以市場上常見的不同種類樹脂制備了多種環(huán)氧塑封料，并比較其凝膠化時間、螺旋流動長度、粘度、固化反應(yīng)速率、彎曲性能、玻璃化溫度及粘結(jié)強度等性能指標的差異，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酚醛樹脂組合粘結(jié)強度為3.451 MPa、螺旋流動長度為 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 稱EMC）是一種單組份熱固性塑料，主要成分是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、潛伏性促進劑、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，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、高流動性等特性。

環(huán)氧塑封料的性能受環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的種類影響很大。近年來，學(xué)術(shù)界在不同種類的環(huán)氧樹脂的合成、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，尤其是市售樹脂基材選擇方面的差異則少有報道。為此，本文以市場常用的幾種環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂制備相應(yīng)塑封料，并考察其EMC 凝膠化時間、流動性能、粘度、固化性能、彎曲性能、剪切粘接強度和玻璃化溫度的差異和影響。

2 實驗過程

2.1 主要原料

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

酚醛樹脂固化劑：線性苯酚甲醛樹脂，型號PF-8011，濟南圣泉集團股份有限公司；XYLOCK 型酚醛樹脂，型號 MEH-7800，明和產(chǎn)業(yè)株式會社；聯(lián)苯芳烷基型酚醛樹脂，酚醛樹脂 MEH-7851，明和產(chǎn)業(yè)株式會社。

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，德國瓦克化學(xué)；增韌劑 P52，德國瓦克化學(xué)；阻燃劑 SPB100，日本大?；瘜W(xué)；巴西棕櫚蠟、炭黑為市售；促進劑為對苯醌與三苯基膦絡(luò)合物按照摩爾比 1∶1 混合制得。

2.2 主要設(shè)備及儀器

雙輥開煉機，型號 X(S)K-160，無錫明達橡塑機械有限公司；模壓機，型號 MP-50，上海大愛電子機械工程有限公司；凝膠化時間測試儀，型號 GT-Ⅲ，德州市高通 實 驗儀 器 有 限 公 司 ； 毛 細 管 流 變 儀 ， 型 號CFT-500EX，日 本 島 津 ；差 式 掃 描量 熱 儀 ， 型 號DSC-204，德國耐馳；萬能試驗機，型號 UTM4104，深圳三思縱橫科技股份有限公司；膨脹系數(shù)測試儀，型號 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)氧樹脂為基體樹脂，以酚醛樹脂為固化劑，加上填料、促進劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑等其他微量組分，按一定比例經(jīng)過前混、擠出、粉碎、后混合、預(yù)成型等工藝制成。環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂按照當(dāng)量 1∶1 計算并稱量，保證樹脂總質(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 促進劑。其他條件不變，表 1 是各組試驗中環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂的具體質(zhì)量比。

將稱 量 后 的 粉 料 在 雙 輥 開 煉 機 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在 175 ℃、傳遞模壓強為 7 MPa 的條件下合模 60 s、保壓 60 s，壓制成待測樣條。

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

2.4 性能測試及表征

螺旋流動長度、凝膠化時間測試、彎曲強度、彎曲模量、玻璃化溫度、撓度按 SJ/T 11197-2013 所規(guī)定的方法進行測試。

粘度測試采用高化流動度試驗儀，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 測試， 5℃/min升溫速率，氮氣氣氛。

剪切粘接強度測試參考 EMC 生產(chǎn)企業(yè)測試剪切粘接強度的方法，傳遞模壓力機類型與SJ/T 11197-2013 所述試驗機一致，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，參見圖 1，175 ℃條件下固化 4 h后，使用萬能試驗機測試 EMC 與銅片的剪切粘結(jié)強度，5 個樣品為一組，取其平均值。

3 試驗與討論

按照第 2.4 節(jié)的方法，分別測試 #1~#6 塑封料的凝膠化時間、螺旋流動長度、粘度、固化反應(yīng)速率、彎曲性能、玻璃化溫度及粘結(jié)強度，考察不同樹脂各項參數(shù)的差異。

3.1 對凝膠化時間的影響

凝膠化時間是 EMC 的重要指標，凝膠化時間越短，EMC 失去流動的時間越短，表明EMC 反應(yīng)速度越快。凝膠化時間過短，會造成注塑過程中出現(xiàn)注塑缺失、氣孔等；凝膠化時間過長，會造成固化不完全而粘模等現(xiàn)象。

表 2 是樣品在 175 ℃下的凝膠化時間數(shù)據(jù)。#1、#2、#3、#4 為 MEH-7800 型酚醛樹脂，凝膠化時間分別為 15 s、36 s、28 s、19 s，不同類型環(huán)氧樹脂的反應(yīng)速度排序為 ： 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)氧樹脂，凝膠化時間分別為 19 s、24 s、27 s，不同類型酚醛樹脂的初步反應(yīng)速度排序為：酚醛MEH-7800> 酚醛PF-8011> 酚醛 MEH-7851。

3.2 對螺旋流動長度的影響

螺旋流動長度的長短對模塑工藝有很大的影響，不同封裝形式的模具有其對應(yīng)的最佳流動長度范圍。流動長度過短，在封裝時會造成注塑缺失、氣孔、沖絲等現(xiàn)象；流動長度過長，會造成塑封體出現(xiàn)溢料、針孔。

表 3 是樣品在 175 ℃下的流動長度數(shù)據(jù)，流動長度排序如下：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 對粘度的影響

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

表 4 給出了各組實驗樣品在 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)氧樹脂，外界溫度高于其熔點以后，YX-4000H 會融化為低粘度液體。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 來降低粘度。

對酚醛樹脂來說，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 對固化反應(yīng)速率的影響

#1、#2、#3 和 #4 考察了在酚醛樹脂為MEH-7800、環(huán)氧樹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，對比 #4、#5 和#6 測試結(jié)果可知，三者終止點溫度接近，PF-8011（#5）起始點較低，快速固化相對較優(yōu)。

在實際模塑過程中，這種快速固化性可以減少模塑時出現(xiàn)的粘?，F(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)速度方面來看，#3 樣品對應(yīng)HP-7200 型環(huán)氧表現(xiàn)最佳。

3.5 樹脂體系對彎曲性能的影響

注塑目的是在芯片表面形成一個保護殼，對內(nèi)部芯片起到物理保護的作用。固化后的EMC 強度要足夠，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 給出了不同樹脂體系下的塑封料彎曲性能結(jié)果?？梢钥闯?，幾種環(huán)氧樹脂制備的EMC 彎曲強度都比較大，完全能滿足對芯片的物理保護的要求。酚醛樹脂的種類對塑封料的彎曲強度影響不大，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度最大，達 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)氧基團距離較遠，因此交聯(lián)密度稍小，從而表現(xiàn)出彎曲強度略低。

模量和撓度方面，較低的模量和較大的撓度會使封裝后的產(chǎn)品在進行冷熱沖擊試驗時，不會因為應(yīng)力過大而使芯片被破壞。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；酚醛樹脂類 MEH-7851（#6）型表現(xiàn)最佳。

3.6 樹脂體系對剪切粘接強度的影響

半導(dǎo)體封裝用 EMC 需要對基材有優(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)強度最大，達 3.451 MPa，5# 最小，僅 0.845 MPa，即在酚醛樹脂相同的情況下，YX-4000H 型環(huán)氧表現(xiàn)出了優(yōu)異的剪切粘接強度；在環(huán)氧樹脂相同的情況下，MEH-7800則表現(xiàn)較優(yōu)。

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

3.7 樹脂體系對玻璃化溫度的影響

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略高。

綜上所述，由不同樹脂種類制備的環(huán)氧塑封料，相同測試條件下各項性能有不同程度的差異，且各自有優(yōu)勢。環(huán)氧 SQCN700-2 和酚醛 MEH-7800 凝膠時間最短；環(huán)氧 YX-4000H 和酚醛 PF-8011 螺旋流動長度較長；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 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)強度方面，YX-4000H 環(huán)氧和 MEH-7800酚醛 樹 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，在對環(huán)氧塑封料某項性能深入研究或?qū)嶋H封裝應(yīng)用時，從關(guān)注樹脂基材本身的差異性方面來說，可預(yù)先參考以上數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，再根據(jù)實際情況擇優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

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