1 引言

电子材料是微电子工业的发展基础，随着芯片技术的发展，环氧模塑料(Epoxy Molding Compounds，EMC)作为生产集成电路的主要结构材料也正飞速发展。它比陶瓷及金属封装工艺简单、成本低、重量轻。环氧模塑料是由邻甲酚醛环氧树脂与填充剂、固化剂等其他微量组分复配而成，为半导体芯片提供机械支撑和散热通道[1，2]。

目前集成电路日趋高速化、高密度化，特别是大功耗电子元件工作时将伴随大量的热量产生，如无法及时排除，会造成电子信号失真、降低可靠性，甚至将导致元件损坏，所以必然要求封装材料具有良好的导热性能和与芯片接近的热膨胀系数。由于环氧树脂热导率比较低，为0．15 W(m·K)-1～-0．25 W(m·K)-1[3，4]，而无机填料的热导率远远大于树脂基体，而其热膨胀系数远小于树脂，所以陶瓷／聚合物基复合材料的热导率和热膨胀系数主要由无机填料决定。传统的EMC以单一的硅微粉作填料，其优点是价格低廉，但是模塑料的导热率较低，为获得较高的导热系数值，主要通过控制硅微粉颗粒的形态来提高其填充量。一些高导热的陶瓷通常是人工合成的氮化物，如氮化铝(A1N)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等，它们的化学稳定性较差，单一成分作填料制备塑封材料时，导热系数得到提高，但价格较高。如果采用部分硅微粉或氧化铝陶瓷颗粒替代高热导人工合成的氮化物陶瓷颗粒复合填充，一方面可以降低填料的成本，另一方面还可以保持一定的高热导等优点。为此本文选用二氧化硅、氧化铝、氮化硅三种陶瓷颗粒复合填充环氧树脂，制备环氧模塑料，研究其热性能、电性能等。

2 实验样品的组成和制备

2．1 样品组成设计和实验用原材料

本文将Al2O3、Si3N4及晶态SiO2三种陶瓷粉体复合添加到环氧树脂中制备塑封料，即A12O3与Si3N4组合，Al2O3／Si3N4为1：1(体积比)，SiO2与Si3N4组合，SiO2／Si3N4为1：1(体积比)。两种体系环氧模塑料试样的基本组成如表1所示。

实验所用的基体树脂为由蓝星化工新材料股份有限公司无锡树脂厂提供的环氧树脂，环氧当量为200～238，软化点为55℃～65℃，具有良好的耐热性和电绝缘性；线性酚醛树脂做固化剂，填料为Al2O3、Si3N4及晶态SiO2三种陶瓷粉体；另外其他微量组分有硅烷类偶联剂、咪唑类促进剂等等。

2．2 样品的制备和性能测试

三种陶瓷填料经偶联剂处理，按表1配比称取各组分，在球磨机上进行湿球磨混合，球磨介质为无水乙醇，球磨速度为300r'min-1。混合均匀的料浆在干燥箱干燥后得到复合陶瓷颗粒／环氧模塑粉。将模塑粉分别放入φ50mm和φ30mm模具中，在160℃、48MPa条件下热压成型。

模压成型样品采用稳态法测量样品的导热系数，采用热膨胀仪测量样品的热膨胀系数，采用变频法测量样品的介电常数，最后在扫描电子显微镜下观察样品的微观结构。

3 实验结果与讨论

3．1 制备样品的微观结构

由图1和图2可以看出，低填充量时，陶瓷颗粒与环氧树脂基体结合较紧密，虽有少量团聚陶瓷颗粒存在，但其周围被大量树脂基体紧紧包覆，缺陷较少，如图1(a)、(b)所示。这是因为低填充量的试样在热压成型时，树脂流动性较好，减少了气孔形成的几率。在复合陶瓷颗粒填充量达到60％时，由图2(a)可以看到，SiO2、Si3N4颗粒在树脂基体中随机分布，球形的SiO2更容易分散，因而形成了一个复杂的、较为均匀的颗粒网络。图2(b)，长棒状的Si3N4和类似球形的Al2O3与树脂结合较好，但是由于填充量较高，气孔形成的几率增大。

3．2 复合添加材料体系对EMC导热性能的影响

复合材料的热导率可以用很多包含体积分数的公式来估算。由于它与组成各相的导热系数、各相的相对含量、形态、分布以及相互作用等多个因素相关，所以精确的热导率需要用实验方法来测定。本实验两种体系的测试结果如图3所示。

由图3可知随着填料含量的增加，复合材料的导热系数明显增加。这是因为SiO2、Al2O3和Si3N4三种陶瓷粉体具有高导热系数，分别约为14 W(m·K)-1、36 W(m*K)-1、155 W(m*K)-1[5-7]，远远高于环氧树脂的导热系数[3,4]。图中当两种体系填料的体积含量均为10％时，其导热系数约为树脂基体的两倍，且两体系相差很小，这是因为在高导热的陶瓷颗粒含量较低时，环氧树脂对复合材料的性能起主导作用，由其微观结构图(图1)也可以看出，陶瓷颗粒与颗粒之间被大量环氧树脂层所隔开，树脂层是热流通过的障碍，此时填料的高导热性得不到充分发挥，所以低含量时，所加填料的种类对材料的热导率影响不是很明显。随着填料含量的进一步增加，复合材料的热导率增长较快。由微观结构图(图2)可以看出，高填充量的陶瓷颗粒在树脂中已经形成了稳定的导热网络，陶瓷的高导热性得到了充分发挥，此时它对复合材料的导热性能起着主要的作用。对于SiO2、Si3N4复合体系，在体积含量大于60％时，复合材料的热导率上升幅度较小，这是由高填充量的复合材料内部结构因素造成的，在样品成型工艺条件不变的情况下，高填充量的样品成型流动性变差，试样内部气孔较多，致密度较低，因而对材料热导率影响变得较明显。

对于此两种体系的复合材料而言，由图3可知，相同体积含量时，Al2O3、Si3N4复合体系的热导率比SiO2、Si3N4复合体大，而且前者热导率随体积百分含量的变化比后者略快，这是因为Al2O3陶瓷颗粒本身热导率高于SiO2。当两种体系的体积百分含量达到60％时，复合材料的热导率分别达到2．254W(m*K)-1、2．04W(m*K)-1，近似为树脂基体的10倍。

3．3 复合添加材料体系对EMC热膨胀系数的影响

固体物质的热膨胀系数取决于原子间作用力的大小，聚合物链问力很小，结合很弱，所以热膨胀系数比较大，约在10-5K-1数量级。聚合物基复合材料的热膨胀系数与两相材料的线膨胀系数以及它们的体积百分含量有关，可以用式(1)表示：

ac=am+(af-am)vf[9，10](1)

这里ac为复合材料的线膨胀系数，am为聚合物的线膨胀系数，af为填加剂材料的线膨胀系数，Vf为填加剂的体积百分数。由此式可知，低膨胀系数的填加剂体积含量越高，复合材料的热膨胀系数越小。对于环氧模塑料而言，要求其热膨胀系数接近硅芯片的热膨胀系数(约为3．5x10-6K-1～4．1×10-6K-1)[10,11]，以免二者热膨胀系数差异过大产生应力，造成布线破坏。其应力近似可表示为：

σ=KEa△T[12，13]( 2 )

这里K是常数，E是封装材料的弹性模量，a是线膨胀系数，△T是Tg与常温的温度差。因此本体系就是加入了高填充量的、低膨胀系数的陶瓷粉末来达到此目的。

两种体系复合材料的热膨胀系数随填料体积百分含量变化的曲线如图4所示。

图4中，曲线各数据均是在20℃-150℃范围测得的平均线膨胀系数。由图知，复合材料的热膨胀系数随着填料体积含量的增加而减小，填料体积含量相同时，Al2O3、Si3N4复合体系的CTE要比SiO2、Si3N4复合体系小，而且前者CTE下降的速率稍微比后者大些。两者在体积含量为65％时的CTE分别为14．93x10-6K-1、16．43x10-6K-1，与Bae[5]用A1N级配填充EMC时获得的热膨胀系数值相差不多(65％A1N，CTE为14．5*10-6K-1～18．5*10-6K-1)，该值接近与铜引线的热膨胀系数(17x10-6K-1)。由此看来，复合陶瓷颗粒复合填充树脂也可以有效地减小热膨胀系数。

3．4 复合添加材料体系对EMC介电性能的影响

本实验用变频法测定的介电常数，其测试结果如图5所示。

由图5知，复合材料的介电常数随着体积百分含量的增加而增加，这是因为填料本身的介电常数比环氧树脂稍大，约为树脂基体的1～2倍，填料含量越大对介电常数的贡献越大。而且随着填料体积百分含量的增加，复合材料中的两相结合面更多，界面极化对介电常数的贡献增加，也导致了介电常数的增加，但总体上可以维持在较低水平。同时由图5也可以看出，在相同体积百分含量时，A12O3、Si3N4复合体系的介电常数要比SiO2、Si3N4复合体系大。这是因为实验所用的AL2O3陶瓷粉体的介电常数比SiO2大，约是其两倍左右，所以Al2O3、Si3N4复合体系的介电常数曲线出现在SiO2、Si3N4复合体系的上方。在体积含量小于20％时，两者介电常数相差不大，这是因为在低填充量下，填料对复合材料的介电常数的贡献不是很大，此时环氧树脂基体起着主要作用。在体积含量大于20％时，填料对介电常数开始起主导作用，复合材料的介电常数随体积变化比较显著。由图知两者相差很明显，这正是Al2O3、SiO2本身介电常数的差异造成的。

4 结论

复合陶瓷颗粒填充环氧树脂制备的塑封材料，填充颗粒与树脂基体结合良好，高填充量的复合陶瓷颗粒可以很好地形成颗粒链或颗粒网络。环氧模塑料的导热系数随填料含量的增加而显著提高，相同体积百分含量下，Al203、Si3N4复合体系EMC热导率高于SiO2、Si3N4复合体系，当其百分含量为60％时，前者热导率达到2．254 W(m*K)-1、后者达到2．04 W(m*K)-1,近似为树脂基体的10倍。环氧模塑料的热膨胀系数随着填料体积含量的增加而显著减小，填料体积含量相同时，Al2O3、Si3N4复合体系的CTE要比SiO2、Si3N4复合体系小，而且CTE下降的速率也稍微大些。两者在体积含量为65％时的CTE分别达到14．93x10-6K-1、16．43x 10-6K-1。环氧模塑料的介电常数随填料体积含量的增加而提高，相同体积百分含量时，Al2O3、Si3N4复合体系的介电常数要比SiO2、Si3N4复合体系大，但仍可以维持在较低水平。