硅微粉球形度对环氧模塑料熔体流动性的影响

陈晓飞

（浙江华飞电子基材有限公司，浙江湖州 313000）

1 引言

随着电子信息产业的快速发展，电子元器件的作用越来越重要，呈现出更轻、更小、更快的发展趋势。在这种发展趋势下，先进的封装技术扮演着越来越重要的角色，因此对电子封装用环氧模塑料的流动性也提出了更高的要求[1]。环氧模塑料的流动性主要采用螺旋流动长度和熔体粘度进行评价。环氧模塑料是1种热固性塑料，是1类重要的有机-无机复合材料，是电子封装行业最主要的封装材料[2-4]。在整个半导体封装行业中，90%都采用塑料封装，而在塑料封装材料中，90%以上是环氧模塑料[5]。环氧模塑料的主要成分有环氧树脂、酚醛树脂、固化促进剂、硅微粉、应力改性剂、蜡、炭黑等[6-8]。硅微粉是环氧模塑料的重要组成成分，质量分数在70%以上[9]。集成电路的大规模和超大规模化发展对硅微粉也有了更高的要求，主要表现在超细化、高纯度及球形度等方面。

由于美国等西方国家的技术封锁，近年来电子封装用硅微粉（尤其是球形硅微粉）的研究已成为国内粉体研究中的一个热点[10]，但目前国内外在硅微粉外部形貌对环氧模塑料熔体流动性的影响方面仍少有报道。本文通过在环氧模塑料中添加不同粒度段的角形硅微粉的方式，考察了不同粒度段、不同球形度的硅微粉对环氧模塑料熔体流动性的影响。

2 试验过程

2.1 原材料

本试验所用原材料的组成情况如表1所示。

表1 试验用原材料的组成情况

2.2 设备及仪器

试验的设备及仪器有：高速混合机（SHR-10A，张家港市永利机械有限公司），双螺杆挤出机（TDS-26，南京诺达挤出装备有限公司），四柱液压机（Y32-100，湖州鑫科锻压机床有限公司），毛细管流变仪（CFT-500D/100D，日本岛津公司）。

2.3 硅微粉的配制

为研究硅微粉的球形度对环氧模塑料的熔体流动性的影响，选用不同的熔融硅微粉单体进行测试，分别为粗-1、粗-2、中-1、中-2、细-1和细-2。

硅微粉级配后添加至环氧模塑料中能充分发挥其填充效果，因此需要对上述硅微粉按一定的比例级配后进行评价，级配的基本配比为：粗粉12份，中粉9份，细粉15份，其他球形硅微粉64份。硅微粉的具体配比如表2所示。

表2 硅微粉的配比 单位：份

2.4 环氧模塑料的制备

环氧模塑料的制备主要以环氧树脂为基体，以酚醛树脂为固化剂，再按一定比例加上级配好的硅微粉、促进剂、偶联剂等其他组分，经过高速搅拌、挤出、冷却、粉碎、后混合等工艺制成待测的环氧模塑料。

环氧模塑料制备的配比如表3所示。按配比称量好原材料，并按一定的顺序添加到高速混料机中，采用常温高速搅拌5 min后出料，将混合好的料通过挤出机进行挤出，挤出时应设定好加料速度、背压、挤出机转速及不同区域的温度等重要控制参数。挤出后的半成品应迅速放入冷柜中进行冷藏，防止环氧模塑料固化。

表3 环氧模塑料制备的配比

检测环氧模塑料的流动性时，需将适量冷藏4 h以上的半成品通过研磨等方式进行粉碎，并控制一定的细度，再将这些粉碎品混合后待测。

3 分析与讨论

3.1 单体硅微粉分析

硅微粉具有介电性能优异、热膨胀系数低、导热系数高且价格低等优点，是环氧模塑料的重要组成成分，其外形对环氧模塑料的加工及物理性能有重要影响，因而对硅微粉的形貌进行分析尤为必要。硅微粉单体粗-1、粗-2、中-1、中-2、细-1和细-2放大500倍的显微镜照片如图1所示。

单体粗-1、中-1、细-1为纯球形硅微粉，单体粗-2、中-2和细-2为纯角形硅微粉。将硅微粉的球形度定义为纯球形硅微粉在总的硅微粉中所占的质量分数，则单体粗-1、中-1和细-1的球形度都为100%，而单体粗-2、中-2和细-2的球形度都为0%。级配好的硅微粉的球形度如表4所示。

图1 硅微粉单体放大500倍的显微镜照片

表4 硅微粉的球形度

硅微粉的单体粗-1、粗-2、中-1、中-2、细-1和细-2的激光粒度和比表面积的测试数据如表5所示。

从表5中可以看出，单体粗-1和粗-2的激光粒度及比表面积基本一致，单体中-1和中-2的激光粒度及比表面积基本一致，单体细-1和细-2的激光粒度及比表面积也基本一致。

3.2 硅微粉球形度对螺旋流动长度的影响

采用标准的螺旋流动测试模具对螺旋流动长度进行测试。对螺旋流动长度进行评价时，称取一定量的粉碎预混合后的环氧模塑料待测样，在175℃、注射压力为8 MPa的条件下，用四柱液压机保压120 s使其固化，熔体最终固化后的长度即为螺旋流动长度。

表5 各单体激光粒度及比表面积测试数据

螺旋流动长度是环氧模塑料的1个重要指标。螺旋流动长度过短，该环氧模塑料在封装时可能会出现缺料、有气孔、冲丝等问题；而螺旋流动长度过长，则该环氧模塑料在封装时可能会有溢料、飞边、针孔等现象的发生。

硅微粉球形度对螺旋流动长度的影响如图2所示，角形表面积对螺旋流动长度的影响如图3所示。图中的粗粉曲线是指角形粗粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的螺旋流动长度；中粉曲线是指角形中粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的螺旋流动长度；细粉曲线是指角形细粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的螺旋流动长度。

图2 硅微粉球形度对螺旋流动长度的影响

图3 角形表面积对螺旋流动长度的影响

从图2可以看出，在相同球形度的硅微粉中，角形粗粉的加入对环氧模塑料螺旋流动长度的影响较小，而角形细粉的加入对环氧模塑料螺旋流动长度的影响较大。从图3可以看出，角形硅微粉的表面积与环氧模塑料的螺旋流动长度具有正向相关性，且在加入角形细粉时，螺旋流动长度曲线的变化更平缓。

3.3 硅微粉球形度对熔体粘度的影响

采用日本岛津公司生产的CFT-500D/100D型毛细管流变仪对熔体粘度进行测试。测试时，将一定量的粉碎预混合后的环氧模塑料加热熔融后，放置到预热好的毛细管流变仪中，启动开关，按一定的速度把物料从口模中挤出，通过计算得到在不同剪切速率下的环氧模塑料的熔体粘度。

熔体粘度也是环氧模塑料的1个重要指标。熔体粘度过大，该环氧模塑料在封装时可能会产生冲丝、注塑不足等问题；而熔体粘度过小，则该环氧模塑料在封装时可能会出现溢料、飞边的现象。

硅微粉球形度对溶体粘度的影响如图4所示，角形表面积对溶体粘度的影响如图5所示。图中粗粉曲线是指角形粗粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的熔体粘度；中粉曲线是指角形中粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的熔体粘度；细粉曲线是指角形细粉的加入引起的不同球形度和角形表面积所对应的环氧模塑料样品的熔体粘度。

图4 硅微粉球形度对熔体粘度的影响

图5 角形表面积对熔体粘度的影响

从图4可以看出，在相同球形度的硅微粉中，角形粗粉的加入对环氧模塑料熔体粘度的影响较小，而角形细粉的加入对环氧模塑料熔体粘度的影响较大，且角形细粉的少量加入即对熔体粘度产生很大的影响。从图5可以看出，角形硅微粉的表面积与环氧模塑料的熔体粘度具有反向相关性，且在加入角形细粉时，熔体粘度曲线的变化更平缓。

4 结论

本文通过在环氧模塑料中加入不同球形度的硅微粉，研究了硅微粉球形度的差异对环氧模塑料熔体流动性的影响。环氧模塑料的流动性主要是通过螺旋流动长度与熔体粘度来进行评价，螺旋流动长度与熔体粘度这2个指标是相辅相成的，在评价上具有一致性。等量角形粗料的加入对环氧模塑料的熔体流动性影响较小，而角形细粉的加入对环氧模塑料的熔体流动性影响较大。结合硅微粉的表面积看，角形细粉对环氧模塑料熔体流动性的影响比较小，这应该是由于角形粗粉的应力比细粉更集中，而细粉在环氧模塑料中能起到润滑作用，有利于改善环氧模塑料的熔体流动性。