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填料加在环氧树脂封装材料中有很多原因，用来改变环氧树脂的性能和特性。使用填料的主要作用是控制环氧树脂的粘性、降低收缩率和热膨胀系数、降低成本和着色。
ASTM D-883定义填料为“加在塑料中的相对惰性材料，用以改变强度、耐久性、工作性能或其它性能或降低成本”。环氧树脂本身不能单独用于封装，因为它的热膨胀系数高、导热系数低。惰性无机材料添加在模塑材料中用来降低热膨胀系数、提高导热系数、提高弹性模量、防止环氧树脂渗出模具，降低包封固化时的收缩（因此，降低了残余热机械应力）。从微观上讲，在选择填料时颗粒的形状、尺寸都决定热融化状态的环氧树脂流变特性。
1、填料与偶合剂的影响
从历史的演化来讲，填料应具有要求性能的优化结合，一直是二氧化硅晶体或石英。典型的是添加了73%重量二氧化硅晶体的模塑材料，具有32ppm/℃ 和导热系数约为15kW/m℃。若晶体的二氧化硅晶体由烧结的二氧化硅代替，可以产生低密度和低粘性。一种含烧结的二氧化硅和一种具有含二氧化硅晶体73%的环氧树脂在可模塑情况类似时，前者的热膨胀系数为24 ppm/℃、导热系数为16kW/m℃。
加铝或铜填料可以对导热系数改善5%。加其它的填料也可以对导热性能加以改善，如：氮化铝、碳化硅、氧化镁和氮化硅。然而，Proctor and Solc已经指出要把树脂的导热系数提高100倍以上根本没有意义，并估计实际限制为仅可以使树脂的导热系数提高约12倍。最大的填料添加量应为在聚合物基体中添加多种尺寸和形状分布的颗粒。人们对导热系数的IC封装热性能的影响已经进行了研究，结果显示表明对封装热阻的降低相当于给IC加了一个散热器。但是当采用了热性能改善的引框时，改性的聚合物热性能就显得没有那么有效。
在低应力的环氧树脂中，球状的二氧化硅通常与压碎的二氧化硅一起添加进一步降低热膨胀系数。然而，模塑熔点的提高将增加孔穴密度和增加大面积封装均匀度的难度。颗粒的尺寸、分布和表面的化学特性对优化树脂性能的提高最为重要。测试结果表明：填料的比例对树脂的流动性影响最大，球状silica的比例对汽相焊发生爆米花的影响最大。Roslar研究了各种填料对优化热膨胀系数和导热系数的影响，结果表明与二氧化硅晶体、石英、烧结的二氧化硅的含量成比例。
大多数聚合物在聚合和发生交联反应时会产生收缩，收缩对其在电子方面的应用产生负作用。加入的填料后会因为其以体积代替了树脂而不参加交联反应，这样可以降低收缩。填料的加入使粘性增加并改善了材料的韧性。
研究表明silica、玻璃微球粉、氢氧化铝填料可以提高各类环氧树脂的韧性。在电力和电子的许多应用上都要求环氧树脂有导电性。大多数环氧树脂都具有高的电阻性。但通过假如填料也可以改变其导电性，银作为填料混合在环氧树脂里可以产生导电的作用。有时也采用铜，但其导电性略差。采用银的原因是银表面上没有氧化层，不会起电绝缘作用。 因此，金属铝纤维很少被考虑在该特性上使用。
填料的在使用上又能发挥它与环氧树脂具有很好的粘合性，特别是球与环氧树脂结合的表面，不会产生应力而降低机械性能。偶合剂在填料与聚合物表面产生共价键用来提高二者之间的结合。常用的偶合剂为：硅烷、钛、铝螯合物和锆的化合物。界面的结合能力的提高可以提高机械强度和封装的热阻。尽管偶合剂可以改善工艺能力，也有一些负面作用，如脱模较难控制。该粘合作用也扩展影响到了器件与引线框的粘合，降低了与引线框的粘结失效。
2、固化剂与加速催化剂的影响
塑封产品的封装材料体系包括：环氧树脂、硬化或固化剂和加速催化剂。环氧树脂从液态到凝固为热固性固体是因为添加了化学活性化合物固化剂才完成的，酚醛环氧树脂和甲基环氧树脂最为常用。因此，环氧树脂和固化剂的特别成份被选为最优。如：酚醛环氧树脂有较高的固化速度。
固化剂和催化剂的主要作用是加强和扩大聚合反应的速度和范围。因此，固化剂和催化剂的选择与环氧树脂的选择一样重要。经常同一添加剂起固化和催化的作用。环氧树脂的交联反应受链化和芳香胺、羧基或其衍生酸酐和复合酚醛的影响，而均聚反应受Lewis酸或基和它的有机盐的影响。最常用的固化剂为芳香胺和羧酸，其中，链化羧酸在室温下反应速度很快，芳香胺可以达到高热稳定性和化学稳定性。根据使用的固化剂不同，化学反应就不同。因为这一反应是数量上的差别，固化剂是按一定的比例一种对一种树脂添加的。由于良好的模塑性、电特性和热湿阻性，酚醛环氧树脂和甲基环氧树脂已经成为了电子封装业占主要地位的添加剂。
为使固化可以在合理的时间内完成，有必要使用催化剂。催化剂可以降低模内的固化时间并提高生产率。典型的催化剂包括：开链聚酰胺、三胺、酚醛、壬基酚醛等。
3、应力释放剂
环氧树脂封装材料的韧性和应力松弛反映可以通过添加韧性剂和应力松弛剂来加以提高。应力松弛剂降低了热机收缩应力，因此可以延缓模塑和器件镀层的开裂。对于模塑材料的改性来说，应力松弛剂可以降低弹性模量、改善韧性、柔性降低CTE。惰性柔性剂，像酞酸脂或氯化联苯仍保持其相。反应的柔性剂在环氧树脂材料中仍保持其相，因此可以降低拉伸模量和改善封装的韧性。它们也降低了温升并在一定的环境下降低了收缩。柔性剂还可以改善粘结特性、冲击强度和减低温度开裂阻力。
总之，以上的各种封装材料添加剂，不管从那一个角度来讲都可以改善封装材料热、机械方面的性能，使用时必须仔细分析，同时要参考当今使用最广并且在性能和价格上都有优势的填料，同时，也要考虑使用的条件，切勿以性能最好为首选，必须综合考虑。
参考文献：
1、Michael G. Pecht, Luu T. Nguyen and Edward B. Hakim Plastic-Encapsulated Microelectronics, John Wiley&Song, Inc. New York 1995.
2、Avram Bar-Cohen and Allan D. Kraus Advabces in Thermal Modeling of Electronic Component and Systems Vol 3. ASME&IEEE Press New York 1993
3、John H. Lau Thermal Stress and Strain in Electronic Packaging Van Nortrand Reinhold New York 1993. |
