CN1935926A

CN1935926A - 一种高热导电子封装材料及其制备方法

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Publication number: CN1935926A
Application number: CN 200610113307
Authority: CN
Inventors: 陈克新; 祝渊; 傅承诵; 金海波
Original assignee: Tsinghua University; Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Tsinghua University; Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-03-28

Abstract

本发明涉及一种高热导电子封装材料，属于电子封装材料技术领域。其特征在于：所述材料配方为，填料粉：10～80％，环氧树脂：5－30％，固化剂：10－65％，固化促进剂：0.1－2.5％，脱模剂：0.5－3％，着色剂：0.5－3％，阻燃剂、触变剂适量。所述填料粉为β相氮化硅粉体，或者将β相氮化硅粉体与二氧化硅等陶瓷粉体按比例混合作为填料粉使用，所述二氧化硅等陶瓷粉体的添加比例占粉体填料总重量为5％－95％。本发明用β相氮化硅粉体作为填料，可提高材料电、热、力学性能，同时通过对填料粉粒径分布进行优化，提高了封装材料的热导性能与高温下的流动性。将β相氮化硅粉体与二氧化硅等陶瓷粉体混合填充，最终实现封装材料的热导率和热膨胀系数可调，并可大大缩短工业化生产转化周期。

Description

一种高热导电子封装材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的高热导率陶瓷粉体-β相氮化硅粉体应用于电子封装材料(电子模塑料)填料，并提出了一种利用β相氮化硅粉体作为填料的高热导电子封装材料(电子模塑料)的制备方法，属于电子封装材料技术领域。

背景技术

近年来，随着目前电子信息产业的迅猛发展，电子元器件朝小型化、大功率与高集成度方向发展，导致集成电路单位体积产生的热量越来越高，从而对封装材料的要求越来越高，新型高热导电子封装材料成为目前广泛关注的热点。

目前，高导热复合材料被广泛使用于半导体封装材料、导热片、导热膏、相转移材料等，能显著提升电子元件的散热效率。其中，环氧树脂基封装材料在工业化生产中得到广泛应用，具有工艺简单、制造成本低、生产设备成熟等优点。通常，选用热导率较高的陶瓷粉体加入到环氧树脂中，以提高其热导率，目前所广泛使用的填料主要涉及氧化物陶瓷粉体，包括Al₂O₃、SiO₂等，而氧化物陶瓷粉体的热导率普遍较低，Al₂O₃的本征热导率为20W/m·K，SiO₂的本征热导率仅为14W/m·K，所制备出的封装材料的散热性能已不能满足实际要求。另外，SiO₂填料还面临热导率和热膨胀系数不能两全的瓶颈：

1.晶态SiO₂热膨胀率为15ppm/℃，与环氧树脂(30～50ppm/℃)复合后，与硅(3.5ppm/℃)不匹配，造成器件内部产生热应力。

2.非晶态SiO₂热膨胀率为1.3ppm/℃，与硅的热膨胀系数较接近，但是热导率只有1.3W/m·K，不利于散热。

氮化物陶瓷粉体已经成为一种较为理想的新型电子封装材料(电子模塑料)填料，主要包括氮化硼和氮化铝陶瓷粉体，二者的本征热导率均在300W/m·K以上，可大幅度提高电子封装材料的热导性能。但氮化硼和氮化铝陶瓷粉体的价格较高，导致其性价比较低，此外氮化硼粉体的粒径过小，难以提高其添加比例，直接限制了它们的大规模工业化应用。

因为氮化硅粉体烧结后的热导率仅为23W/m.K，而且α相氮化硅粉体的售价较高，因此，目前氮化硅粉体一直未被用作电子封装材料(电子模塑料)填料使用。最近研究发现β相氮化硅的本征电导率高达320W/m·K，且价格便宜，仅为氮化硼和氮化铝陶瓷粉体的1/3至1/4。β氮化硅还具有相对于AlN和SiC更低的介电常数(4.8～9.5)、低的热膨胀系数(2～3.2×10^-6/℃)和良好的化学稳定性和抗氧化性等优点，与其他填料相比具有明显的优势。因此，β相氮化硅粉体是最理想的电子封装材料(电子模塑料)填料。

发明内容

针对目前电子封装材料(电子模塑料)填料的现状，本发明提出了一种新型的高热导率陶瓷粉体填料-β相氮化硅粉体，并提出了一种利用β氮化硅作为填料的高热导电子封装材料(电子模塑料)的制备方法，克服传统陶瓷粉体填料的缺点，制备高热导和热膨胀与硅匹配兼备的电子封装材料(电子模塑料)。具体制备工艺步骤如下：

本发明提出的一种高热导电子封装材料，其特征在于：所述材料配方为，填料粉：10～80％，环氧树脂：5-30％，固化剂：10-65％，固化促进剂：0.1-2.5％，脱模剂：0.5-3％，着色剂：0.5-3％，阻燃剂、触变剂适量。

在上述封装材料中，所述填料粉为β相氮化硅粉体，或者将β相氮化硅粉体与二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼陶瓷粉体按比例混合作为填料粉使用，所述二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼陶瓷粉体的添加比例占粉体填料总重量为：5％-95％。

在上述封装材料中，所述固化剂为环氧固化剂。

在上述封装材料中，所述固化促进剂为三苯基磷。

在上述封装材料中，所述脱模剂选用巴西棕榈蜡。

在上述封装材料中，所述着色剂为炭黑。

在上述封装材料中，所述阻燃剂为三氧化二锑。

在上述封装材料中，所述触变剂为六方氮化硼。

在上述封装材料中，所述β相氮化硅粉体填料粉的预处理方法为：将β相氮化硅块状材料经机械破碎，通过控制研磨时间获得粉体；或将β相氮化硅粉体在流动氮气保护气氛下于1250～1550℃预烧1～7小时，获得粉体。

本发明是以克服使用传统陶瓷粉体作为电子模塑料填料的热导率，热膨胀率等方面存在的问题为基础，通过以综合性能优越的β相氮化硅作为填料，沿用传统电子模塑料的设备和工艺方法，同时对作为填料的β相氮化硅的粒径分布进行了优化，制得了一种高热导、低介电常数、低热膨胀率的电子模塑料。本发明具有工艺简单、重复性好、性价比较高等优点。其突出特点是：

(1)使用β相氮化硅粉体作为电子封装材料的填料，综合提高材料电、热、力学性能。

(2)通过对β相氮化硅粉体填料粒径分布进行了优化，进一步提高封装材料的热导性能与高温下的流动性。

(3)可与二氧化硅等陶瓷粉体混合填充，实现最终封装材料的热导率和热膨胀系数可调。目前成熟的电子模塑料工艺仍可沿用，可大大缩短工业化生产转化周期。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

1.β相氮化硅粉体填料预处理，获得具有一定粒径分布的粉体。

处理方法有二，其一为将β相氮化硅块状材料经机械破碎，如采用高效振动磨，通过控制不同的研磨时间(1～5小时)，获得不同粒径的粉体；其二为将β相氮化硅粉体在流动氮气保护气氛下于1250～1550℃预烧1～7小时，获得不同粒径的粉体，根据实际工艺需要上述两种方法可单独进行，也可结合进行。然后，将得到的粉体按照一定比例混合。

2.配料

将步骤1预处理后的β相氮化硅粉体填料与环氧树脂及其固化剂均匀混合，再加入一定比例的固化促进剂、脱模剂、着色剂、阻燃剂、触变剂。固化促进剂可选用三苯基磷TPP，脱模剂选用巴西棕榈蜡，着色剂为炭黑，阻燃剂为三氧化二锑，触变剂为六方氮化硼，其重量百分比为：

填料粉：10-80％

环氧树脂：5-30％

固化剂：10-65％

TPP：0.1-2.5％

脱模剂：0.5-3％

着色剂：0.5-3％

阻燃剂、触变剂适量

根据电子封装材料(电子模塑料)实际导热性能和成本需求，可将β相氮化硅粉体与二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼等多种粉体按比例混合作为填料使用。二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼陶瓷粉体的添加比例为：

5％-95％(占粉体填料总重量)

3.将环氧树脂和固化剂在炼胶机上于70～90℃混合、同时加入脱模剂、着色剂、阻燃剂、触变剂。待环氧树脂熔化，粘度降低至无明显拉丝现象，立即加入陶瓷粉体填料和TPP，混合均匀后降温取胶，将取下来的胶粗磨成粉，打饼，即得电子模塑料料饼。

4.将料饼180℃预热30秒，在传递模上185℃，50-65kg/cm²下压制100秒，制得β相氮化硅粉体填充电子模塑料。

5.使用激光脉冲法测试热导率。

β相氮化硅粉体填充电子封装材料制备实施例：

实例一、按步骤1所述的方法，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为0.2～110μm之间的一个分布，按重量比β氮化硅粉：78.5％，树脂：18％，TPP：0.2％，脱模剂：1％，着色剂：1.5％，阻燃剂、触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅粉体填充电子模塑料热导率为4.63W/m·K。

实例二、按步骤1所述的方法，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为0.1～130μm之间的一个分布，按重量比β氮化硅粉：78.5％，树脂：18％，TPP：0.4％，脱模剂：1.5％，着色剂：1.2％，阻燃剂、触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅粉体填充电子模塑料热导率为4.86W/m·K。

实例三、按步骤1所述，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为1～150μm之间的一个分布，与二氧化硅粉混合填充，按重量比β氮化硅粉：60％，二氧化硅粉11.8％：树脂：26.5％，TPP：0.6％，脱模剂：1.2％，着色剂：2.0％，阻燃剂，触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅粉体与二氧化硅粉混合填充电子模塑料热导率为2.52W/m·K。

实例四、按步骤1所述，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为1～150μm之间的一个分布，与氮化硼粉混合填充，按重量比β氮化硅粉：45.9％，氮化硼粉25.1％：树脂：27.9％，TPP：1％，脱模剂：1％，着色剂：1.2％，阻燃剂，触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅与氮化硼粉体混合填充电子模塑料热导率为3.52W/m·K。

实例五、按步骤1所述，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为1～150μm之间的一个分布，与氮化铝粉混合填充，按重量比β氮化硅粉：30.7％，氮化铝粉38.1％：树脂：28.7％，TPP：1％，脱模剂：0.8％，着色剂：0.5％，阻燃剂，触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅与氮化铝粉体混合填充电子模塑料热导率为4.58W/m·K。

实例六、按步骤1所述，将原料β相氮化硅粉经预处理后，调整粒径为1～150μm之间的一个分布，与氧化铝粉混合填充，按重量比β相氮化硅粉：15.3％，氧化铝粉52.2％：树脂：29.5％，TPP：1％，脱模剂：0.8％，着色剂：0.5％，阻燃剂，触变剂适量。

然后按照步骤3，4，5进行，测得β相氮化硅与氧化铝粉体混合填充电子模塑料热导率为0.941W/m·K。

Claims

1、一种高热导电子封装材料，其特征在于：所述材料配方为，填料粉：10～80％，环氧树脂：5-30％，固化剂：10-65％，固化促进剂：0.1-2.5％，脱模剂：0.5-3％，着色剂：0.5-3％，阻燃剂、触变剂适量。

2、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述填料粉为β相氮化硅粉体，或者将β相氮化硅粉体与二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼陶瓷粉体按比例混合作为填料粉使用，所述二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼陶瓷粉体的添加比例占粉体填料总重量为：5％-95％。

3、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述固化剂为环氧固化剂。

4、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述固化促进剂为三苯基磷。

5、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述脱模剂选用巴西棕榈蜡。

6、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述着色剂为炭黑。

7、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述阻燃剂为三氧化二锑。

8、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述触变剂为六方氮化硼。

9、根据权利要求1所述的封装材料，其特征在于：所述β相氮化硅粉体填料粉的预处理方法为：将β相氮化硅块状材料经机械破碎，通过控制研磨时间获得粉体；或将β相氮化硅粉体在流动氮气保护气氛下于1250～1550℃预烧1～7小时，获得粉体。