（材料学专业论文）03型复合电子封装材料的理论计算与优化设计.pdf

摘要 摘、要 利用化学能诱导产生的脉冲电能，其储能密度高、电源体积小、抗电磁干扰 能力强，在特殊应用中显示了优于传统脉冲电源的特性。把电源用于换能器进行 封装更适应于储能器件。因此研究和开发具有低介电、高冲击阻抗及良好力学性 能的新型封装材料就显得更加重要。 本文以脉冲电源换能器的封装为背景，首先建立了不同联接方式的( o 3 型 与1 3 型) 复合电子封装材料的声电学物理模型。主要以颗粒相的体积分数为变 量，讨论其介电常数，特征声阻抗和径向声速等性能参数。比较了不同的基体对 复合材料性能的影响。计算结果表明：复合材料的介电常数和声阻抗随着掺杂相 体积分数的增加而呈线性增大：1 3 型联接在相同体积情况下要比o 3 型联接的结 果大。选择不同的基体，对复合材料的声阻抗与介电常数的影响比较大。其中具 有较高介电常数和硬度的颗粒与具有较低密度和较高柔软性的聚合物搭配起来制 作的复合材料更适合应用于换能器的封装。 其次建立了颗粒填充树脂材料的新的轴对称模型。利用该模型分析了整个复 合材料的应力分布，比较了两种不同氧化铝颗粒形貌( 柱形与球形) 对复合材料 体系应力的影响，利用不同的基体形貌( 球体和圆柱体) 验证了新的轴对称模型。 当硬性颗粒加入到柔性基体时，复合材料的断裂主要表示为基体材料的破坏。建 立的新的轴对称模型与传统的轴对称模型相比，亦可以表现出基体的力学行为。 球形颗粒与柱形颗粒相比，其在单轴压缩载荷的条件下，复合材料的压缩显得更 容易，其更不易被破坏。基体的不同形貌对复合材料力学也有影响。 关键词：颗粒增强复合封装材料，物理模型，声阻抗，介电常数，力学强度，颗 粒形貌 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u l s e de l e c t r i c a le n e 唱yc a u s e db yc h e m i c a le n e 玛yi sb e t t e rt h a j lt l l e 仃a d i t i o n a lo n ei nt h es p e c i a la p p l i c a t i o nf o ri t sh i 曲e n e r g ys t o r a g ed e n s i t y ，1 0 w c 印a c i t y 1 1 i g l lr e s i s t 锄tt ot h ee l e c 怕m a 朗e t i ci n t e r f e r e i l c e i t sa d 印tt oe n e 玛ys t o r a g e c a p a c i t o rw h e ni t su s e di nt l l et 啪s d u c e rs oi t sv e 巧i i n p o r t a mt op a yr e s e a r c ho nt h e 1 0 wd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，h i 曲a c o u s t i ci m p e d 肌c e ， g o o d s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，n e w 锄c a p s u l a t i o n m a t e r i a l s f i r s t l y as i m p l em o d e lf o rm ed i 触e n tc o 肌e c t i v i t y ( o - 3 觚d1 - 3 ) o fe l e c n d n i c c 印s u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dw h e r em ev o l 啪e 矗a c t i o no fm ep a i t i c l ep h a s ei s c a l c u l a t e dt oo p t i m i z et h ed i e l e c t r i cc o n s t a m ，s p e c i f i ci m p e d a n c e 趴dt l l el o r 酒t u d i n a l v e l o c i t y ia l s oc o m p a r ew i md i 仃e r e n tp 0 1 y m e rm a t r i x 7 i l l er e s u l ti n d i c a t e sm a tt h e p e r f o 姗鲫c eo ft l l ec o n l p o s i t e si n c r e a s e s1 i n e a r l yw i mt h e v o l u m e 疳a c t i o no ft h e p a n i c l e t h e 1 3c o n n e c t i v i t yi s l a 玛既、t h 锄t l l e0 - 3c o n n e c t i v i t yu i l d e rt h es 锄e v o l u m e 劬c t i o nc o l l d i t i o n t h es e l e c t i o no ft l l ep 0 1 y m e ri sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l i t i i l d i c a t e st h a tt h ep o l y m e rh 弱ag r e a t l ye f f e c to nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta l l da c o u s t i c i i n p e d a n c e t h eh i 曲e rd i e l e c 印cc o n s t a n t ，s t i 能rp a n i c l e 锄dt h e1 0 w e rd e n s i t y ，s o n e r p o l y m e ra r eg o o df o ro u rd e s i g n t h e r e f o r e ，t l l em o d e l i n gi sag o o dw a y t od c s i g nt h e c o m p o s i t ei nt h es m a r ts t n l c t u r ef o rt r 锄s d u c e rp a c k a g i n g s e c o n d l y ，b yu t i l i z i n gm e f i n i t ee l 伽【l e n tm e m o dc o m b i n e dw i t hc e l lm o d e l s ，m e e f r c c t so fs o nm a t r i xm o 印h o l o 西e sc o m p o s i t e sw i t l lh a r dr e i n f o r c i n gp a n i c l e sa r e i n v e s t i g a t e d an e wm o d e ln o tc o n s i d 甜n gt l l ep a i t i c l eh 嬲b e e nu s e df o ro u r r e s e a r c h w i t ht h ea 】【i s y m m e t r i cu n i tc e nm o d e l ，c o m p a r e dw i t hm ec l 嬲s i c a la ) 【i s y m m e t r i cc e u m o d e l ，t a l 【i n gm ep a n i c l ei n t o c o n s i d e r a t i o n t h ec y l i n 曲c a la i l dt h es p h e r i c a l i n c l u s i o nh a v eb e e nc a l c u l a t e du s i n gt h et w od i f r e r e n tm o d e l s t h ed i 位r e n tm a t r i x m o 印h 0 1 0 百e sh a v eb e e nu s e dt op r o v eo u rn e wm o d e l t h ee f r e c t so fm a t r i xn o w h i h a v i o ro nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fm em a t r i xh a v eb e e nd e r i v e du s i n gt h eb o t h m b d e l s t h er e s u l t ss h o wt l l a tn l es p h e r i c a lp a r t i c l ei se 弱i e rt oc o m p r e s sm a i lt h e c y l i n d l i c 以o n ea n d i t s 9 0 0 d f o rm ed i m p l e 矗a c t l 】r eo ft l l em a t r i x m a 仃奴 m o 啦b o l o g i e sa l s oh a v ee f f e c to n 也es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft l l ec o m p o s i t e 1 西y w o r d s ： p a n i c l er e i n f o r c e dc o n l p o s i t e s ，p h y s i c a lm o d e l ，a c o u s t i ci m p e n d e n c e ， d i e l e c t r i cc o n s t a n t ，s t r e s s ，p a r t i c l em o 印h o l o g i e s i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采并j 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名 、7 年甲月参日芦_ 年叶月l 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 7 年中月佣 ， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在当今信息时代，随着便携式计算机、移动通信及军事电子技术的迅速发展， 对集成电路( i c ) 的需求量急剧攀升，这就促使微电子封装技术迎来了“爆炸式”的发 展时期。在新世纪中，以i c 产业为代表的微电子工业的发展，为电子封装行业创 造了无限的发展机遇。在我国大陆4 0 0 多个半导体厂所从事封装或兼搞封装的有 2 0 0 余家。据专家测算，在未来l o 年中，国内在封装行业的投资将达6 0 0 亿人民 币，国外在中国用于电子封装业的投资将达到7 5 亿美元。 封装就是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求合理布置、组 装、键台、连接、与环境隔离和保护等操作工艺，以防止水分、尘埃及有害气体 对电子器件或集成电路的侵入，减缓震动，防止外力损伤和稳定元件参数【1 2 l 。随 着电子领域中的封装器件高性能化和高密度封装技术的迅速发展，存储器的集成 度大约每三年提高三倍，因而要求封装材料和封装技术要实现高性能化、多样化。 根据不同产品的结构要求，它可分为灌封、包封和塑封等不同封装方式；按封装 材料的不同可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装【3 1 。封装材料和封装技术的发展 是相互制约、相互促进的，高性能封装材料将促进封装技术的发展，封装技术的 发展也对封装材料提出了更高的要求。 ， 电子封装的发展主要经历了以下四个阶段：7 0 年代器件的主流封装形式为通 孔器件和插入器件，以d 碑( d u a li l ll i n c ) 和p g a ( p i l l 鲥da n 可) 为代表，器件分别通 过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度， 因而组装效率较低，同时器件的封装密度也较低。8 0 年代出现了表面安装技术， 器件通过回流技术进行焊接，由于回流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自 对准效应，降低了对贴片精度的要求，同时回流焊接代替了波峰焊，也提高了组 装成品率。此阶段的器件封装类型以p l c c ( q 聊和q f p 为主，由于采用四面引脚， 因而也在很大程度上提高了封装和组装的密度。9 0 年代随着器件引脚增加及对封 装、组装亮度的要求，出现了球栅阵列式封装b g a ( b a l l 鲥da m y ) 。典型的b g a 以有机衬底( 如b t ) 代替了传统封装内的引线框架。目前通过多层板布线技术实现 焊点在器件下面的阵列平面分布，既减轻了引脚间不断下降在贴装面所遇到的阻 力，同时又实现了封装、组装密度的大大增加，因而很快获得了大面积的推广， 两北t 业大学硕十学位论文 且在产业中的应用急剧增长。 电子封装技术的重要支撑是电子封装材料。对集成电路封装来说，电子封装 材料是指集成电路的密封体。现在电子封装材料行业已成为半导体行业中的一个 重要分支，它涉及到化学、电学、热力学、机械和工艺设备等多种学科。我国电 子封装材料经过几十年的不懈努力，取得了长足进步。近年来，许多海外在大陆 的企业为了降低封装成本，纷纷实施封装材料当地化配套策略，特别是作为封装 技术更高发展阶段的多芯片组件( m c m ) 的迅猛发展，为我国电子封装材料的发展 提供了大好的机遇。电子封装区域小型化、芯片集成度的提高而使集成电路的功 率提高所带来的直接问题就是芯片工作温度很高，性能不稳定。降低芯片温度可 有很多方法，如冷冻法、水循环冷却、微型风扇散热等，但都不能从根本上解决 问题，因此研究和开发具有高热导率及良好综合性能的新型封装材料就显得更加 重要【4 1 。 塑料封装材料是封装材料之中的后起之秀。塑料封装材料主要以环氧树脂和 有机硅为主，其次为有机硅环氧、聚酚亚胺和液晶聚合物即j 。早在二十世纪中期， 塑料封装半导体器件生产的初期，人们曾使用环氧、酸酐固化体系模塑料用于塑 封晶体管生产。但是由于玻璃化温度( t g ) 偏低、氯离子含量偏高等原因，而未被广 泛采用。1 9 7 2 年美国m o n o n 化学公司成功研制出邻甲酚醛环氧一酚醛树脂体系模 塑料，此后人们一直沿着这个方向不断的研究、改进、提高和创新，也不断出现 很多新产品。1 9 7 5 年出现了阻燃型环氧模塑料，1 9 7 7 年出现了低水解氯的环氧模 塑，1 9 8 2 年出现了低应力环氧模塑料，1 9 8 5 年出现了有机硅改性低应力环氧模塑 料，1 9 9 5 年前后分别出现了低膨胀、超低膨胀环氧模塑料、低翘曲环氧模塑料等。 直到2 0 0 3 年，中电华威公司在国内率先成功研制了不含卤不含锑的绿色环保塑封 料，并且能够满足无铅焊料工艺的性能要求。环氧树脂价格相对较便宜、成型工 艺简单、适合大规模生产、可靠性也较高，因此近1 0 年来发展很快。目前国外半 导体器件的8 0 一9 0 ( 日本几乎全部) 由环氧树脂封装材料所代替，其发展前景 十分看好。 1 2 颗粒填充复合型封装材料的研究 1 2 1 复合封装材料中用环氧树脂 环氧树脂可用于金属与非金属或不同质的材料之间的粘接，该类胶粘剂与其 它胶粘剂相比，具有如下优点睁9 j ：( 1 ) 粘接强度高。在环氧树脂中有氢基，环氧基 醚键等极性基团。由于极性基团对被粘表面分子产生强电磁亲和力或化学键力， 第一章绪论 因而具有高粘接性能。( 2 ) 改变性能的范围大。与其它树脂相比，环氧树脂的固化 剂种类繁多，而且可以加入许多材料改性以及加入不同填料而得到多种性能的环 氧类胶粘剂。( 3 ) 工艺性能良好。它在室温下加压或不加压都可固化，并能获得良 好的强度。在不加入固化剂和不含有碱性组分时，其可以长期保存。( 4 ) 耐介质性 能好。因为在固化体系中，醛基苯环和脂肪氢基能够耐酸、碱的侵蚀，由于它的 树脂分子链紧密，且交联密度大，故耐溶剂性、耐油性和耐湿热性能较好。( 5 ) 使 用温度范围广。一般双酚a 型环氧树脂的使用温度为。6 0 - + 1 7 5 ，有时也可短时 达到+ 2 0 0 。( 6 ) 固化时收缩率低。环氧胶在固化时不产生低分子副产物，而且在 液态时高度缔合。由于它在固化时直接形成，对未改性体系其收缩率小于2 ，若 在中间加入适当的填料，则收缩率更小，大约为o 1 左右，且线膨胀系数也相应 的降低了，并可作到接近被粘物的膨胀系数。( 7 ) 固化后在一定情况下可进行机加 工。缺点是韧性差，但是可以通过合适的改性方法在一定程度上加以克服和改进。 近年来环氧树脂及其固化剂品种有很大发展，所以得到了广泛的应用。 环氧树脂在电子封装材料中，约有8 0 以上的半导体器件采用环氧树脂封装， 其中包括晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。环氧树脂的 广泛应用主要得益于它粘接性能、耐腐蚀性好及电性能优异。环氧树脂封装材料 是由环氧树脂、固化剂、促进剂、无机填料、脱模剂、着色剂等十几种组份配制 而成，其中环氧树脂是主要组份，可选用酚醛环氧树脂或双酚a 型环氧树脂。在 热和促进剂的作用下，环氧树脂与固化剂发生交联固化反应，固化后成为热固性 塑料。按其用途可分为塑封料、包封料和灌封料，其中对塑封料的要求最高。 环氧树脂固化物主要缺点是质脆、冲击强度低、容易产生应力开裂，从而影 响绝缘浇注制品的质量。为了保证封装器件的可靠性、良好的热耗散能力和优异 的电性能，有必要对环氧树脂的增韧、导热、耐热、阻燃和降低内应力等方面进 行改性。 环氧树脂本身是热塑性的线型结构，不能直接使用。必须要向树脂中加入第 二组分在一定温度下进行交联反应，生成体型网状结构的高聚物后才能使用。这 个第二组分就叫做固化剂【l 们。加成聚合型固化剂是固化剂的一种，而多元胺和酸 酐又是加成聚合型固化剂最重要的两类，多元胺的一般使用量约为酸酐的三倍。 聚酞胺是多元胺的一种，它的特点是添加量的容许范围比较宽，固化物的机械性 能比较均衡，耐热冲击性优良，对范围很广的各种材料具有优良的粘接性，多元 胺单独使用时对人体的皮肤和粘膜有刺激性，经过环氧化合物的改性处理后，对 人体的皮肤和粘膜的刺激性大幅度降低，而且提高了固化反应的活性。 辅助材料包括偶联剂、稀释剂等。其作用是改善复合材料的韧性、抗老化性 能以及降低基体粘度，提高涂敷质量等。偶联剂的作用：是使填料与基体间形成 一个良好的粘接界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。如防止潮气进入 两北t 业大学硕十学位论文 或弥补不完全干净的填料表面，还有当复合材料成型时，在基体和填料的尺寸变 化不一致的情况下，提供一种应力松弛手段以提高和吸收分散冲击能量，使材料 具有良好的抗冲击强度和韧性】。由偶联剂的化学组成结构看，偶联剂是这样一 种化合物，它们的分子两端通常含有性质不同的基团：一端的基团与被粘物( 如填料) 表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和粘合剂( 如合成树脂) 发生化学 作用或物理作用，从而被粘物和粘合剂很好的偶联起来，获得良好的粘接改善了 多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。硅烷偶联剂是聚合物基复合材料中应 用最广的一种。经每种偶联剂处理后的无机添料，都有自己相应的树脂基体适用 范围。环氧树脂材料的用途不同，要求其粘度力大小也不同。高粘度环氧树脂可 加入稀释剂来降低环氧树脂体系的粘度和改进工艺性能等。非活性稀释剂是稀释 剂的一种。非活性稀释剂的加入，环氧树脂固化物的强度和模量下降，但伸长率 得到了提高。非活性稀释剂加入少许时，对机械性能影响很小，一般非活性稀剂 加入量为环氧树脂的5 1 5 。 近年来，人们发现某些刚性材料在适当的条件下也会具有不同程度的增韧效 果，虽然其增韧幅度不大，但往往是增韧增强同时进行。这类材料主要包括超细 无机颗粒、表面优化处理的颗粒及特殊颗粒三大类【1 ”。赵世琦等【13 j 分别用平均粒 径为1 1 3 4 岬的滑石粉和平均粒径为1 2 “岬经过偶联剂处理的二氧化硅对环氧 树脂进行增韧，在1 0 0 9 环氧树脂中加入1 0 0 9 滑石粉时，改性体系的k l c 比未改性 的提高了1 4 4 ；而在1 0 0 9 环氧树脂中加人3 0 0 9 的经偶联剂处理的二氧化硅时， 改性体系的断裂韧性提高1 2 8 。而且两种改性体系的断裂韧性均随刚性粒子的增 加而增大。扫描电镜观察分析发现：两种粒子都能均匀地分散在环氧树脂基体中， 但形貌存在着极大的差异。表面经偶联剂处理的二氧化硅在s e m 照片中没有裸露 的粒子，粒子与环氧树脂基体形成很好的粘接，而没有经过表面处理的滑石粉粒子 存在着自身剥离的形貌。可以看出，对环氧树脂的增韧改性研究在不断发展之中。 随着电子封装材料特性要求越来越高，必将开发出新的环氧树脂增韧材料。 塑料封装中所采用的环氧树脂材料称为环氧塑封料e m c ( e p o x ym o l d i n g c o m p o i l i l d ) ，它是一种单组分形式的固态复合物，通常是由环氧树脂、固化剂、填 料等l o 多种成分组成的复杂体系。其各种成分都发挥着各自独特的功能。环氧塑 封料封装的对象是半导体元件，大都是精细娇弱的高科技组件，现代i c 技术的飞 速发展使得集成度越来越高，为满足高集成度i c 的特性，据统计对环氧塑封料的 技术要求达3 0 项之多。如i j i 所述，塑封料是单组分形式的模封料，要将这些要求 高、种类多的特性集于一身，的确是项艰巨的任务j 而且这些技术特性不是相互 孤立的，而是互相牵制，有时甚至是相互矛盾的。它既要有良好的脱模性，又要 对管芯、框架有良好的粘结性；既要有模塑固化快的优点，又要求这种材料适用 期长；既要求物料熔融粘度低，又要求模塑时的飞边少。因此，环氧塑封料的制 第一章绪论 造者必须在这些特性要求之间进行非常复杂的平衡，但要想把全部的技术特性都 兼收并分别满足，几乎是不可能的。因此不得不研制出针对性强的专用品种，以 满足不同层次和特点的半导体元器件的要求。随着环氧树脂应用范围的不断扩大， 对环氧树脂增韧改性研究取得了许多研究成果，其主要的改性方法如下： 1 橡胶弹性体改性环氧树脂 用于增韧环氧树脂的橡胶必须具备两个条件：一是所用的橡胶在固化前必须 与环氧树脂相容，这要求橡胶的相对分子质量不能太大，而环氧树脂固化时，橡 胶又要能顺利地析出形成两相结构，因此橡胶分子中两反应点之间的相对分子质 量又不可太小；二是橡胶应能与环氧树脂发生化学反应，形成牢固的化学交联点 【1 4 1 。 2 液晶聚合物增韧环氧树脂 9 0 年代以来，液晶聚合物增韧环氧树脂引起了国际上的关注。在环氧树脂中 加入少量的热致液晶聚合物能较大幅度地提高环氧树脂的韧性，同时还有利于提 高环氧树脂的模量和耐热性。 3 刚性高分子改性环氧树脂 采用原位聚合技术使仞生态刚性高分子均匀分散于刚性树脂基体中，得到准 分子水平上的复合增韧是改性脆性高聚物从而实现高强度和高韧性的新途径。张 影等研究了原位聚合聚对苯甲酰胺对环氧树脂和粒子填充环氧树脂的改性作用， 加5 左右的p 环氧树脂拉伸强度比纯环氧树脂( 5 0 9 m p a ) 和粒子填充环氧树脂 ( 6 9 2 m p a ) 分别提高到9 4 2 m p a 和9 1 8 m p a ：断裂韧性从纯环氧树脂的o 8 3 m p a - m 。 和粒子填充环氧树脂的o 7 2 m p a m ，分别提高到1 8 6 m p a m 2 和1 9 8 m p a m ，而其 它性能也有所改善。 4 环氧树脂基复合封装材料 环氧树脂中加入颗粒形成复合材料是一种行之有效的改性方法。材料的表面 非配对原子多，与环氧树脂发生物理或化学结合的可能性大，增强了粒子与基体 的界面结合，因而可承担一定的载荷。具有增强、增韧的可能，精细控制无机超 微粒子在环氧树脂中的分散与复合，能以很少的无机粒子体积含量，在一个相当 大的范围内有效地改善复合材料的综合性能，增强、增韧、抗老化，且不影响材 料的加工特性。因此，如能采用有效的方法，解决粒子材料在环氧基体中的分散 问题，将有可能制造出强度好、韧性高、耐热的高性能封装材料。 电子封装材料要求具有导热性能好，热膨胀系数与半导体或陶瓷基片材料相 匹配，密度低，力学强度高等性能【l5 ”l 。 在微电子技术高速发展的今天，半导体集成电路( i c ) 的封装密度越来越大，新 型电子封装材料的研制己成为发展电子器件的关键之一。为了满足高密度、小型 化、大功率集成电路的要求，理想的电子封装材料必须具备以下特性【1 7 】：( 1 ) 有 两北t 业大学硕卜学位论文 较高的热导率，能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去，以免 芯片温度过高而失效；( 2 ) 有较低的热膨胀系数( c t e ) 且与s i 或g a a s 等芯片相匹 配，以免芯片因热应力损坏：( 3 ) 有足够的强度和刚度，对芯片能起到支承和保护 作用；( 4 ) 成本要尽可能低，而且在某些特殊场合( 如航空应用方面) 还要求密度尽 可能小。 传统的电子封装材料主要有c u 、a 1 、c u w 合金、m o c u 合金、h l v 盯、k o v a r 合金等，它们都存在一定缺陷，不能严格地满足上述要求，适应不了现代先进电子封 装的应用。比如，c u 和a j 热膨胀系数过大，容易产生热应力；m o 和w 的价格 昂贵，密度大；而h a r 、k o v a r 合金的导热性能很差【1 8 】。传统材料的这些不足使 一些发达国家开始了复合型封装材料的研究。特别是树脂基复合材料。 微电子元件和器件封装的目的是避免管芯受到机械损伤和外界环境的影响。 作为封装材料应具有优良的机械、电气、热特性，合适的固化温度，内应力低， 无针孔缺陷，良好的加工性和最终产品的可靠性。因为塑料封装生产性和经济性 好，当前占封装材料整个市场的8 0 以上。塑料封装材料是以合成树脂为主体， 并配入多种辅料混炼而成的。目前的主流产品为环氧树脂系列和硅酮树脂系列【1 9 2 0 1 。 随着微电子技术及其电子封装技术的发展，电子封装材料也得到了快速的发 展。目前，整个半导体器件9 0 以上都是采用塑料封装，塑料封装器件在尺寸、 重量、性能、成本、可靠性以及实用性方面优于气密性封装，估计塑封器件占世 界商用芯片封装市场9 7 。而塑料封装材料中9 0 以上是e m c ( 环氧模塑料) ，这 也说明了e m c 已经成为电子工业发展的重要支柱之一。 1 2 - 2 颗粒填充复合材料 近几十年来，科学技术飞速发展，世界上出现了一批新的技术和相应的产业， 被称为“世界新技术革命”。这些新的技术群，包括信息技术、生物技术、新型材料 技术、新能源技术、空间技术等，其中材料则是一切技术的物质基础【2 1 l 。而材料 一般可分为无机材料、金属材料、高分子聚合物材料、及复合材料四大类【2 2 1 。所 谓复合材料是指把两种以上宏观不同的材料合理地进行复合而制得的一种材料， 其结构中的连续相称为基体，其他相为基体所包容，称为增强相【2 3 1 。目的是通过 复合来提高单一材料所不能发挥的各种性能，因此它具有广阔的发展应用前景。 如高强度合金、陶瓷、纤维增强和颗粒弥散强化等复合材料。随着这些材料的日 益广泛使用，许多的力学工作者都致力于这些材料宏观力学性能的研究，但由于 相间界面是复合材料特有的而且是极其重要的组成部分，它的传递效应与阻断效 应直接影响到该种复合材料的强度与刚度等力学性能【2 4 。2 7 】，特别是阻断效应，即 第一审绪论 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。复合材 料中各个组成材料在性能上起协调作用，得到单一材料无法比拟的优越综合性能， 成为新兴的工程材料。先进树脂基复合材料由于具有比强度高、可设计性强、抗 疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于整体成型的独特优点，已 经在航空航天等高科技领域得到了广泛应用。科技工作者在研究含掺杂的复合材 料力学性能的过程中，认为影响力学量的因素可分为两类，一类是复合材料中每 一组份的弹性常数；另一类是复合材料内部的微结构特征，它包括掺杂相( 纤维、 颗粒、晶须、空洞、裂纹等) 的形状、几何尺寸、在基体中的分布和掺杂相的相互 作用，于是问题就归结为建立合理的细观力学模型。因为细观模型反映微结构的 完备性问题是复合材料细观力学建模中有普遍意义的基本问题，而为了构造既完 备又不过于复杂的细观力学模型，还需研究微结构局部性能的复杂因素在建模时 的简化。以往单纯靠实验及数值结果对照的来研究细观力学模型的精度与实用范 围，既受条件的限制，也不便于研究材料微结构影响的局部性能与宏观性能机制。 由于加入的增强体在物质结构和物理性质上与基体有很大的差距，必然在材 料内部产生大量的结构和性能上的不连续性，即形成近界面上微区性能分布的不 均匀分布。虽然它只是分布在复合材料很小的区域，但是确会导致复合材料在低 应力情况下的早期微观屈服。这种情况会对材料的微观损伤、变形、断裂行为以 及宏观性能、尺寸稳定性等带来举足轻重的影响。 颗粒增强树脂基复合材料是将颗粒增强相外加或自生进入树脂基体中得到兼 有树脂优点( 绝缘) 和增强颗粒优点( 高硬度和高模量) 的复合材料而被用于电子封装 材料。该类材料具有增强体成本低，微观结构均匀，材料各向同性，因而与纤维 增强、晶须增强复合材料们相比倍受关注。增强体的加入主要是为了弥补基体材 料某些性能方面的不足。目前，在整个材料的研究中，采用较多的增强颗粒有陶 瓷颗粒，如a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，t i 0 2 ，s i c ，c r 2 0 3 ，t i c ，s i 3 n 4 等。金属硬质颗粒，如 m o ，c r ，w 等；非金属颗粒c 、轻石等。增强颗粒中以a 1 2 0 3 ，s i c ，a 1 2 n 3 等发 展较快、较成熟。近年来，w c 增强粒子也因为其在高温铁水中良好的润湿性被广 泛应用于工程结构当中。由于我国盛产钨，所以以w c 粒子作为增强颗粒的复合 材料的研究越来越引起人们的注意。粒子填充产生的力学效应与填充后材料内部 应力分布及由此产生的细观损伤和演化密切相关。许多人都采用有限元建模，对 粒子填充复合材料的应力作分析计算，并讨论粒子相对刚度对应力分布产生影响。 从6 0 年代起，树脂基材料就已经逐渐成为各国学者和企业关注与研究的热点，并 己在航空航天、汽车等领域得到了应用。 电子封装材料中的p m c 复合材料，也就是聚合物基复合材料。其中最引入注 目的是氧化铝颗粒增强环氧树脂基复合材料。经过十余年的研究和发展，这种新 材料以其卓越的性能开始应用于电子封装领域。具有良好的化学稳定性和高声阻 西北丁业大学硕 学位论文 抗，是一种优异的环氧树脂填充材料。它不仅可以大大地降低环氧树脂固化物的 成本，降低环氧树脂的反应放热值和固化收缩率，减小固化物热膨胀系数，提高 环氧固化物的导热系数、硬度及压缩强度，而且还具有良好的电气绝缘性能和耐 电弧分解物腐蚀性。 颗粒增强增韧聚合物基是具有良好发展i ；i 景的新型结构材料。一般认为在聚 合物中加入刚性颗粒后可以使材料的强度提高，加入柔性颗粒能使材料韧性提高。 这一认识为实现复合材料的强韧设计提出了一条新的研究途径。氧化铝颗粒加入 环氧树脂基体中，由于复合材料具有高强度、低介电常数和高声阻抗等优良性质 而广泛用于电子封装上亟。随着氧化铝电子封装材料的不断发展和应用，研究氧 化铝电子封装材料在各种条件下的强度，电学和声学特性的理论工作也有了很大 的发展。 1 3 国内外对o 一3 型复合材料的理论 1 3 1o 3 型复合材料声电性能 图1 1 复合材料连通性示意图 f i g 1 1s c h e f r l a d cc o 蛐e c v n yo f t h ec o l r l p o s l t e 1 9 7 8 年n e w n h a m 等人提出了“联结型”这一概念，其基本思想是通过复合材 料组成相的结构设计来研制非均匀的多相材料。在复合材料中，每个相自身以0 、 1 、2 或3 维相联结。通常用两个相自身联结的维数一同来表示复合材料的联结型。 第一章绪论 因此，对两相复合材料而言共有十种联结类型。习惯上把对功能效应起主要作用的 相的维数放在前面，而把基体的维数放在后面。因为复合材料由两相组成，所以它 的性能参量不仅取决于两种组分的参量，而且还依赖于其几何结构，材料的优化 设计远较单一组分宏观均匀的颗粒为复杂。在颗粒聚合物复合材料中，存在颗粒 相和聚合物相，因此前一数字表示颗粒相，后一数字表示聚合物相。复合材料的性 能与两相的联结方式关系极为密切，其中最简单的是o - 3 型，它是指在以三维自身 联结的聚合物基体中填充颗粒微粉。如图1 1 所示。 对于材料工作者来说，一般更注重细观力学的研究，并进一步深入到微观研 究领域中，但也应有宏观力学的粗浅的认识，使宏观与微观相结合，全面认识事 物。所以本文主要是研究o 3 型复合材料的细观力学电学关系，并建立相应的物理 模型，探讨o - 3 型复合材料的性能与颗粒相含量等的关系。 为了讨论复合材料的性能参量，曾有许多文章发表，其中除有限元计算外， 早期主要提出两种模型：等应变模型3 0 1 和侧向周期共振理论3 2 1 。这两种模型 指导复合换能器设计将近十年，这两种模型以低频作为假设前提，用来描述换能 器的静态振动。 存在着下面的基本理论： 1 胡克弹性定律。设我们研究的弹性体不仅是连续的、均匀的，而且是弹性 的、无初应力的，同时变形是微小的。一点的应力状态有6 个分量，而一点的应 变状态也用6 个分量来描述，所以应力与应变之间的物理关系可以写作 五= z ( s ，s ：，蜀，s 。，墨，s ：) i 互2 正( s ，s 2 ，只，s ：，s - ，墨2 ( 1 i ) 。 l 。 互：= 无( s 。，s ：，s ，s ：，墨，s 。：) j 由于变形是微小的，则上式可用泰勒级数在各应变分量等于零 ( 研= = 一= 毋2 = d ) 附近展开，略去一次以上各项，得 州( 0 ，。，o ) + 郭嗳跏+ 篆墨z ( 1 - 2 ) 同样方法可以展开式( 1 1 ) s l i s 2 = = s 1 2 = o 癯力分量也为零。 中其余各式。由于无初始应力，所以 于是五r d ，缈= 0 ，则式( 1 一1 ) 可以写作 两北丁业大学硕十学位论文 互= c l l 墨+ c 1 2 s 2 + q 3 s 3 + c 1 4 s 2 ，+ q 5 s 1 3 + c 1 6 s t 2 疋= c 2 l s l + c 2 2 s 2 + c 2 3 s 3 + c 2 4 s 2 3 + c 2 5 5 1 3 + c 2 6 s 1 2 五= c 3 l - 墨+ c 3 2 s 2 + c ”墨+ c 3 4 s 2 3 + c 3 5 s 1 3 + q 6 s t 2 正3 = o l 蜀+ q 2 s 2 + 0 3 毋+ c 4 4 s 2 ，+ c 耶s l3 + c 4 6 墨2 互3 = 岛l s l + c 5 2 s 2 + 岛3 s + 岛4 s 1 3 + 岛5 s 1 3 + c 5 6 s 2 五2 = c 6 l s l + c 6 2 s 2 + c 6 3 s 3 + c “s 2 3 + c 6 5 s 1 3 + c 的s 1 2 ( 1 3 ) 式中删爿，6 ) 是系数，表示詈，急，盖，等值，共有3 6 个系 数。， 由于己设弹性体是均匀的，若各点应力状态相同，则必有对应相同的应变状 态，反之亦然。这说明c i ，是常数，它不会因各点位置改变而改变，亦即式( 1 3 ) 中 各式都是线性关系式，它就是广义胡克定律的数学表达式。句称为刚度系数，对 一定材料有确定的值。式( 1 3 ) 改写成矩阵表达式如下： 睦 【q 称为刚度矩阵。对( 1 - 4 ) 作逆变换可得到应力表示应变，即 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式中j “= ，回是弹性体的柔度系数，矩阵 习为柔度矩阵。 2 刚度系数的对称性。当弹性体受到力的作用时，该弹性体产生应变，同时 外力对弹性体做功。外力作的功变为弹性体储存的能量，称为应变能。若以缈表 示弹性体单位体积的应变能，则对于线性弹性体，应变分量由零到达某一状态时， 单位体积的应变能( 应变能密度) 为 1 = 亡( i s 。+ 疋s 2 + 五s ，+ ，s 2 ，+ 互，墨，+ 正：s 1 2 ) ( 1 - 6 ) 二 当有微小应变增量幽，娼、d 毋，硒j 、娼j 、幽2 时，单位体积应变能增量 印鲫跏跏跏酗印彩咖邸印彩印彩印跏翻印印印印印印印印印却却印趾气 五疋五 正疋五毛瓦 丌iooiioiioooo韭 ：呈 ；号 拍 拍 曲 s 占 s s j j ：。 符 村 舒 占 j j s s j “ m “ h h s s s s s 占 ” 殂 站 盯 玎 部 s j s s s s 圪 杞 弛 鸵 记 配 s s j s j s “ n m 埘 ；： 矾 s 亭 ， s 占 f 第一章绪论 d 肚器蠲+ 爰船z + 薏蛾+ 器砜+ 象蛾m s ， a s l 1 a s ， 2 a s ，1 “ a s n ” a s ， “、。 二2 羲至羹形 m 9 ， 耻薏 = 薏五= 薏 一 詈= 正咱 ：蹦墨+ c 1 忍托 托a ： ( 1 1 0 ) 器硝：，同理可得焉鸹，由偏导数紫性质可戋砌同理可得 “n 图1 - 2 单对称材料的坐标系 f i g 1 - 2c o o r d m a t es y s t e mo f t h es ”m n e 喇ci m 蛔1 a l 两北t 业大学硕卜学位论文 对于在材料中存在一个性能对称的正交平面，假设为硼y 平面，如图l - 2 ( a ) 所 示。由于坐标系的选择是人为的，因此当2 轴变为相反的方向时，如图1 2 ( b ) 所示， 材料的应变能密度表达式应该保持不变，即 形；三( 正s 。+ 正s ：+ 正墨+ 正，s ：，+ 五，墨，+ 五：s ，：) = 委c 1 矸+ c 1 2 s l s 2 + q 3 墨最+ c l 。s 。5 2 3 + q ，s 。s 1 3 + q 。s l s l 2 + 昙c ：s ；+ c ：，s ：墨+ c ：。s ：s ：，+ c 。s ：s 。，+ c ：。s ：墨： + 妻c ，+ c ，。蔓，墨，+ c 舶最，墨： + 跪坞a 饥：+ 丢碓 这罩应用了应力应变关系式( 1 - 4 ) ，且刚度矩阵为对称矩阵。 但是，当z 轴变为反向时，如图1 2 ( b ) 所示，坐标z 及位移分量均变号。因此 s ：，= 兰+ 祟，s ，。= 罢+ 芸 ( 1 - 1 2 ) 应卯院靠 其中，w 分别表示某一点受到外力而产生的位移在y ，z 三个方向上的投影。 这两个剪切应变将变号，而其余应交分量的符号保持不变。要使应变能密度表达 式( 1 5 ) 保持不变，显然该式中包括号抬及研j 一次幂的各项应当为零。于是可得 c 1 4 = c 1 5 ；c 2 4 = c 2 5 = c h = 岛5 = c 4 6 = c 撕= o ( 1 1 3 ) 这样，独立的弹性常数减为1 3 个。 如果一种材料有三个正交的材料性能对称面，这种材料称为正交各向异性材 料。 上面已证明了当材料存在一个性能对称的正交平面肋y ，它有1 3 个独立的弹 性常数。如果它的弹性性能对正交平面弦z 也对称，则当z 轴改为相反方向时，应 变能密度表达式保持不变，但是西，及韪2 要变号，因此，式( 1 一n ) 中包含s f j 及韪2 的一次幂的项都应为零。于是，除了式( 1 1 3 ) 成立外，还需 c 1 6 = c 2 6 = c 3 6 = c 4 5 = o ( 1 - 1 4 ) 同样，还可假定该材料的弹性性能对正交平面z 以也对称，不过，没有得出新 的结果。这就证明了：如果一种材料有两个正交的材料性能对称面，则对于和该 两平面相垂直的第三个平面也必具有对称性。这种正交各向异性材料的独立弹性 常数只有9 个。它的应力应变关系式为： 第一审绪论 正 正 五 正， 正： c i lc 1 2 c 1 2c 2 2 c l ，c ” oo oo oo c 1 3 oo oo c 3 3 oo o c “ 0 0o c 5 5 ooo 图1 3 横观各向同性面的示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i c sp l a n eo f 仃a m v e r s ei s 0 的p i c ( 1 - 1 5 ) 若正交各向异性材料三个互相垂直的对称面中有一个平面是各向同性的，如 图1 3 所示，则弹性常数还可减少。图中取了与纤维垂直的一个面，该截面上各方 向的性能可看成一样的，这类材料称为横观各向同性材料，该面称为横观各向同 性面。利用该面各向同性的特点，当坐标轴工和y 互换时，应变能密度表