不同規(guī)格色素炭黑對環(huán)氧塑封料性能的影響

曹二平，蔡曉東，牟海燕

（1.衡所華威電子有限公司上海衡鎖電子分公司，上海 200120；2.衡所華威電子有限公司，江蘇連云港 222006）

1 引言

環(huán)氧塑封料是由環(huán)氧樹脂、固化劑、填料、炭黑及其他助劑制備的一種復(fù)合材料，以優(yōu)異的力學性能、粘合性能、化學穩(wěn)定性和電絕緣性能著稱，主要用于芯片封裝［1］。隨著材料成型工藝技術(shù)的進步和模塑料的發(fā)展，在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域，最適合集成電路封裝的材料是環(huán)氧塑封料，目前環(huán)氧塑封料占芯片封裝材料的95%以上［2-3］。炭黑是由氣態(tài)或液態(tài)烴不完全燃燒或熱分解得到的純碳元素，它是大量炭黑微晶體圍繞著一個中心緊密堆積而成的顆粒狀物質(zhì)，在炭黑粒子中，碳原子是以類石墨形狀排列而成的炭黑準晶體［4］。色素炭黑在環(huán)氧塑封料中主要起著色作用，利于芯片遮蓋及在封裝體表面進行激光打標；同時色素炭黑具有一定的導(dǎo)電性，炭黑的加入會影響環(huán)氧塑封料的電絕緣性能［5-6］。隨著芯片的發(fā)展，耐高壓芯片等應(yīng)用對環(huán)氧塑封料的電性能和激光打標清晰度提出了更高的要求。

劉青等研究了導(dǎo)電炭黑對熱塑性聚烯烴彈性體膠料機械性能和電性能的影響［7］。激光打標是一種環(huán)保標識技術(shù)，其主要利用高能量密度的激光束對目標進行作用，使其表面發(fā)生物理或化學變化從而獲得可見圖案［8］。不同規(guī)格的色素炭黑對環(huán)氧塑封料性能的影響有待研究。本文研究了5 種不同規(guī)格的色素炭黑對環(huán)氧塑封料的理化性能、電性能和激光打標清晰度的影響。

2 試驗部分

2.1 主要原材料

試驗采用的主要原材料為湖南嘉盛德材料科技股份有限公司的多芳型環(huán)氧樹脂BPNE 3501LL 和多芳型酚醛樹脂BPNH 9781S，歐勵隆工程碳有限公司的色素炭黑Printex 140 U 和NEROX 3500，四川正好特種炭黑科技有限公司的色素炭黑JY 2021，三菱化學有限公司的色素炭黑MA600 以及卡博特化工有限公司的色素炭黑Mogul H。5 種規(guī)格色素炭黑的理化特性見表1。

表1 5 種規(guī)格色素炭黑的理化特性

2.2 配方設(shè)計及制備

本試驗采用單一控制變量法，研究不同規(guī)格的色素炭黑對環(huán)氧塑封料物理性能、電性能和激光打標清晰度的影響，配方如表2 所示，用高速攪拌機將多芳型環(huán)氧樹脂、多芳型酚醛樹脂和其他助劑等分別與5 種規(guī)格、質(zhì)量分數(shù)都為0.3%的色素炭黑均勻混合，利用擠出機捏合，將擠出溫度設(shè)置在60～100 ℃，將出料溫度控制在90～120 ℃。出料后經(jīng)壓延機壓制和冷卻帶冷卻，再經(jīng)粉碎機粉碎，得到粉末狀樣品A、B、C、D和E。

2.3 主要設(shè)備及儀器

試驗所需的主要設(shè)備及儀器有：Advantest 公司的高阻儀TR8601，用來測試環(huán)氧塑封料的體積電阻率；Lacerta 公司的介電性能譜儀DS6000，用來測試環(huán)氧塑封料的離子電導(dǎo)率；托普斯公司的激光開封機TL-1Pro，用來對環(huán)氧塑封料進行激光打標。

表2 樣品A、B、C、D 和E 的成分（質(zhì)量分數(shù)）

3 分析與討論

3.1 塑封料理化性能

將2～3 g 環(huán)氧塑封料放置在175 ℃的熱盤上，用秒表計時，使用刮刀均勻攪拌試樣，至試樣凝膠時停止計時，該時間為凝膠化時間，測試3 次取平均值。按照EMI-1-66 法，采用螺旋流動測量模具，在175 ℃、7 MPa 注塑壓力和90 s 固化時間下進行測量，測試3次取流動長度平均值；依據(jù)標準ASTM D 2240，在相同試驗條件下，采用邵氏硬度計對樣品進行熱硬度測量，測試3 次取平均值。樣品A、B、C、D 和E 的性能參數(shù)測試結(jié)果如表3 所示。

表3 樣品A、B、C、D 和E 的理化性能

由表3 可知，不同規(guī)格的色素炭黑對凝膠時間的影響不明顯。炭黑聚結(jié)體越大、越復(fù)雜，聚結(jié)體有更多的空隙，炭黑會有更大的吸油值。不同規(guī)格的色素炭黑隨著吸油值的降低，凝膠時間沒有明顯的變化，說明凝膠時間主要是受環(huán)氧樹脂、固化劑和固化促進劑等因素影響，添加少量的炭黑不會明顯影響模塑料的交聯(lián)固化速度。模塑料的螺旋流動長度從樣品A 的145 cm 逐漸增加到樣品D 和樣品E 的150 cm，增加了3.4%，有明顯變長的趨勢。螺旋流動長度整體變化幅度小，是因為炭黑的添加量少，對其影響??；螺旋流動長度體現(xiàn)出變長的趨勢，是因為隨著炭黑吸油值的降低，其由復(fù)雜的高結(jié)構(gòu)炭黑逐漸變成低結(jié)構(gòu)炭黑；高結(jié)構(gòu)炭黑的炭黑原生粒子聚結(jié)程度高、鏈枝復(fù)雜且有更多空隙，對樹脂的作用力大，降低了模塑料整體的流動性；反之，低結(jié)構(gòu)炭黑對樹脂的作用力小，對模塑料的流動性影響?。?］。

不同規(guī)格的色素炭黑對模塑料的熱硬度影響小，其中樣品A 的熱硬度最高，樣品D 的熱硬度最低。樣品A 熱硬度最高與其螺旋流動長度最短相對應(yīng)，體現(xiàn)出高結(jié)構(gòu)炭黑對樹脂的強相互作用力，模塑料體現(xiàn)出高剛性；而樣品D 的熱硬度最低，是因為樣品D 中的炭黑原生粒徑為21 nm，吸油值為65 ml/100 g，樣品E中的炭黑原生粒徑為31 nm，吸油值為52 ml/100 g，相比而言，樣品E 中炭黑的聚集體體積大于樣品D 中的炭黑聚集體體積，樣品E 中的炭黑剛性更強，故樣品E的剛性及熱硬度高于樣品D。

3.2 色素炭黑規(guī)格對模塑料電性能的影響

樣品A、B、C、D、E 的體積電阻率如圖1 所示，由圖1 可知，模塑料的體積電阻率隨炭黑吸油值的減小先增大后減小，從樣品A 的12.3×1015Ω·cm 提高到樣品D 的14.7×1015Ω·cm，提高了19.5%。模塑料體積電阻率隨炭黑吸油值的變化先增大，是因為樣品A 中的炭黑是高結(jié)構(gòu)炭黑，聚結(jié)程度高、鏈枝復(fù)雜，最容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；而樣品D 中的炭黑是低結(jié)構(gòu)炭黑，最難形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。樣品E 中的炭黑體積更大，聚集程度比樣品D 中的炭黑高，其體積電阻率降低，絕緣性能下降。

圖1 樣品A、B、C、D、E 的體積電阻率

由圖2 中樣品A、B、C、D 和E 的離子電導(dǎo)率曲線可知，在200 ℃前，炭黑吸油值及測試溫度的變化對模塑料的離子電導(dǎo)率的影響不明顯。在200 ℃后，樣品A的離子電導(dǎo)率曲線隨溫度升高而迅速升高，樣品B、C、E 和D 的曲線也隨溫度升高而升高，炭黑吸油值及溫度的變化對模塑料離子電導(dǎo)率的影響逐漸變得明顯。從圖2 曲線可以看出，在相同溫度下，樣品A 的離子電導(dǎo)率最高，樣品B、C、E 和D 的離子電導(dǎo)率依次降低。從離子電導(dǎo)率的結(jié)果可以看出，模塑料的離子電導(dǎo)率隨炭黑吸油值的變化規(guī)律與其體積電阻率的變化規(guī)律相反，共同證明樣品A 的電絕緣性能最差，樣品D 的電絕緣性能最好。

3.3 色素炭黑的規(guī)格對模塑料激光打標清晰度的影響

圖3 所示為樣品A、B、C、D、E 在模塑成型后，以波長為1064 nm、功率為5.0 W、速度為500 mm/s 的激光對各樣品進行打標后的效果。從圖3 可以看出，隨著炭黑吸油值的變化，樣品表面顏色逐漸從灰白色過渡到深黑色，然后再變?yōu)闇\黑色，激光打標的清晰度先提高后下降。樣品A 中是高結(jié)構(gòu)炭黑，其聚集體顆粒大，同添加量下黑度低；激光打標時炭黑難燒蝕，露出的白色硅粉填料少，打標圖案對比度低，從而導(dǎo)致打標不清。樣品B、C 和D 中的炭黑聚集體顆粒依次變小，黑度逐漸提高，炭黑變得易燒蝕，對比度提高，打標清晰度增高。樣品E 中的炭黑原生粒徑最大，聚集體顆粒也大于樣品D 中的顆粒，所以樣品E 的黑度比樣品D 的黑度低。

圖2 樣品A、B、C、D、E 的離子電導(dǎo)率

圖3 樣品A、B、C、D、E 在模塑成型后的激光打標效果

4 結(jié)論

本文研究了特定的多芳型環(huán)氧樹脂、多芳型酚醛樹脂和其他助劑配方中不同規(guī)格的色素炭黑對環(huán)氧塑封料理化性能、電性能和激光打標清晰度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同規(guī)格的色素炭黑對模塑料的凝膠時間影響小，模塑料中高吸油值的炭黑會降低其螺旋流動長度，提高其熱硬度。模塑料的體積電阻率隨著炭黑吸油值的減小先增大后減小，離子電導(dǎo)率的變化規(guī)律則證明添加具有適當吸油值的炭黑可提高模塑料的電絕緣性能。模塑料的黑度隨炭黑吸油值的減小先提高后降低，用波長為1064 nm 的激光打標，其打標清晰度隨炭黑吸油值的降低先逐漸提高再下降。