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随着微电子技术的持续高速发展,微电子行业对芯片模塑封装材料在绝缘性能与导热性能方面的要求越发严格。环氧树脂(EP)基封装材料因具有成本低、电气绝缘性好、结构强度大、耐腐蚀性强、尺寸稳定性与粘接性好等优良特点,其应用占到整个电子封装材料的90%以上。环氧模塑料(Epoxy molding compound,EMC)是由环氧树脂潜伏固化体系与绝缘导热无机填料两种主要组分构成的复合材料体系。树脂的高纯化与低粘化,固化温度的降低,以及固化物的高性能化(包括高导热绝缘与高热稳定性等)是EMC发展与相关研究中的几个重点问题。与之相对,环氧树脂基体、潜伏固化体系、填充材料的设计与选择是开拓新型EMC材料体系的三个关键切入点。
在本文中,首先根据溶解性基本原理设计反应体系,采用沉淀方法高效地合成了双酚S二缩水甘油醚(DGEBS)环氧树脂。使用多种表征手段研究了该新型固体粉末环氧树脂的性能特点。在了解树脂基本性能之后,将这种树脂与固化剂、促进剂复配,制备一种单组份潜伏固化体系,并对其固化反应过程进行反应动力学与流变性能的表征与对比研究。最后,将该潜伏固化体系与表面处理后的无机填料混合,模拟封装材料制备条件,用热压方法制备了固化样品。主要对复合材料样品的力学性能、热性能、导热性能与绝缘性能进行了表征与讨论。
结果如下:(1)通过多种表征方法,确定了新型方法合成的双酚S二缩水甘油醚具有高纯度(环氧值高于0.54)、窄分布(多分散系数=1.07)、结晶(合成的粉末树脂结晶度84.74%)、低熔融粘度(mp=168℃,η<40mPa·s)、本征导热系数较一般环氧树脂高(k=0.23W/(m·K))、氯含量低(质量分数低于万分之一)等特点,培养并首度测定了其单晶晶胞结构。之后,考察了各种因素对合成反应的影响,并给出了改进的合成方法。
(2)对DGEBS/线性酚醛树脂(Novolac)/三苯基膦(TPP)潜伏固化体系与现有工业常用的邻甲酚醛环氧树脂(EOCN)/Novolac/TPP固化体系进行了固化过程动力学与流变学、固化物各性能的系统对比研究。两个体系的固化动力学用非等温DSC法研究,采用Vyazovkin无模型高级等转换方法与Málek模型拟合法处理数据得到固化动力学方程。结果表明两者的固化温度分别为127℃和155℃,固化过程均可用SB(m,n)模型进行拟合。DGEBS与EOCN体系熔融粘度分别为1170mPa·s与16500mPa·s,凝胶时间分别为79.4min与120min。DGEBS/Novolac/TPP体系拉伸强度80.6MPa,热分解温度344℃,玻璃化转变温度193℃,电阻率4.12×1011Ω·m。EOCN/Novolac/TPP体系拉伸强度75.4MPa,热分解温度308℃,玻璃化转变温度180℃,电阻率2.26×1011Ω·m。
(3)以六方氮化硼(h-BN)为导热绝缘填料,以化学改性方法增加界面相容性,对DGEBS/Novolac/TPP体系进行填充与固化物性能表征研究。结果表明,复合材料的电阻率随填料含量的增加而提升,导热系数随填料含量的增加先提升,后趋于稳定。以硅烷偶联剂KH550处理后,h-BN质量分数占50%时,复合体系熔融粘度约为31000mPa·s,导热系数可达1.82W/(m·K),电阻率4.07×1011Ω·m。
综合上述结果,可以总结出基于溶解性基本原理设计的高纯低粘DGEBS粉末环氧树脂合成方法是一种优异的新型合成方法。DGEBS树脂固化体系熔融粘度与固化温度较低,适用期长,总体固化性能良好,是一种新型高性能环氧树脂,具备拓宽EMC材料基体环氧树脂选择范围的潜力。
在本文中,首先根据溶解性基本原理设计反应体系,采用沉淀方法高效地合成了双酚S二缩水甘油醚(DGEBS)环氧树脂。使用多种表征手段研究了该新型固体粉末环氧树脂的性能特点。在了解树脂基本性能之后,将这种树脂与固化剂、促进剂复配,制备一种单组份潜伏固化体系,并对其固化反应过程进行反应动力学与流变性能的表征与对比研究。最后,将该潜伏固化体系与表面处理后的无机填料混合,模拟封装材料制备条件,用热压方法制备了固化样品。主要对复合材料样品的力学性能、热性能、导热性能与绝缘性能进行了表征与讨论。
结果如下:(1)通过多种表征方法,确定了新型方法合成的双酚S二缩水甘油醚具有高纯度(环氧值高于0.54)、窄分布(多分散系数=1.07)、结晶(合成的粉末树脂结晶度84.74%)、低熔融粘度(mp=168℃,η<40mPa·s)、本征导热系数较一般环氧树脂高(k=0.23W/(m·K))、氯含量低(质量分数低于万分之一)等特点,培养并首度测定了其单晶晶胞结构。之后,考察了各种因素对合成反应的影响,并给出了改进的合成方法。
(2)对DGEBS/线性酚醛树脂(Novolac)/三苯基膦(TPP)潜伏固化体系与现有工业常用的邻甲酚醛环氧树脂(EOCN)/Novolac/TPP固化体系进行了固化过程动力学与流变学、固化物各性能的系统对比研究。两个体系的固化动力学用非等温DSC法研究,采用Vyazovkin无模型高级等转换方法与Málek模型拟合法处理数据得到固化动力学方程。结果表明两者的固化温度分别为127℃和155℃,固化过程均可用SB(m,n)模型进行拟合。DGEBS与EOCN体系熔融粘度分别为1170mPa·s与16500mPa·s,凝胶时间分别为79.4min与120min。DGEBS/Novolac/TPP体系拉伸强度80.6MPa,热分解温度344℃,玻璃化转变温度193℃,电阻率4.12×1011Ω·m。EOCN/Novolac/TPP体系拉伸强度75.4MPa,热分解温度308℃,玻璃化转变温度180℃,电阻率2.26×1011Ω·m。
(3)以六方氮化硼(h-BN)为导热绝缘填料,以化学改性方法增加界面相容性,对DGEBS/Novolac/TPP体系进行填充与固化物性能表征研究。结果表明,复合材料的电阻率随填料含量的增加而提升,导热系数随填料含量的增加先提升,后趋于稳定。以硅烷偶联剂KH550处理后,h-BN质量分数占50%时,复合体系熔融粘度约为31000mPa·s,导热系数可达1.82W/(m·K),电阻率4.07×1011Ω·m。
综合上述结果,可以总结出基于溶解性基本原理设计的高纯低粘DGEBS粉末环氧树脂合成方法是一种优异的新型合成方法。DGEBS树脂固化体系熔融粘度与固化温度较低,适用期长,总体固化性能良好,是一种新型高性能环氧树脂,具备拓宽EMC材料基体环氧树脂选择范围的潜力。