（材料学专业论文）环氧树脂咪唑sic复合材料的固化反应动力学、制备与性能研究.pdf

搞要 环氧树脂咪唑s ic 复合材料的固化反应动力学、制备与性能研 究 摘要 电力电子领域集成技术和组装技术的迅速发展需要高散热性的导热绝缘材料， 在电力电子器件封装过程中，许多场合须采用导热绝缘胶接( 导热胶粘剂) ，因此，本 文以电子封装和热界面材料用树脂基复合材料为研究背景，采取高导热碳化硅( s i c ) 填料填充环氧树脂( d g e b a ) 基体的方法，研制与开发新型导热高分子材料，包括 利用纳米材料对基体进行改性的新一代导热高分子材料的开发。 首先将e 变量法( 在“等转化率微分法”中引入活化能e 随转化率发生改变概 念的固化动力学分析法) 与e 常数法进行了对比，前者分析结果可真实反映活化能 随反应历程的变化情况，通过对活化能变化的研究可了解固化反应过程，但计算繁 琐；后者虽得到的是固化反应表观活化能，但计算简单方便，可用于不同体系间的 定性比较，因此两种固化动力学分析法各有利弊，可根据不同需要采用不同的方法 或结合使用。 采用升温d s c 法研究了两个环氧树脂咪唑( e m i 2 ，4 ) ( 1 0 0 ：6 质量比和1 0 0 ：4 质量比) 体系的固化行为。采用两种动力学分析方法对d b e b a e m i 2 ，4 ( 1 0 0 ：6 质量 比) 体系的固化反应动力学进行了全面深入的分析，并根据活化能e 随转化率的变化 规律对固化反应过程进行了分析，分析结果可作为d g e b a e m i 2 ，4 固化体系聚醚反 应过程的参考。在此基础上，结合r - p 图外推法制定了两个体系不同的固化工艺， 固化产物经红外光谱分析和剪切强度测试，最后确定了本文树脂基体组分含量为 d g e b a e m i 2 ，4 = 1 0 0 ：4 ( 质量比) ，其固化工艺为：6 5 下1h ，1 2 0 下1 5h ，1 6 0 下1 5 h 。 采用升温d s c 法研究了不同d g e b a e m i 2 ，4 s i c 。( 纳米s i c ) 体系的固化行为。 采用两种动力学分析方法对不同d g e b a e m i 2 ，4 s i c p 体系的的固化反应动力学进 行了全面深入的分析。以d g e b a e m i 2 ，4 ( 1 0 0 ：6 质量比) 体系作为参照体系，就 纳米s i c ( n a n o s i c ) 和k h 5 5 0 硅烷偶联剂对环氧树脂固化行为及固化反应动力学 的影响进行了研究，结果表明n a n o s i c 填料及k h 5 5 0 硅烷偶联剂的加入不改变 d g e b a e m i 一2 ，4 体系的固化反应机制：l l a n o s i c 填料对于d g e b a e m i 2 ，4 体系固 化反应进程有延迟作用，而k h 5 5 0 硅烷偶联剂对n a n o s i c 颗粒进行表面处理可以略 微减小n a n o s i c 填料对于d g e b a e m i 2 ，4 体系固化反应进程的延迟作用；n a n o s i c 上海交通大学博士论文 的加入及低n a n o s i c 填料含量( 1 5 w t ) 下k h 5 5 0 硅烷偶联剂的使用能促进 玻璃化现象发生；e 变量法得到的固化反应动力学参数表明n a n o s i c 的加入提高体 系活化能的取值范围，e 常数法得到的固化反应动力学参数表明n a n o s i c 的加入使 表观活化能e 、反应级数m + n 和频率因子彳的值均上升。根据这些分析结果， d g e b a e m i 2 ，4 s i c n d 体系的固化工艺需在d g e b a e m i 2 ，4 体系固化工艺的基础上 随填料含量的增加而适当提高固化温度或延长固化时间，而d g e b a e m i 2 ，4 s i c 。 体系固化工艺依照d g e b a e m i 2 ，4 体系的固化工艺就可以了。 采用溶液共混一浇注工艺制备了不同含量和或经不同表面修饰处理的微米s i c ( s i c d ) 和纳米s i c 粒子填充环氧树脂的系列d g e b a e m i 2 ，4 s i c 复合材料，并对 加入填料后复合材料的导热系数、热膨胀系数、剪切强度及介电性能进行了研究。 1 3 8 v 0 1 s i c n 。和4 6 7 v 0 1 s i c d 填充树脂复合材料导热系数分别达到了4 0 、4 1 和 5 8w m k 。研究发现s i c 。填充d g e b a 提高导热系数不存在临界体积分数，仅少 量纳米s i c 填充d g e b a 就可得到较高的导热性能，而且s i c n p 粒子比s i c p 粒子更能 提高复合材料的剪切强度，降低复合材料的热膨胀系数和介电常数，有利于低填充 高性能的获得。 以红外光谱对s i c 粒子的表面修饰机理进行了深入研究，探讨了聚合物基体与 导热填料界面的结构，分析了微米s i c 和纳米s i c 颗粒填充树脂基复合材料的不同 导热机理，以此为基础提出以s i c n p 部分替代s i c p ，制备了s i c p 和s i c 。p 二元填料共 同填充d g e b a 的d g e b a e m i 2 ，4 ( s i c p + s i c 。) 复合材料，结果表明 d g e b a e m i 2 ，4 ( s i c p + s i c n p ) 复合材料性能优于使用单一粒子填充的体系； d g e b a e m i 一2 ，4 ( s i c p + s i c 。p ) 复合材料的导热性能随填料配比x s ( s i c 。p 填料占总填 料的比例) 的增大而增大，热膨胀系数和介电性能随填料配比瓜的增大而减小；对 于填料尺寸比d l ：d s = 15 的d g e b a e m i 2 , 4 ( s i c p + s i c n d ) 复合体系( 填料总体积含量 为4 6 7 v 0 1 ) ，当填料配比抵= o 1 时，其导热率达到6 4 3w m k ，是凰= 0 时的1 1 l 倍( t c = 5 8w m k ) ，其热膨胀系数比蕊= 0 时降低了约1 7 ，其介电常数和介电损 耗分别比瓜= 0 时降低了约1 9 8 和1 4 3 。 关键词：电子封装，碳化硅，固化反应动力学，导热机理，性能 i i 搞要 c u rin gkln e tic s p r e p a r a tio na n dp r o p e r t ie so fe p o x y r e sin e m 卜2 4 sicc o m p o slt e s a b s t r a c t t om e e tt h er e q u i r e m e n t so i lt h e r m a lm a n a g e m e n to fe l e c t r o n i cp a c k a g e s ，n o v e it h e r m a l l y c o n d u c t i v e ，b u te l e c t r i c a l l yi n s u l a t i n g ，p o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ed e v e l o p e dt oi n c r e a s et h e r e l i a b i l i t y , p e r f o r m a n c ea n dm i n i a t u r i z a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i t so c ) t 0p r e v e n tt h ef a i l u r eo fi c s d u r i n gp r o c e s s i n g a n do p e r a t i o n ，i ti s i m p o r t a n tf o rp a c k a g i n gm a t e r i a l st oh a v eac o m p a t i b l e c o e 衢c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ( c t e ) w i t hs i l i c o n ，al o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，a sw e l ia sah i 【g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t y ( t c ) h i 曲t co fp a c k a g i n gm a t e r i a l s i s i n d i s p e n s a b l e t o e f f i c i e n t l y d i f f u s et h e c o n s i d e r a b l ea m o u n to fh e a tg e n e r a t e db yh i g hp o w e r e di c s ，i n c r e a s i n gt h e i rm e a nt i m et of a i l u r ed u e t ot h e r m a ld e g r a c i a t i o n ac o m p a t i b l ec t eo fp a c k a g i n gm a t e r i a l sw i t hs i l i c o nc a ne l i m i n a t et h e p o s s i b i l i t yo ff a i l u r ec a u s e db yf r a c t u r e sa p p e a r i n gb e t w e e nt h ec h i p sa n dp a c k a g i n gm a t e r i a l sd u r i n g | 1 0 p e r a t i o n 。al o wd i e l e c t r i cc o n s t a n to fp a c k a g i n gm a t e r i a l sc a nm i n i m i z et h ed e l a y t i m eo fs i g n a l t r a n s m i s s i o n i nt h i sw o r k , s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) p a r t i c l e sw e r eu s e da sf i l l e rt or e i n f o r c ee p o x yr e s i nt o d e v e l o p n o v e l t h e r m a l l y c o n d u c t i v e p o l y m e rm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gn e wg e n e r a t i o n a lt h e r m a l l y c o n d u c t i v ep o l y m e rn a n o m a t e r i a l s t h ep a p e rc o n t a i n sw o r k sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , m e t h o di ，a ni s o c o n v e r s i o n a lc u r i n gk i n e t i cm e t h o dw h i c hw a sd e d u c e dw i t h o u tt h e a s s u m p t i o nt h a tt h ea c t i v a t i o ne n e r g yei sac o n s t a n t ，w a si m p r o v e db ya d v a n c i n gt h es o l u t i o n st og e t t h ef r e q u e n c yf a c t o raa n dt h eo r d e ro fr e a c t i o nm + r ta c c o r d i n gt od i f f e r e n tc u r er e a c t i o nm e c h a n i s m s c o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e nm e t h o dia n dm e t h o di i ，a n o t h e rm e t h o dw h i c hw a sd e d u c e db y a s s u m i n gac o n s t a n te m e t h o di c a nb eu s e dt ot e s tw h e t h e rei sac o n s t a n to rn o ta n dt h ev a r i a t i o no f ec a nb eu s e dt oh a v eai n d e p t hs t u d yo nt h ew h o l ec u r i n gp r o c e s s ，b u tt h i sc a l c u l a t i o np r o c e s si s c o m p l e x o nt h eo t h e rh a n d a l t h o u g hm e t h o di ic a nn o tb eu s e di ns t u d y i n ge i nd e t a i la n dt h ev a t u eo f ei st h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y , i ti sr e a l l yas i m p l ea n de f f i c i e n tm e t h o di nq u a l i t a t i v ec o m p a r i s o n a m o n gd i f f e r e n tc u r i n gs y s t e m s s ot h e s et w om e t h o d sh a v et h e i rp a r t i c u l a rm e r i t sa n dd e m e r i t s ，b o t h o ft h e ma r ee f f e c t i v ea sl o n ga st h e ya r eu s e di np r o p e ra s p e c t s ，a n dw i t ht h e s et w om e t h o d su s e da l l t o g e t h e r , ac o m p r e h e n s i v ea n di n d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h ec u r er e a c t i o nc a r lb ea c h i e v e d t h ec u r er e a c t i o n so fb i s p h e n o i - ag l y c i d o le t h e re p o x yr e s i n ( d g e b a ) 2 一e t h y l - 4 - m e t h y l i m i d a z o l e ( e m i - 2 ，4 ) ( 10 0 ：6a n d10 0 ：4 ，b yw e i 曲tr a t i o ) s y s t e m sw e r es t u d i e db yu s i n gd y n a m i cd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ac o m p r e h e n s i v ea n di n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h ec u r er e a c t i o no f d g e b a e m i - 2 ，4 ( 】0 0 ：6 ) s y s t e mw a sa c h i e v e dw i t ht h et w oc u r i n gk i n e t i cm e t h o d s w i t hm e t h o di r e s u l t s ，t h ec u r i n gp r o c e s so f t h ed g e b a e m i - 2 ，4 ( 10 0 ：6 ) s y s t e mw a sd i s c u s s e db ys t u d y i n gt h e v a r i a t i o n si neo nt h ee x t e n to fr e a c t i o n ，a n dt h e s ea n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb et h e r e f e r e n c eo ft h e e t h e r i f i c a t i o nr e a c t i o no f t h ed g e b a e m i 一2 ，4s y s t e m b a s i n go nt h eu n d e r s t a n d i n go f t h e e t h e r i f i c a t i o nr e a c t i o np r o c e s sa n dt h er e s u l t so f e x t r a p o l a t i o no ff i g u r et - p ，d i f f e r e n tc u r ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so ft h et w os y s t e m sw e r ed e s i g n e d ，t h e nt h ec u r er e a c t i o np r o d u c t sw e r ea n a l y z e dw i t hf t i r i i i 上海交通大学博士论文 t e s ta n dt h es h e a rs t r e n g t hw a st e s t e d ，f i n a l l yt h ed g e b a e m i 2 ，4 ( 10 0 ：4 ) s y s t e mw a sc h o s e na st h e p o l y m e rm a t r i x ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r e6 5 cf o r1 h 1 2 0 cf o r1 5h ， a n d1 6 0 f o r1 5 h t h ec u r er e a c t i o n so fd i f f e r e n td g e b a e m i 2 ，4 s i c n ds y s t e m sw e r es t u d i e db yu s i n gd y n a m i c d s c c o m p r e h e n s i v ea n di n d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h e c u r er e a c t i o n so ft h e s ed g e b a ，e m l - 2 ，4 ， s i c n ds y s t e m sw a sa c h i e v e dw i t ht h et w oc u r i n gk i n e t i cm e t h o d s t h e s er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t h t h o s eo ft h ed g e b a e m i - 2 ，4 ( 1 0 0 ：6 ) s y s t e m ，t h e nt h ee f f e c to fs i c n pp a r t i c l e sa n da m i n os i l a n e c o u p l i n ga g e n t ( k h 5 5 0 ) o nt h ec u r i n gp r o c e s sa n d t h ec u r i n gk i n e t i c sw a so b t a i n e d n l er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fs i c n pp a r t i c l e sa n dk h 5 5 0d o e s n tc h a n g et h ec u r er e a c t i o nm e c h a n i s m ， s i c n dp a r t i c l e sd e l a yt h ec u r er e a c t i o n so fe p o x yr e s i ns y s t e m ，m e a n w h i l e ，k h 5 5 0c a l ls l i g h t l yr e d u c e t h ed e l a ye f f e c to fs i c n dp a r t i c l e so nt h ec u r er e a c t i o n s t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no f s i c n pp a r t i c l e sa n dk h 5 5 0 ( w h e nt h ec o n t e n to fs i c n pp a r t i c l e sb e l o w15 w t ) c o n t r i b u t e st op r e v e n t f r o mt h eo c c u r r e n c eo fv i t r i f i c a t i o n ，a n dt h ea d d i t i o no fk h 5 5 0p r o m o t e st h eo c c u r r e n c eo fv i t r i f i c a t i o n w h e nt h ec o n t e n to fs i c n pp a r t i c l e si sa b o v e15 w t m o r e o v e r t h ec u r i n gk i n e t i cp a r a m e t e r sg o tw i t h m e t h o dis h o w e d t h a tt h ea d d i t i o no fs i c 即p a r t i c l e si n c r e a s e st h ev a l u er a n g eo fea n dt h ec u r i n g k i n e t i cp a r a m e t e r sg o tw i t hm e t h o di is h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fs i c 川up a r t i c l e si n c r e a s e st h ea p p a r e n t a c t i v a t i o ne n e r g yem + n ，a n da f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et o t a l l ya b o v ei n v e s t i g a t i o n ，t h ec u r e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft h ed g e b a e m i - 2 。4 s i c n oc o m p o s i t e sw o u l db eb a s e do nt h o s eo ft h e d g e b a e m l - 2 ，4s y s t e m ，a n dt h ec u r et e m p e r a t u r es h o u l db ei n c r e a s e do rt h ec u r et i m es h o u l db e p r o l o n g e d w i t hi n c r e a s e d s i c n pp a r t i c l e s c o n t e n t t h ec u r ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft h e d g e b a e m i 2 ，4 s i c 。c o m p o s i t e sc a nu s et h o s eo f t h ed g e b a e m i - 2 ，4s y s t e m d i f f e r e n tc o n t e n ta n d o rd i f f e r e n ts u r f a c em o d i f i e ds i c da n ds i c n dw e r es u c c e s s f u l l yu s e da sf i l l e r i f lm a n u f a c t u r i n gs e r i a ld g e b a e m i - 2 ，4 s i cs y s t e m sb ys o l u t i o nm i x t u r ea n dp o u r i n gp r o c e s s t h e p r o p e r t i e s ，s u c ha st c ，c t e ，s h e a rs t r e n g t ha n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，o f t h ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d t h et co f1 3 8 v 0 1 s i c n oa n d4 6 7 v 0 1 s i c df i l l e dd g e b a 佗m i - 2 ，4c o m p o s i t e sr e a c h e d4 1a n d5 8 w m k ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei s n tac r i t i c a lv o l u m er a t i oo fs i c n pp a r t i c l e si n i n c r e a s i n gt h et co ft h ec o m p o s i t e s ，h i 曲t cc a nb er e a c h e db ya d d i n gl o wv o l u m er a t i oo fs i c n p p a r t i c l e s f u r t h e r m o r e ，s i c n dp a r t i c l e se x c e li ni n c r e a s i n gs h e a rs t r e n g t h ，d e c r e a s i n gc t ea n dd i e l e c t r i c c o n s t a n tt h a ns i c pp a r t i c l e s t h es u r f a c em o d i f y i n gm e c h a n i s m so fs i cp a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gf t i r t h e i n t e r f a c i a ls t r u c t u r ew a sa n a l y z e d ，a n dt h e nd i f f e r e n tt h e r m a lc o n d u c t i n gm e c h a n i s mo fs i c pa n ds i c 叩 f i l l e de p o x yr e s i ns y s t e m sw e r ed i s c u s s e d 。b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，s i c n dp a r t i c l e sw e r eu s e dt o r e p l a c ep a r t i a l l ys i c pp a r t i c l e s t h ec o m p o s i t ei n c o r p o r a t e dw i t hh y b r i ds i c pa n ds i c n pp a r t i c l e s e x h i b i t e dh i g h e ro v e r a l lp r o p e r t i e sa sc o m p a r e dw i t ht h ec a s ew h e r eo n l ys i c po rs i c n pp a r t i c l e sw e r e u s e d t h et co ft h ed g e b a e m l 2 ，4 “s i c p + s i c n p ) c o m p o s i t e si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gx s ，t h e v o l u m ef r a c t i o no fs i c n dp a r t i c l e si nt h et o t a lf i l l e r , a sw e l la sc t ea n dd i e l e c t r i cc o n s t a n td e c r e a s i n g w i t hi n c r e a s i n g 尥a sf a ra st h ed g e b a e m i - 2 ，4 ( s i c p + s i c n p ) c o m p o s i t e s ，i nw h i c hf i l l e rs i z er a t i o d i ：d si s 15a n dt h et o t a lf i l l e rv o l u m er a t i oi s4 6 7 v 0 1 ，i sc o n c e m e d ，w h e n 恐= o 1 ，t h et cc a nr e a c h 6 4 3w m k ，1 1lt i m e st h et co ft h ec o m p o s i t ew h e n 凰= 0 ，w h a t sm o r e ，c t e ，d i e l e c t r i cc o n s t a n ta n d d i e l e c t r i cl o s sd e c r e a s ea b o u t1 7 ，1 9 。8 ，1 4 3 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，s i l i c o nc a r b i d e ，c u r i n gk i n e t i c s ，t h e r m a l c o n d u c t i n gm e c h a n i s m ，p r o p e r t y i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弦锄 、d 日期：厶o 年6 月如日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：闭咖 、4 日期：b 年月；o 日 指黝师戳：肚 日期：矿厶年二月、，日 第一章绪论 第一章绪论 现代信息产业的发展迫切需要各种新型电子材料，以满足电子设备向薄、轻、 短及数字化、多功能化、网络化方向发展的需要，其中电子元件的高功率化、高密 度化、高集成化、高散热速度是研究的热点问题，解决该问题的一个重要的手段是 进行合理的热封装和热设计。在封装落后于集成电路( i c ) 发展的今天，封装对系 统性能的影响已变得和芯片同样重要，比如可使用各种散热器或采用液体冷却系统， 然而这些方法不能从根本上完全解决问题，且系统的成本和结构也因此增加，因此 发展高导热及良好综合性能的新型电子封装材料是当前研究的重要课题l l j 。 1 1电子封装技术的发展及其对电子封装材料的要求 现代电子科学技术主要是微电子技术，微电子技术的关键及影响电子系统高性 能和小型化的主要因素是电子封装技术。6 0 年代，表面安装技术( s m t ) 得到了迅 速发展。8 0 年代，随着s m t 和混合i c 技术向纵深发展，采用多层高密度多功能电 路基板，以超大规模集成电路( v l s i ) 为有源器件、以模式元件为无源元件的多层 混合组装技术迅速崛起。超大规模集成电路、复合化片式元件、多层陶瓷基板技术 和三维组装等已开始采用。9 0 年代，出现了微组装技术( m p t ) ，m p t 是s m t 的发 展与延伸，是高级混合i c 技术，特别是多层基板技术、多层布线与互连技术、s m t 、 微型元器件封装技术的综合和发展。多芯片组件( m c m ) 是当前m p t 的代表产品， 它是将多个i c 芯片及其他片式元器件贴装在一块高密度多层互连基板上，然后封装 在外壳内。与等效的单芯片相比，体积可减小8 0 ，芯片到芯片的传输延迟可减小 7 5 ，因此成为系统向小型化过渡的良好形式。由于m c m 在组装密度、传输速度、 电性能及可靠性等方面独具优势，因此发展十分迅速。m p t 和v l s i 是微电子技术 关键，m p t 与l s i 、v l s i 芯片制造技术的结合必将成为未来微电子技术的主流i l i 。 封装总的原则是在保证可靠性前提下提高传输速度、功率和散热能力，增加i o 端口数，减少器件尺寸，降低生产成本。目前，i c 封装概念己由器件封装扩展为电 子封装，即包括从芯片到组装在印刷电路板( p c b ) 上的全过程。理论上，在一个晶片 上制作出整个系统或次系统并进行封装，最后切割下来成为一个器件，是最理想化 的微电子封装。然而，由子集成电路工艺所限，迄今为止，微电子业一般均采用多 芯片封装，即先将晶片化分为一系列单个芯片，进行各个芯片封装后，再进一步组 装成系统。因此，典型的电子封装从结构上分为三个层次：将芯片在基板上固定， 引线键合以及隔离保护等称为一级封装；经一级封装后的各器件在基板上的固定和 上海交通大学博士学位论文 连接称二级封装；最后将电路板装入系统中成为电子整机称为三级封装。 目前电子封装向高集成、高密度和细节距化方向发展，电子封装技术的快速发 展对电子封装材料不断提出新的和更高的要求。电子封装材料是指i c 的包封( 密封) 体，通过封装，不仅对芯片具有机械支撑和环境保护作用，使其避免大气中的水汽、 杂质及各种气氛的污染和侵蚀，从而使i c 芯片稳定发挥正常电气功能，而且封装对 器件和电路的热性能乃至可靠性起着举足轻重的作用。随着芯片集成度和速度的提 高，其功耗越来越大，每片l s i 的功耗可达1 0 4 0 w ，甚至可高达1 0 0 w ，例如近来 在计算机上使用的多层陶瓷基片发热量达l o o k w m 2 。实验证明电子器件的结温每升 高l o ，电子器件的寿命就要降低1 倍，而门的开关延迟就会增加2 0 0 ，且温度分布 不均匀也会导致电子器件噪声大大增加。另外，l s i 的允许工作温度范围为0 7 0 ， 可靠使用温度范围为0 - 4 5 ，但由于电路的高速运行产生大量的热量，甚至可出现 过热达4 0 0 的情况，而在半导体电路中，当温度由1 0 0 。c 升高2 5 时，故障将增加 5 - 6 倍，可见散热的好坏直接影响到电子设备的寿命和运转情况，散热问题至关重要。 散热问题的解决途径有两条：一是设计合理的散热机构，努力降低各组件间的接触 热阻；二是选择适当材料，改进材料性能，发展高导热电子封装材料是解决这个问 题的有效途径。例如有些小型产品，包括便携式计算机、移动通信等，因为没有强 制的风冷空间，所以在选择封装材料时优先选择具有高导热率的绝缘材料作衬底。 另一个必须考虑的问题是芯片和封装材料间的热膨胀系数( c t e ) 不匹配问题，电 子器件工作时的热积聚将导致温度的升高，在相邻部件间及焊接点处产生热应力， 而内部应力会使硅芯片表面钝化产生裂纹i 硅芯片产生位错或发生把连接线切断现 象，造成了大规模i c 封装电路的可靠性和使用寿命下降，因此芯片和封装材料的热 膨胀系数以相近为宜。 此外，还要求封装材料具有较低的介电常数和介电损耗，以减小对电路中信号 的延迟作用；以及良好的力n - r _ 性和可成型性，优良的机械、电气特性，合适的固化 温度，低内应力，无针孔缺陷和最终产品的可靠性，同时兼顾对电磁场的屏蔽作用 及成本。 1 2 电子封装材料发展现状与发展方向 电子封装材料主要包括基板材料、密封材料、布线、框架、层间介质材料，研 究的最多的是基板材料和密封材料。表1 1 列出了常用封装材料的几种物理性能睁们。 电子器件和i c 的封装材料主要是陶瓷和塑料，最早用于封装的材料是陶瓷和金属， 随着电路密度和功能的不断提高，对封装技术提出了更多更高的要求，也促进了封 装材料从过去的金属和陶瓷封装为主转向塑料封装。 2 第一章绪论 表1 1 常用封装材料的几种物理性能 j t a b l e1 1p r o p e r t i e so fc o m m o ne l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a t e r i a l sl i 材料p p m 热k 鬈胀3 0 耄06 数7 3 k 嚣温慧m 3i 舵m h z 銎, 萎c 电m 鉴。z i m 蝴h z 蔓, 温 ， w ，m k 室温g c 室温 q ，室温1 0 4 ， 室温 a l ，0 3 7 3 2 0 3 03 98 9 1 0 2 1 0 ”3 - 1 0 b e o7 2 2 6 0 - 2 9 02 96 5 7 0 l0 ”2 - 7 s i c3 7 7 0 - 2 7 03 24 2 1 0 5 0 0 舢n4 51 1 0 - 2 6 03 28 0 - 9 2 1 0 ” 3 - 1 0 b n3 71 2 - 3 02 3 6 5 1 0 1 2 6 a l2 32 3 02 7 c u 1 74 0 08 9 s i 3 52 0 01 1 7 陶瓷+ 玻璃 3 o - 4 253 9 7 8 l o ” s t e e l ( 41 4 0 ) 1 3 5 5 07 8 m o5 01 4 01 0 2 k o v e r 5 91 78 3 a l 4 0 v 0 1 s i15 412 62 5 3 w ，10 v 0 1 c u6 52 0 917 0 m o 1 0 v 0 1 c u7 0 1 8 01 0 0 聚酯 1 0 0- 0 31 2 8 环氧树脂 5 7 6 0 1 5 - 0 2 5 1 1 i3 - 8 1 0 ” 聚酰亚胺8 l 0 1 4 ) 21 9 0 3 3 0 k h z ) 1 0 ” 硼硅玻璃4 o - 4 6 0 7 - 1 2 碱铅玻璃8 9 0 7 - 1 2 钠钙玻璃 9 2 0 7 - l 一 陶瓷和金属封装属气密性封装。这类封装耐湿性好，热冲击实验及温度循环实 验后不产生损伤。陶瓷封装材料主要有a 1 2 0 3 、b e o 、s i c 、s i 3 n 4 等，它们经成型、 装配、烧结后制成管壳，其优点是气密性好，芯片和电路不受周围环境影响，耐热 性能好。金属封装的外壳材料多数采用碳钢，底盘则用柯伐合金。金属c u 是目前导 热率最好( 大约4 0 0 w m k ) 的封装材料，但是它的热膨胀系数大约为1 7 p p m k ，而 一般半导体和陶瓷基板的热膨胀系数在2 8p p m k 范围内，此外，些情况下使用的 e 一玻璃填充聚合物基复合材料印刷电路板的热膨胀系数也大约在1 1 1 8 p p m k 范围 内，因此往往需