甲基咪唑、2-乙基-4甲基咪唑或有机胺促进剂中的一种或几种。
所述低应力改性剂选自有机硅改性环氧树脂和/或液体端羧基丁腈橡胶。
所述偶联剂选自γ-环氧丙基醚三甲氧基硅烷和/或γ-巯基丙基三甲氧基硅烷；
所述脱模剂选自巴西棕榈蜡、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡和/或费托蜡。
所述离子捕捉剂选自阴离子捕捉剂和/或水滑石化合物。
所述阻燃剂选氢氧化物阻燃剂和/或磷系阻燃剂。
所述着色剂选自炭黑。
更优选地，
所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，含有如下组分：环氧树脂22.5-75重量份，固化剂酚醛树脂30-52.5重量份，大粒径导热填料487.5-641.2重量份，小粒径导热填料45-120重量份，离子捕捉剂3.75-10.35重量份，低应力改性剂1.65-3.75重量份，偶联剂0.75-2.25重量份，促进剂0.75-2.65重量份，脱模剂0.75-3.75重量份，阻燃剂2.25-5.25重量份，着色剂0.75-2.25重量份。
所述的环氧树脂为邻甲酚环氧树脂、联苯型环氧树脂中的一种或几种。
所述的固化剂酚醛树脂选自萘型酚醛树脂或芳烷基苯酚型酚醛树脂中的一种或几种。
所述的大粒径导热填料大小为20～50μm，包括氧化铝、氮化铝中的一种或几种；
所述的小粒径导热填料大小为0.5～5μm，包括钝角型二氧化硅、片状氧化铝、氮化硼、石墨烯中的一种或几种。
所述的大粒径和小粒径导热填料的含量之和为总组合物质量的80～90％；且小粒径导热填料含量为全部导热填料质量的5～20％。所述导热填料构成高导热填料体系，且在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，可以获得更好的导热性能。
所述的促进剂选自2-乙基-4甲基咪唑；
所述的低应力改性剂选自有机硅改性环氧树脂；
所述的偶联剂选自γ-环氧丙基醚三甲氧基硅烷；
所述的脱模剂选自巴西棕榈蜡；
所述的离子捕捉剂选自水滑石；
所述的阻燃剂选自硼酸锌。
本发明还提供了一种半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的制备方法，该方法包含以下步骤：
(1)按照重量份将环氧树脂、固化剂、离子捕捉剂、低应力改性剂、偶联剂、促进剂、大粒径导热填料、小粒径导热填料、脱模剂、阻燃剂、着色剂原材料准备好，投入高速混合机中混合，出料得到环氧塑封料混合物；
(2)将原材料混炼均匀，混炼温度80-90℃，混炼后冷却粉碎。
本发明提供的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料中，通过加入钝角型二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、碳化硅、氮化硅、氮化硼、石墨烯中的一种或几种作为导热填料，这种填料具有极高的导热系数，并且不同粒径与形貌的导热填料构成了高导热填料体系，在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，进一步提高材料的导热性。
与现有技术相比，本发明环氧塑封料的主要优点是：
(1)环氧塑封料具有极高的导热性能，导热系数可以达到3.5W/m·K以上；
(2)环氧塑封料封装外观及封装操作性良好，无气孔、砂眼、粘模等现象发生；
(3)环氧塑封料可靠性高，具有较低的应力和线膨胀系数。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，热膨胀系数采用热机械分析仪(TMA)进行测试。
胶化时间：将电热板加热到175±1℃，取2-3克样品置于铁板上，用小针不断搅拌，测试样品由流体变为胶态的时间。
流动性：取30克样品用树脂传递注塑机借助螺旋流动金属模具进行测定，注塑压力为70kgf/cm2，模具温度为175±1℃。
阻燃性：采用垂直燃烧法按GB/T 2408标准进行。
导热系数：采用稳态法按GB/T 10294标准进行。
各成分来源如下：
邻甲酚环氧树脂(圣泉化工制“SQCN 700-1”)
联苯型环氧树脂(三菱株式会社制“YX 4000”)
萘型酚醛树脂(新日铁化学(株)制“SN-485”)
芳烷基苯酚型酚醛树脂(圣泉化工制“SH-4064”)
促进剂2-乙基-4甲基咪唑，购自南京蓝碧安生化科技有限公司
低应力改性剂有机硅改性环氧树脂，购自道康宁公司，牌号为SF-8241EG。
偶联剂KH560，购自江苏晨光公司。
离子捕捉剂水滑石，购自日本协和化学工业株式会社，牌号为DHT-4C。
阻燃剂硼酸锌，购自济南泰星精细化工有限公司。
实施例1
实施例1的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
实施例2
实施例2的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
实施例3
实施例3的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
实施例4
实施例4的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
实施例5
实施例5的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
实施例6
实施例6的半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的原料配方组成见表1。
本实施例制备半导体封装用高导热、低应力环氧塑封料的方法如下：
(1)按照表1将原料准备好，投入高速混合机中混合5min，出料得到环氧塑封料混合物。
(2)步骤(1)所得的环氧塑封料混合物加入开炼机，进行混炼。混炼温度为80℃，混炼8min后得到环氧树脂塑封料，并评价其胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
对比例1
按照实施例1的方法制备环氧塑封料混合物，所不同的是将步骤(1)中45g5μm钝角二氧化硅全部换为45g 40μm钝角二氧化硅，获得环氧塑封料混合物。
然后测试胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
对比例2
按照实施例2的方法制备环氧塑封料混合物，所不同的是将步骤(1)中450g50μm球形氧化铝全部换为钝角型二氧化硅，获得环氧塑封料混合物。
然后测试胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
对比例3
按照实施例3的方法制备环氧塑封料混合物，所不同的是将步骤(1)中641.25g 50μm球形氧化铝全部换为2μm片状氧化铝，获得环氧塑封料混合物。
然后测试胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
对比例4
按照实施例5的方法制备环氧塑封料混合物，所不同的是将步骤(1)中所有填料全部换为球形二氧化硅，获得环氧塑封料混合物。
然后测试胶化时间、流动性、线膨胀系数、阻燃性以及导热系数，如表2所示。
表1实施例1-6的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料的原料配方组成(以重量计，单位g)
Figure BDA0002331637730000081
表2
Figure BDA0002331637730000082
Figure BDA0002331637730000091
由上述实施例和比较例可以看出，通过加入氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯作为导热填料，这种填料具有极高的导热系数，并且不同粒径与形貌的导热填料构成了高导热填料体系，在环氧树脂中形成点-面式接触导热网络结构，具有极其优异的导热性能和较低的热膨胀系数，能够满足大功率元器件散热需求，同时具备良好的可靠性和成型性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变形，这些简单变形均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任意的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述环氧塑封料由以下成分组成：环氧树脂10-90重量份，固化剂酚醛树脂20-70重量份，大粒径导热填料300-800重量份，小粒径导热填料20-200重量份，离子捕捉剂2-15重量份，低应力改性剂0.5-5重量份，偶联剂0.1-3重量份，促进剂0.1-5重量份，脱模剂0.1-5重量份，阻燃剂1-8重量份，着色剂0.1-5重量份；
所述的大粒径导热填料大小为20~50μm，包括球形氧化铝、氮化铝中的一种或几种；
所述的小粒径导热填料大小为0.5~5μm，包括钝角型二氧化硅、片状氧化铝、氮化硼、石墨烯中的一种或几种；
并且所述导热填料的含量为总组合物质量的70~90%；小粒径导热填料含量为全部导热填料质量的5~20%。
2.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述环氧树脂为邻甲酚环氧树脂、联苯型环氧树脂、芳烷基型环氧树脂、酯环型环氧树脂、杂环型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、萘环型环氧树脂、多官能团型环氧树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述固化剂酚醛树脂选自线性酚醛树脂、联苯型酚醛树脂、萘型酚醛树脂或芳烷基苯酚型酚醛树脂中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述促进剂选自三苯基膦及其衍生物、咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基-4甲基咪唑、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯或有机胺促进剂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述的低应力改性剂选自有机硅改性环氧树脂、硅树脂、液体端羧基丁腈橡胶、含有有机硅成分的三嵌段共聚物中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述偶联剂选自γ-环氧丙基醚三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-氨基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述脱模剂选自巴西棕榈蜡、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、费托蜡、聚丙烯蜡、脂肪酸蜡中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述离子捕捉剂选自阴离子捕捉剂、阳离子捕捉剂、阴-阳复合离子捕捉剂的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述离子捕捉剂选用水滑石化合物。
10.根据权利要求1所述的半导体封装用高导热低应力环氧塑封料，其特征在于，所述阻燃剂选自卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷-卤阻燃剂、磷-氮阻燃剂、氢氧化物阻燃剂中的一种或几种。
11.如权利要求1-10任意一项所述的环氧塑封料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照重量份将环氧树脂、固化剂、离子捕捉剂、低应力改性剂、偶联剂、促进剂、大粒径导热填料、小粒径导热填料、脱模剂、阻燃剂、着色剂原材料准备好，投入高速混合机中混合，出料得到环氧塑封料混合物；
（2）将原材料混炼均匀，混炼温度80-90℃，混炼后冷却粉碎。
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