環(huán)氧模塑料中應(yīng)力改質(zhì)劑的使用討論

王殿年，李 進(jìn)，郭本東

（長興電子材料有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引言

隨著電子及電氣產(chǎn)品中半導(dǎo)體性能的高集成化、高性能化，IC半導(dǎo)體朝向高速化、IC尺寸大型化、多引腳數(shù)以及高功率的趨勢(shì)發(fā)展；半導(dǎo)體封裝技術(shù)也朝向高密度封裝、薄型封裝等多樣性的趨勢(shì)發(fā)展。因此，對(duì)于封裝材料的需求也不僅止于保護(hù)芯片與金線等要求，進(jìn)一步提高封裝產(chǎn)品性能與可靠性，是近年來對(duì)封裝材料不可或缺的要求。環(huán)氧模塑料熱應(yīng)力問題一直是EMC制造商和使用商所關(guān)注的問題，如何改善內(nèi)應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的傷害，各家方法不一，但就環(huán)氧模塑料制造商而言，可以通過添加應(yīng)力改質(zhì)劑、提高填料含量等來改善，本文就應(yīng)力改質(zhì)劑的添加使用進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)從應(yīng)力計(jì)算公式σ＝k{（α1-αc）E1（Tg-T1）＋（α2-αc）E2（T2-Tg）}來看，內(nèi)應(yīng)力的大小與模量呈正比關(guān)系，故本文的研究將直接以模量的變化來表征內(nèi)應(yīng)力的變化。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 應(yīng)力改質(zhì)劑

常用的應(yīng)力改質(zhì)劑有silicone oil和silicone powder，整體而言，對(duì)EMC內(nèi)應(yīng)力的減少都有正面意義，但兩者選用考慮各有利弊。在silicone powder方面，雖在膠材制程中分散較易，但隨著添加量的增加，整體膠材的黏度也相應(yīng)增加，這樣容易造成膠材模流性變差。在silicone oil添加方面，雖造成整體黏度下降模流性變好，但因添加與制作過程中牽扯液態(tài)與固態(tài)兩相的混合，易造成分散不均的情形。

目前各廠商均嘗試藉由預(yù)溶制程（將phenol resin加熱熔化后，再加入silicone oil以液態(tài)均一相來達(dá)成充分混合的目的）來克服，但時(shí)常會(huì)因黏度差異或其他分子結(jié)構(gòu)問題而無法充分混合，本實(shí)驗(yàn)silicone oil以預(yù)溶的方式達(dá)到在膠材內(nèi)的均勻分布，從而達(dá)到有效降低內(nèi)應(yīng)力的目的。

圖1 silicone oil與silicone powder在膠材內(nèi)的分布示意圖

在相同添加量（相同重量百分率）之下，我們推測silicone oil相對(duì)于silicone powder的應(yīng)力減少效果更佳，此論點(diǎn)可由圖1來說明，即以平均單位體積內(nèi)所含的彈性體單位數(shù)，silicone oil應(yīng)比silicone powder高，故silicone oil相對(duì)于silicone powder的應(yīng)力減少效果應(yīng)更好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

為比對(duì)方便，原則上我們保持silicone oil與silicone powder添加總量為2wt%，分別以silicone oil環(huán)氧當(dāng)量（EEW）、反應(yīng)濃度、反應(yīng)時(shí)間與silicone oil添加量為變因，探討對(duì)整體膠材的影響。整體prereaction反應(yīng)條件為：

加熱溫度：175℃。

2.2 環(huán)氧當(dāng)量

將表1完成的反應(yīng)物，添加至silica含量為76wt%的配方，完成配方的操作后進(jìn)行各項(xiàng)特性的測試，所得數(shù)據(jù)如表2。

圖2 S.F./G.T.與EEW關(guān)系圖

圖3 Flow test/Al peel與EEW關(guān)系圖

圖4 Strength與 EEW關(guān)系圖

圖5 Modulus與EEW關(guān)系圖

表1 不同環(huán)氧當(dāng)量比較

表2 表1完成物添加silica含量為76wt%的配方特性

2.3 反應(yīng)濃度

將表3完成的反應(yīng)物，添加至silica含量為76wt%的配方，完成配方的操作后進(jìn)行各項(xiàng)特性的測試，所得數(shù)據(jù)如表4。

表3 不同反應(yīng)濃度比較

表4 表3完成物添加silica含量為76wt%的配方特性

圖6 S.F./G.F.與reaction conc. 關(guān)系圖

圖7 Flow test/Al peel與reaction conc. 關(guān)系圖

圖8 Strength與reaction conc. 關(guān)系圖

圖9 Modulus與reaction conc. 關(guān)系圖

2.4 反應(yīng)時(shí)間

表5 不同反應(yīng)時(shí)間比較

將表5完成的反應(yīng)物，添加至silica含量為76wt%的配方，完成配方的操作后進(jìn)行各項(xiàng)特性的測試，所得數(shù)據(jù)如表6。

2.5 添加量

以反應(yīng)濃度50wt%反應(yīng)2min后備用，將反應(yīng)物添加至silica含量為76wt%的配方，完成配方的操作后進(jìn)行各項(xiàng)特性的測試，所得數(shù)據(jù)如表7。

3 結(jié)果討論

（1）在silicone oil環(huán)氧當(dāng)量方面，隨環(huán)氧當(dāng)量增加，黏度與modulus也隨之下降（如圖3、圖5）。當(dāng)環(huán)氧當(dāng)量增加時(shí)，其代表相同重量的分子數(shù)也隨之減少，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)程度亦較為完全（即未作用的silicone oil分子數(shù)較少），因此在充分結(jié)合的效應(yīng)下，對(duì)整體膠材黏度與modulus有一定程度的減少。相反地，環(huán)氧當(dāng)量較低的silicone oil反應(yīng)程度較不完全，加上混合性較差等雙重因素下，造成黏度與modulus減少程度較低，尤其Al peel測量值明顯降低（如圖3），也是反應(yīng)未完全的分子所造成（推斷為膠材受熱時(shí)，未反應(yīng)的silicone oil在無法與樹脂系統(tǒng)良好互溶的狀況下，因比重與黏度的雙重因素，造成分離并浮現(xiàn)在成型膠材表面上）。

（2）在反應(yīng)濃度影響方面，除反應(yīng)程度效應(yīng)外，與樹脂系統(tǒng)的互溶性也是重要因素。在低濃度時(shí)，藉由反應(yīng)在膠材中均以較大分子存在，故整體黏度相對(duì)于高濃度的對(duì)照組更高（如圖7），但由于未反應(yīng)的silicone oil分子亦可由互溶的方式分散在膠材中，故整體在反應(yīng)濃度方面無明顯差異（如圖7、圖9）。

（3）在反應(yīng)時(shí)間方面，同（2）項(xiàng)原因，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，黏度隨之上升。在其他性質(zhì)方面則無明顯差異。

（4）在添加量部份，除7.5g添加量的黏度與S.F.值有異常外，隨著添加量增加，黏度也隨之下降，并在添加量5g為臨界值。在modulus影響性部份，如同預(yù)期，隨添加量增加而下降。

（5）為比較silicone powder與silicone oil的效用差異，我們另外嘗試改變添加物種，將其實(shí)施于silica 76wt%的配方系統(tǒng)，所得結(jié)果如表8。

表6 表5完成物添加silica含量為76wt%的配方特性

表7 50wt%反應(yīng)濃度反應(yīng)2min后添加silica含量為76wt%的配方特性

表8 改變添加物實(shí)施于silica 76wt%的配方特性

從測試結(jié)果可了解，silicone oil添加可有效降低黏度與modulus，另外在silicone powder添加方面，與過去的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同（即黏度升高且可降低modulus）。

[1] H Lee, Y Y. Earmme.IEEE Trans Comp, package, Manufact Technol. 1996, 19,168.

[2] J H Lupinski. Polymer Materials for Electronic Packaging and Interconnection[A]. American Chemical Society,Washing ton DC. 1989, 286.