以市場(chǎng)上常見(jiàn)的不同種類樹(shù)脂制備了多種環(huán)氧塑封料，并比較其凝膠化時(shí)間、螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度、粘度、固化反應(yīng)速率、彎曲性能、玻璃化溫度及粘結(jié)強(qiáng)度等性能指標(biāo)的差異，為IC封裝不同程度要求的基材選擇提供一些數(shù)據(jù)參考。YX-4000H 型環(huán)氧和 MEH-7800酚醛樹(shù)脂組合粘結(jié)強(qiáng)度為3.451 MPa、螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度為 148 cm、粘度為 64 Pa·s，表現(xiàn)出較優(yōu)的封裝工藝性。

1 引言

環(huán)氧塑封料（Epoxy moulding compound，簡(jiǎn) 稱EMC）是一種單組份熱固性塑料，主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、潛伏性促進(jìn)劑、硅微粉、應(yīng)力改性劑、蠟、炭黑等，主要應(yīng)用于電子封裝行業(yè)。近年來(lái)，塑料封裝技術(shù)向薄型化、高密度方向發(fā)展，這就要求固化后的塑封料具有低膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)、低模量、低吸水率、高流動(dòng)性等特性。

環(huán)氧塑封料的性能受環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂的種類影響很大。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界在不同種類的環(huán)氧樹(shù)脂的合成、性能改善方面有多方向的研究和探討，且多數(shù)在研究對(duì)象、原料配備、內(nèi)容深度上各成體系，但在原料配備，尤其是市售樹(shù)脂基材選擇方面的差異則少有報(bào)道。為此，本文以市場(chǎng)常用的幾種環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂制備相應(yīng)塑封料，并考察其EMC 凝膠化時(shí)間、流動(dòng)性能、粘度、固化性能、彎曲性能、剪切粘接強(qiáng)度和玻璃化溫度的差異和影響。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 主要原料

環(huán)氧 樹(shù) 脂 ： 鄰 甲 酚 醛 型 環(huán) 氧 樹(shù) 脂 ， 型 號(hào)SQCN700-2，濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司；結(jié)晶聯(lián)苯型環(huán)氧樹(shù)脂，型號(hào) YX-4000H，三菱化學(xué)株式會(huì)社；雙環(huán)己烷戊二烯苯酚型環(huán)氧樹(shù)脂，型號(hào) HP7200，DIC 株式會(huì)社；聯(lián)苯苯酚型環(huán)氧樹(shù)脂，型號(hào) NC-3000，日本化藥株式會(huì)社。

酚醛樹(shù)脂固化劑：線性苯酚甲醛樹(shù)脂，型號(hào)PF-8011，濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司；XYLOCK 型酚醛樹(shù)脂，型號(hào) MEH-7800，明和產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社；聯(lián)苯芳烷基型酚醛樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂 MEH-7851，明和產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社。

其他助劑：硅油 8421EG，道康寧（上海）有限公司；球型硅微粉 SS-302C3，湖州華飛硅微粉有限公司；氣相二氧化硅 A200，德國(guó)瓦克化學(xué)；增韌劑 P52，德國(guó)瓦克化學(xué)；阻燃劑 SPB100，日本大冢化學(xué)；巴西棕櫚蠟、炭黑為市售；促進(jìn)劑為對(duì)苯醌與三苯基膦絡(luò)合物按照摩爾比 1∶1 混合制得。

2.2 主要設(shè)備及儀器

雙輥開(kāi)煉機(jī)，型號(hào) X(S)K-160，無(wú)錫明達(dá)橡塑機(jī)械有限公司；模壓機(jī)，型號(hào) MP-50，上海大愛(ài)電子機(jī)械工程有限公司；凝膠化時(shí)間測(cè)試儀，型號(hào) GT-Ⅲ，德州市高通 實(shí) 驗(yàn)儀 器 有 限 公 司 ； 毛 細(xì) 管 流 變 儀 ， 型 號(hào)CFT-500EX，日 本 島 津 ；差 式 掃 描量 熱 儀 ， 型 號(hào)DSC-204，德國(guó)耐馳；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào) UTM4104，深圳三思縱橫科技股份有限公司；膨脹系數(shù)測(cè)試儀，型號(hào) PCY-1200，湘潭湘儀儀器有限公司。

2.3 樣品制備

環(huán)氧塑封料的制備以環(huán)氧樹(shù)脂為基體樹(shù)脂，以酚醛樹(shù)脂為固化劑，加上填料、促進(jìn)劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑等其他微量組分，按一定比例經(jīng)過(guò)前混、擠出、粉碎、后混合、預(yù)成型等工藝制成。環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂按照當(dāng)量 1∶1 計(jì)算并稱量，保證樹(shù)脂總質(zhì)量 100 g保持不變，在此基礎(chǔ)上加入 860 g 硅微粉、21 g 增韌劑、3.3 g 阻燃劑 SPB100、2 g氣相二氧化硅、5 g 偶聯(lián)劑 KH-560、1.5 g巴西棕櫚蠟、3.5 g 炭黑、3.7 g 促進(jìn)劑。其他條件不變，表 1 是各組試驗(yàn)中環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂的具體質(zhì)量比。

將稱 量 后 的 粉 料 在 雙 輥 開(kāi) 煉 機(jī) 上 85 ℃ 混合6 min，出料，冷卻后粉碎至 50目。將粉碎后的塑封料用模壓機(jī)在 175 ℃、傳遞模壓強(qiáng)為 7 MPa 的條件下合模 60 s、保壓 60 s，壓制成待測(cè)樣條。

#1、#2、#3、#4 酚醛樹(shù)脂相同，環(huán)氧樹(shù)脂不同，用于對(duì)比不同類型的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)塑封料性能的影響。#4、#5、#6 環(huán)氧樹(shù)脂相同，酚醛樹(shù)脂不同，用于對(duì)比不同類型的酚醛樹(shù)脂對(duì)環(huán)氧塑封料性能的影響。

2.4 性能測(cè)試及表征

螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度、凝膠化時(shí)間測(cè)試、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、玻璃化溫度、撓度按 SJ/T 11197-2013 所規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

粘度測(cè)試采用高化流動(dòng)度試驗(yàn)儀，150 ℃， 0.5 mm口模尺寸，5 kg 砝碼。

固化行為采用差式掃描量熱儀 DSC 測(cè)試， 5℃/min升溫速率，氮?dú)鈿夥铡?/p>

剪切粘接強(qiáng)度測(cè)試參考 EMC 生產(chǎn)企業(yè)測(cè)試剪切粘接強(qiáng)度的方法，傳遞模壓力機(jī)類型與SJ/T 11197-2013 所述試驗(yàn)機(jī)一致，在 175 ℃條件下在 1 mm 厚紫銅片上模塑規(guī)格為Φ3.6 mm×Φ3.0 mm×3.0 mm 的圓錐形塑封體，參見(jiàn)圖 1，175 ℃條件下固化 4 h后，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試 EMC 與銅片的剪切粘結(jié)強(qiáng)度，5 個(gè)樣品為一組，取其平均值。

3 試驗(yàn)與討論

按照第 2.4 節(jié)的方法，分別測(cè)試 #1~#6 塑封料的凝膠化時(shí)間、螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度、粘度、固化反應(yīng)速率、彎曲性能、玻璃化溫度及粘結(jié)強(qiáng)度，考察不同樹(shù)脂各項(xiàng)參數(shù)的差異。

3.1 對(duì)凝膠化時(shí)間的影響

凝膠化時(shí)間是 EMC 的重要指標(biāo)，凝膠化時(shí)間越短，EMC 失去流動(dòng)的時(shí)間越短，表明EMC 反應(yīng)速度越快。凝膠化時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成注塑過(guò)程中出現(xiàn)注塑缺失、氣孔等；凝膠化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成固化不完全而粘模等現(xiàn)象。

表 2 是樣品在 175 ℃下的凝膠化時(shí)間數(shù)據(jù)。#1、#2、#3、#4 為 MEH-7800 型酚醛樹(shù)脂，凝膠化時(shí)間分別為 15 s、36 s、28 s、19 s，不同類型環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)速度排序?yàn)?nbsp;： 環(huán) 氧 SQCN700-2> 環(huán) 氧 NC-3000> 環(huán) 氧HP-7200> 環(huán)氧 YX-4000H；#4、#5、#6 為 NC-3000 型聯(lián)苯芳烷基型環(huán)氧樹(shù)脂，凝膠化時(shí)間分別為 19 s、24 s、27 s，不同類型酚醛樹(shù)脂的初步反應(yīng)速度排序?yàn)椋悍尤㎝EH-7800> 酚醛PF-8011> 酚醛 MEH-7851。

3.2 對(duì)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的影響

螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度的長(zhǎng)短對(duì)模塑工藝有很大的影響，不同封裝形式的模具有其對(duì)應(yīng)的最佳流動(dòng)長(zhǎng)度范圍。流動(dòng)長(zhǎng)度過(guò)短，在封裝時(shí)會(huì)造成注塑缺失、氣孔、沖絲等現(xiàn)象；流動(dòng)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成塑封體出現(xiàn)溢料、針孔。

表 3 是樣品在 175 ℃下的流動(dòng)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，流動(dòng)長(zhǎng)度排序如下：環(huán)氧 YX-4000H> 環(huán)氧HP-7200> 環(huán)氧NC-3000> 環(huán)氧 SQCN700-2；酚 醛 PF-8011>酚 醛MEH-7851>酚醛 MEH-7800。

3.3 對(duì)粘度的影響

粘度是考察 EMC 注塑過(guò)程中是否沖絲的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果粘度太大，會(huì)造成金線被沖彎，導(dǎo)致產(chǎn)品良率降低，甚至失效。

表 4 給出了各組實(shí)驗(yàn)樣品在 150 ℃的粘度數(shù)據(jù)。由表 4 可知，YX-4000H 型環(huán)氧制備的 EMC（#2）粘度最低。這是由于 YX-4000H 是結(jié)晶型環(huán)氧樹(shù)脂，外界溫度高于其熔點(diǎn)以后，YX-4000H 會(huì)融化為低粘度液體。環(huán)氧 HP-7200、環(huán)氧 NC-3000 和環(huán)氧SQCN700-2 為非結(jié)晶型，在 150 ℃條件下粘度要比 YX-4000H 高很多。因此，為提高硅微粉的填充量，可以考慮在 EMC 中加入一定量的 YX-4000H 來(lái)降低粘度。

對(duì)酚醛樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，MEH-7800 和 MEH-7851 制備的塑封料粘度接近，而 PF-8011 制備的塑封料粘度較大。

3.4 對(duì)固化反應(yīng)速率的影響

#1、#2、#3 和 #4 考察了在酚醛樹(shù)脂為MEH-7800、環(huán)氧樹(shù)脂不同情況下的固化情況。從表 5 中可知，SQCN700-2 型（1#）環(huán)氧、YX-4000H 型（2#）環(huán)氧和NC-3000 型（#6）環(huán)氧的起始溫度 Ti 分別為 102.1 ℃、99.6℃和 100.4℃，峰值溫度 Tp分別為 131.7℃、129.7℃和 128.1 ℃，終止點(diǎn)溫度 Te 分別為 157.3 ℃、157.4 ℃和153.9 ℃，3 種樣品的 Ti、Tp 和 Te 基本一致。但是 #3中所用 HP-7200 型環(huán)氧，Ti為 120 ℃，Tp 為 130.3 ℃，Te為 140.4 ℃，Ti 要比其他 3 種環(huán)氧高 20 ℃，而 Te卻比其他 3 種環(huán)氧低 15 ℃左右，表現(xiàn)出更優(yōu)的快速固化性。同樣，對(duì)比 #4、#5 和#6 測(cè)試結(jié)果可知，三者終止點(diǎn)溫度接近，PF-8011（#5）起始點(diǎn)較低，快速固化相對(duì)較優(yōu)。

在實(shí)際模塑過(guò)程中，這種快速固化性可以減少模塑時(shí)出現(xiàn)的粘模現(xiàn)象，減少清模頻次，提高生產(chǎn)效率。因此，單從快速固化反應(yīng)速度方面來(lái)看，#3 樣品對(duì)應(yīng)HP-7200 型環(huán)氧表現(xiàn)最佳。

3.5 樹(shù)脂體系對(duì)彎曲性能的影響

注塑目的是在芯片表面形成一個(gè)保護(hù)殼，對(duì)內(nèi)部芯片起到物理保護(hù)的作用。固化后的EMC 強(qiáng)度要足夠，而且內(nèi)應(yīng)力不能太大。在塑封器件中內(nèi)應(yīng)力呈一特定的應(yīng)力分布，其大小可近似用式（1）表示：

式（1）中σ 是內(nèi)應(yīng)力，K 是常數(shù)，Er 為模量，Δα 為EMC 與硅片等材料的熱膨脹系數(shù)之差，T、Tg 分別為EMC 的室溫和玻璃化溫度。

表 6 給出了不同樹(shù)脂體系下的塑封料彎曲性能結(jié)果。可以看出，幾種環(huán)氧樹(shù)脂制備的EMC 彎曲強(qiáng)度都比較大，完全能滿足對(duì)芯片的物理保護(hù)的要求。酚醛樹(shù)脂的種類對(duì)塑封料的彎曲強(qiáng)度影響不大，主要差別體現(xiàn)在環(huán)氧種類上。環(huán)氧 SQCN700-2 制備的塑封料彎曲強(qiáng)度最大，達(dá) 162.1 MPa。這是由于環(huán)氧 SQCN700-2分子結(jié)構(gòu)為鄰甲酚醛型，分子內(nèi)含有不易旋轉(zhuǎn)的剛性苯環(huán) 結(jié) 構(gòu) ，固 化 反 應(yīng) 后 分 子 交 聯(lián) 密度 大 。 環(huán)氧YX-4000H、環(huán)氧 NC-3000 和環(huán)氧 HP-7200 分子內(nèi)部的環(huán)氧基團(tuán)距離較遠(yuǎn)，因此交聯(lián)密度稍小，從而表現(xiàn)出彎曲強(qiáng)度略低。

模量和撓度方面，較低的模量和較大的撓度會(huì)使封裝后的產(chǎn)品在進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)時(shí)，不會(huì)因?yàn)閼?yīng)力過(guò)大而使芯片被破壞。環(huán)氧類 YX-4000H （#2）和NC-3000（#4）環(huán)氧制備的塑封料模量較低，撓度較大；酚醛樹(shù)脂類 MEH-7851（#6）型表現(xiàn)最佳。

3.6 樹(shù)脂體系對(duì)剪切粘接強(qiáng)度的影響

半導(dǎo)體封裝用 EMC 需要對(duì)基材有優(yōu)異的粘接力，這樣能保證 EMC 與基材之間不易分層，從而阻止塑封體分層引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、引線變形及水汽侵入影響電子元件。由表 7 可知，#2 樣品粘結(jié)強(qiáng)度最大，達(dá) 3.451 MPa，5# 最小，僅 0.845 MPa，即在酚醛樹(shù)脂相同的情況下，YX-4000H 型環(huán)氧表現(xiàn)出了優(yōu)異的剪切粘接強(qiáng)度；在環(huán)氧樹(shù)脂相同的情況下，MEH-7800則表現(xiàn)較優(yōu)。

剪切粘接強(qiáng)度是衡量塑封體是否分層的重要數(shù)據(jù)之一，因此從剪切粘接強(qiáng)度方面考慮，YX-4000H 環(huán)氧和 MEH-7800 酚醛樹(shù)脂組合更適宜用于高端 IC 的封裝。

3.7 樹(shù)脂體系對(duì)玻璃化溫度的影響

由式（1）可知，玻璃化溫度越低，塑封體的應(yīng)力越低。表 8 為樣品在相同條件下測(cè)得的玻璃化溫度情況。#1、#2、#5 樣品玻璃化溫度在 133~136 ℃，#3、#4、#6 玻璃化溫度較其他 3 個(gè)下降約 10 ℃，分別為 124.0 ℃、125.0 ℃、128.6 ℃。即環(huán)氧NC-3000、環(huán)氧 HP-7200、酚醛 MEH-7851 和酚醛 MEH-7800 表現(xiàn)出更低的玻璃化溫度，而環(huán)氧 SQCN700-2、環(huán)氧 YX-4000H、酚醛PF-8011 制備的塑封料玻璃化溫度相對(duì)略高。

綜上所述，由不同樹(shù)脂種類制備的環(huán)氧塑封料，相同測(cè)試條件下各項(xiàng)性能有不同程度的差異，且各自有優(yōu)勢(shì)。環(huán)氧 SQCN700-2 和酚醛 MEH-7800 凝膠時(shí)間最短；環(huán)氧 YX-4000H 和酚醛 PF-8011 螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)；YX-4000H 型粘 度 最 低 ，MEH-7800和 MEH-7851 粘度接近；環(huán)氧HP-7200 型和 PF-8011 固化略快； 環(huán) 氧 類 YX-4000H、NC-3000 和 酚 醛 樹(shù) 脂 類MEH-7851 型模量低，撓度大，彎曲性能方面表現(xiàn)最佳；剪切粘結(jié)強(qiáng)度方面，YX-4000H 環(huán)氧和 MEH-7800酚醛 樹(shù) 脂 表 現(xiàn) 顯 著 優(yōu)異 ；玻 璃 化 溫 度則 是環(huán)氧NC-3000 和酚醛 MEH-7800 較低。因此，在對(duì)環(huán)氧塑封料某項(xiàng)性能深入研究或?qū)嶋H封裝應(yīng)用時(shí)，從關(guān)注樹(shù)脂基材本身的差異性方面來(lái)說(shuō)，可預(yù)先參考以上數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，再根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

以市場(chǎng)上常見(jiàn)的不同種類樹(shù)脂制備了多種塑封料，并比較其凝膠化時(shí)間、螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度、粘度、固化反應(yīng)速率、彎曲性能、粘結(jié)強(qiáng)度及玻璃化溫度等各項(xiàng)性能上的差異。結(jié)果顯示，不同樹(shù)脂種類制備的環(huán)氧塑封料在各項(xiàng)性能上各具優(yōu)勢(shì)，YX-4000H 型環(huán)氧和MEH-7800 酚醛樹(shù)脂組合在粘結(jié)強(qiáng)度、流動(dòng)長(zhǎng)度、彎曲強(qiáng)度、低粘度等性能上表現(xiàn)較為突出，建議在對(duì) BGA、CSP、MCM、SIP 的 IC封裝形式的塑封料樹(shù)脂基材選擇上可優(yōu)先考慮；同時(shí)，其他數(shù)據(jù)可作為塑封料制備時(shí)樹(shù)脂基材選擇的參考。