高导热环氧模塑料的制备_段杨杨.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-04-04高导热环氧模塑料的制备段杨杨，谭 伟，李兰侠，刘红杰，范丹丹，刘玲玲，崔 亮，蒋小娟(江苏华海诚科新材料股份有限公司，江苏 连云港222047)摘要：介绍了导热系数大于3 W/(mK)高导热环氧模塑料的制备。以低黏度多芳香环（MAR）环氧树脂和MAR酚醛树脂为基体，以偶联剂处理的球形氧化铝做导热填料，磷类做催化剂，经高速混合机混合、双螺杆挤出机挤出，合成高导热环氧模塑料。并研究了不同偶联剂类型对弯曲强度的影响。通过改变填充量至93%，导热系数最高可达5.6 W/(mK)，且有较好的弯曲性能和流动性能。关键词：高导热；环氧模塑料；氧化铝中图分类号：TN305.94文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0019-04Preparation of Epoxy Molding Compound with HighThermal ConductiveDUAN Yangyang，TAN Wei，LI Lanxia，LIU Hongjie，FAN Dandan，LIU Lingling，CUI Liang，JIANG Xiaojuan(Jiangsu Huahai Chengke Advanced Material Co.，Ltd.，Lianyungang 222047，China)Abstract:Preparation of epoxy molding compound(EMC)with thermal conductive greater than 3 W/(m K)is introduced.Using multi-aromatic epoxy resin and multi-aromatic phenolic resin as matrix，and spherical alumina treated with coupling agent is used as a thermal filler and Phosphorus as a cata-lyst，by means of high-speed premixure and twin-screw extruder，the high thermal conductive EMC isobtained.Effects of different coupling agent on flexural strength are researched also.In addition，byadjusting the filler content to 93%，the thermal conductive could be up to 5.6 W/(m K).Meanwhile，EMC remains good fluidity and bending properties.Key words:High thermal conductive；Epoxy molding compound；Aluminum oxide随着封装密度的提高，芯片能耗越来越大，必然要求封装材料具有较高的热导率来满足元器件的散热要求。对于芯片封装材料环氧模塑料（EMC），提高其热导率的方法主要依靠高导热的填料在环氧树脂基体中形成导热链和导热网络1，2。最有效的方法就是提高填料的填充率或选择不同类材料制造工艺与设备19（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023型、不同粒度的高导热材料进行匹配。传统的EMC，一般选用绝缘性能、抗热震性能良好的硅微粉（熔融型和结晶型 SiO2）作填料，但因其导热性能不高，不能满足现在微电子电路的散热需求。因而选用更高导热的绝缘材料做填料成为研究热点，如-氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅等1-6，其导热系数及优缺点如表 1 所示。表1导热材料的导热系数及优缺点材料名称导热系数/W （m K）-1优缺点氮化铝80320导热系数非常高，价格昂贵，易水解，大量填充黏度急剧上升。氮化硼125导热系数非常高，价格非常高，大量填充体系黏度急剧上升。碳化硅83.6导热系数较高，产品纯度低，电导率高。结晶 SiO210价格低，适合大量填充，但导热系数偏低。-Al2O330针状价格便宜，填充量低；球形价格较贵（但低于氮化硼和氮化铝），可大量填充。综合考虑高导热填料的优缺点，最终选定球形氧化铝做高导热填料。为了获得尽可能高的填充量，以低黏度多芳香环（MAR）环氧树脂和 MAR 酚醛树脂为基体。但是，因为氧化铝其表面羟基较少6，制得环氧塑封料弯曲强度极低。通过研究不同偶联剂处理的氧化铝填料，发现含苯胺基团和环氧基团的偶联剂对弯曲性能有一定提升。同时研究了填料含量对导热系数和弯曲强度的影响。1实验部分1.1原料环氧树脂，NC-3000，日本化药；酚醛树脂，MEH-7851ss，明和化成；最大粒径 55 m 的氧化铝（其中，氧化铝含量 50%），联瑞新材，其 SEM图片如图 1 所示；磷类催化剂，自制；偶联剂KH560；脱模剂，巴西棕桐蜡；着色剂，炭黑。图1 55 m球形氧化铝的的SEM图1.2环氧模塑料的制备环氧模塑料制备的基本配方如表 2 所示。将环氧树脂、酚醛树脂、填料、催化剂、脱模剂和着色剂按表 2 中的质量比加入高速混合搅拌机中搅拌 5 min，然后喷雾加入偶联剂，继续搅拌 10 min，完成搅拌后经双螺杆挤出机挤出，冷却并造粒，经1.5 mm 孔径过筛，平板硫化机模压，175 固化90 s，125 后固化 4 h。表2基础配方成分配比/%环氧树脂6.3酚醛树脂4.3填料88磷类催化剂0.4偶联剂0.6脱模剂0.2着色剂0.2总量1001.3性能测试按 SJ/T 11197-1999 环氧模塑料的第 5.3 条凝胶 化 时 间 进 行 测 定 凝 胶 化 时 间(s)；按 SJ/T11197-1999 环氧模塑料的第 5.2 条螺旋流动长度进行测定流动距离(cm)；按 SJ/T 11197-1999 环氧模塑料的第 5.4 条测定密度；SED 15.0 kV WD 10.8 mm Std.PC 48.0 HighVac.x430STD 1591July 05 202150 m100 mSED 15.0 kV WD 10.9 mm Std.PC 48.0 HighVac.x170STD 1586 July 05 2021材料制造工艺与设备20（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023按 SJ/T 11197-1999 环氧模塑料的第 5.5 条测试弯曲强度、弯曲模量；按 SJ/T 11197-1999 环氧模塑料的第 5.7 条测试导热系数；按 SJ/T 11197-1999 环氧模塑料的第 5.11 条吸水率来测定吸水率值。2结果与讨论2.1氧化铝和偶联剂处理氧化铝的对比按表 2 中的基础配方配比制备环氧塑封料，其中 88%填料包括 6 个点的 1 m 硅微粉和 82 个点的 55 m 氧化铝。因氧化铝表面羟基较少，使得氧化铝与树脂基体界面相容性差，很难均匀分到树脂基体中。此外，氧化铝与树脂基体表面张力不同，树脂基体很难润湿分散粒子表面，从而使其界面处存在间隙，增加了复合材料的界面热阻。以未处理的氧化铝作填料，制得环氧塑封料弯曲强度很低，不能满足注塑成型的要求。以 3的含有乙烯基团、环氧基团、苯胺基团的偶联剂，分别处理氧化铝填料，制得环氧塑封料，其性能如表 3 所示。经不同偶联剂处理的氧化铝其弯曲强度均有所提升，密度增加，导热系数增大，说明偶联剂处理的氧化铝其润湿分散性提高，与树脂体系的相容性增强。以苯胺偶联剂处理的填料其弯曲强度最高增加 30%，但流动性明显降低，吸水率略有升高；以环氧偶联剂处理的氧化铝填料其弯曲强度增加 20%，流动性影响比苯胺小，吸水率基本不变；乙烯偶联剂对弯曲无明显提升。2.2填料含量对导热系数的影响以 C2 为基础配方，改变填料含量，其成品测试数据如表 4 所示。随着填料含量增加，导热系数增加，弯曲强度变大，吸水率降低，1逐渐减小。填料含量 93%，导热系数最高 5.6 W/m k，弯曲强度 180 MPa，1和吸水率很小，唯一缺限就是流动性下降，但能满足注塑要求。3结论以低黏度多芳香环（MAR）环氧树脂和 MAR酚醛树脂为基体，以偶联剂处理的球形氧化铝做导热填料，磷类做催化剂，经高速混合机混合、双螺杆挤出机挤出，制备了导热系数大于 3 W/(m K)的高导热环氧模塑料。使用环氧基、苯胺基不同偶联剂处理的氧化铝做填料，弯曲强度有不同程度提升，环氧基处理氧化铝弯曲强度提升 20%达到95 MPa，苯胺基处理的氧化铝弯曲强度提升 30%达到 102 MPa，但流动性下降明显；以环氧基偶联剂处理的氧化铝做填料，改变氧化铝的填充量，随着填料含量增加，导热系数增加，弯曲强度变大，吸水率降低，1逐渐减小。当填料含量达到 93%，弯曲强度 180 MPa，导热系数最高达到 5.6 W/(m K)。表3偶联剂处理氧化铝实验对比测试项目氧化铝处理方式GT/sSF/cm弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa导热系数/W/(m K)-1吸水率（PCT 24 h）/%密度/(kg m-3)C0未处理301087825 4002.910.302.86C13乙烯偶联剂32958226 5003.130.302.94C23环氧偶联剂35969528 3003.170.292.92C33苯胺偶联剂338010228 1003.150.332.93注：GT 表示凝胶化时间，SF 表示螺旋流动长度，二者测试温度均为 175。表4不同填料含量成品数据测试项目填料含量GT/sSF/cm弯曲强度/MPa弯曲模量/MPaTg/1(10-6)/2(10-6)/导热系数/W/(m K)-1吸水率（PCT，24 h）C28835969528 30012016703.170.29T190329411032 50012113493.50.27T291.5378815038 60012011404.40.26T393388018045 5001199225.60.23（下转第36页）材料制造工艺与设备21（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023时基片托板上的温差只有 2.3。6结束语通过建立氮化铝高温隧道烧结炉体截面加热单元仿真模型，在此基础上针对不同加热器布局方式计算加热单元截面温度均匀性。仿真计算结果表明，在基片载盘两侧与上部布置发热体时基片载盘截面具有更好的加热均匀性，同时，在加热器采用其自然下垂的凹状圆弧设计时，得到了更优的加热温度场。该加热器分布方式在实际研制的氮化铝高温隧道烧结炉设备也取得了较好的截面温度均匀性。参考文献：1高晓菊，李国斌，赵斌，等.氮化铝陶瓷生产关键技术研究现状J.兵器材料科学与工程，2011，34(3)：92-96.2邱基华.氮化铝陶瓷基板制备工艺的研究J.电子世界，2019(14)：59-60.3陈庆广，邓斌，王学仕，等 氮化铝高温隧道烧结炉设计及试验研究J.电子工业专用设备，2020，49(4)：27-32.4何永平，邓斌，万喜新，等.氮化铝高温隧道烧结炉控制系统设计J.电子工业专用设备，2020，49(6)：23-26.作者简介：何永平（1989），男，湖北荆州人，硕士，高级工程师，主要从事高温烧结、激光焊接、红外热处理等工艺设备的研究与设计工作。使用的球形氧化铝是最大粒径 55 m 的氧化铝，其 相含量在 50%左右。使用粒径更大的氧化铝和更高 相的氧化铝，