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环氧树脂／碳纤维复合封装材料的研究
邹国华1 余运江1 马孝松2，1
1：桂林电子工业学院
2：西安电子科技大学
摘 要：电子及封装技术的快速发展对封装材料的性能提出了更加严格的要求，具有高导热及良好综合性能的新型封装材料的研究和开发显得更加重要。本文综述了一种新型的封装复合材料——环氧树脂／碳纤维复合材料。对复合材料的热传导性能，电传导性能以及热机械性能进行了分别讨论。
关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；热传导率；电性能；热性能。
引言
封装的功能主要包括机械支撑、散热、信号传递、芯片保护等。据此，对封装材料的性能要求总体上有以下几点：具有良好的化学稳定性；导热性好、热膨胀系数小；有较好的机械强度，便于加工；价格低廉，便于自动化生产等。如表1所示：
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可靠性
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耐湿可靠性，低应力性，抗焊接性，导热性
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生产性
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生产方式，填充性，连续成型性，脱模性
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经济性
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成本，合格率，成型时间，后固化
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表1 微电子封装材料的性能要求
随着现代信息产业的发展，电子设备向薄、轻、短、小和数字化、多功能化、
网络化方向发展，迫切需要各种新型电子材料。其中电于元件的高功率化、高密度化、高集成化，散热快己成为重要的研究课题。采用导热性良好的电于材料作为基板材料、封装材料、层间介质材料，是解决这个问题的理想方法。
作为导热性电子材料，金属材料能满足导热性要求，但同时存在的导电性限制了其使用范围；无机非金属晶体（单晶和陶瓷）同时具有优良的导热性和绝缘性，是理想的导热性电子材料，但制备困难、成本高：聚合物成型方便、易于生产，介电性好，但导热性差。因此研究和开发具有高导热及良好综合性能的新型封装材料显得更加重要。
复合材料是由两种或两种以上物理或化学上不同的物质组合起来而得到的一种固体材料。因为复合效应，复合材料的性能会比它的组成物质（材料）更好，或者具有原组成物质所没有的性能。利用高导热陶瓷优良的导热性和聚合物成型方便、易于生产的忧点，以及它们共有的绝缘性，将高导热陶瓷与聚合物用适当的方法进行复合，可以得到高导热、电绝缘、介电性能好、加工成型方便的复合材料，以满足现代微电子行业的需要。
1. 环氧树脂/碳纤维复合材料
传统的塑料封装的材料主要是环氧树脂和有机硅为主。环氧树脂价格相对便宜、成型工艺简单、适合大规模生产、可靠性也较高，广泛用于塑封材料。本研究的复合材料是环氧树脂和碳纤维组成的复合材料。碳纤维具有800～1200W/m k的热传导率，低的介电常数，高的热辐射阻值和优良的钝化性能。环氧树脂和碳纤维组成的复合材料可以达到优良的热传导率和低的热膨胀系数。相比于环氧树脂和有机硅组成的封装材料有着更好的性能。
1.1 环氧树脂
1.1.1 环氧树脂封装材料的组成和特性
环氧树脂封装材料是由封装材料、固化剂、固化促进剂、无机填料、脱模剂、着色剂等几十种组分配置而成，其中环氧树脂是主要成分。在热和促进剂的作用下，环氧树脂和固化剂发生交联固化反应，固化后成为热固性塑料。
环氧树脂之所以广泛用于电子器件和集成电路封装材料，是因为它具有以下特性：
(1) 由于环氧树脂与固化剂反应属于加成聚合，一般来讲收缩率较小，没有副产物；
(2) 环氧树脂固化后的产物具有优良的耐热性、电绝缘性能、密闭性和介电性能，能满足电子、电气的要求；
(3) 配方中选择不同的固化剂和固化促进剂，可制备各种性能的封装材料，以满足器件和集成电路的不同要求。
1.1.2 环氧树脂封装材料的研究现状
环氧树脂(EP)是一种热固性树脂，具有优异的粘接性、机械强度、电绝缘性等待性，因而广泛应用于电子材料的浇注、封装等方面。由于纯环氧树脂具有高的交联结构，因而存在质脆、易疲劳、耐热性不够好、抗冲击韧性差等缺点。为了保证封装器件的可靠性、良好的热耗散能力和优异的电性能，有必要对环氧树脂的增韧、导热、耐热、阻燃和降低内应力等方面进行改性。
1.2 碳纤维
根据原材料的不同，碳纤维可分为两大类。一类是利用合成纤维作为原料，进过氧化稳定（200～300℃）过程，碳化过程（1000～1600℃）制成高强度碳纤维（Carbon fiber），再加上石墨化过程（2500～2800℃）制成高弹性模量碳纤维，以及表面处理（硝酸或硫酸）而制成的碳纤维。另一类是利用提炼石油和炼焦煤产生的副产品沥青（Pitch），经过熔化抽丝（350℃以上）过程，氧化稳定（200～300℃）过程，碳化过程（1000～1100℃）制成高强度碳纤维，或再加上石墨化过程（2200～3100℃）制成高弹性模量碳纤维，以及表面处理（表面氧化处理）制成而的Pitch基碳纤维。本研究所使用的碳纤维直径大约为7um，而平均长度大约为45um。其SEM图片可见下图：
 此主题相关图片如下：
图1 本研究中所使用的碳纤维SEM图
2. 复合材料的各项性能分析
本研究采用的环氧树脂和碳纤维的各项性能可见下表：
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性能
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环氧树脂
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碳纤维
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平均尺寸
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7
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密度（g/cm3）
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1.16
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2.15～2.25
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热传导率（W/m·K）
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0.20
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>800
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电阻（Ohm·m）
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<3.0×10－6
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热膨胀系数（室温）（PPm/℃）
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88
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－1.45
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杨式模量（GPa）
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2.25
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表2 环氧树脂和碳纤维各项性能指标
2.1 热传导率
有很多的理论性和经验性的模型用于预测高分子复合材料的热导率，本研究所采用的是Maxwell-Eucken模型。该模型简单地表征了没有相互作用地均一球体无规分散在均一基体中所形成的复合材料的热传导性，在体系和填料比较低时，这个模型可以很好地预测其热传导性。该模型的数学表达式如下：
λ＝｛ [2λ1+λ2+2V（λ2－λ1）]／[2λ1+λ2－2V（λ2－λ1）] ｝×λ1
式中，λ1聚合物的热导率；λ2粒子的热导率；λ为复合材料的热导率；V为粒子的填充体积分数。
根据理论模型公式，以碳纤维在复合材料中的含量从0％到45%每7.5%为一个采样点进行计算分析，可得结果如下表：
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V
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0
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7.5％
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15％
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22.5％
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30％
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37.5％
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45％
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λ
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0.2
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0.3802
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0.6266
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1.2023
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1.6425
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1.8365
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1.8755
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表3 利用Maxwell-Eucken模型分析出的复合材料热传导率
同样可以计算出传统封装材料中硅的体积含量与封装材料的热传导率之间的关系曲线。
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V
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0
|
7.5％
|
15％
|
22.5％
|
30％
|
37.5％
|
45％
|
|
λ
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0.2
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0.2168
|
0.2651
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0.3064
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0.3251
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0.3742
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0.4010
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表4 利用Maxwell-Eucken模型分析出的传统封装材料热传导率
根据这一结果，可以描绘出复合材料的热传导率与复合材料中碳纤维含量的关系曲线。
此主题相关图片如下：
图2：碳纤维和silica共同填充对热导系数的影响
此主题相关图片如下：
图2 封装材料热传导率与填充料体积含量的关系曲线
有关系曲线可以看出，随着碳纤维在复合材料中体积含量的增加，复合材料的热传导率也随着增加。与传统封装材料相比，在添加料体积含量相同的情况下，碳纤维的添加比硅有着更好的效果，可以达到更好的热传导率。
2.2电传导率
作为封装用的材料必须具有高的电绝缘性，环氧树脂具有很高的电绝缘性，但碳纤维的绝缘电阻却很小。这就导致了环氧树脂/碳纤维复合材料的电绝缘性产生变化。随着碳纤维在复合材料中所含体积的增加，电绝缘性的也会发生变化。
在碳纤维体积含量为0～15％之间时，电绝缘性变化不大，且具有高大108Ohm·m的绝缘电阻。可当碳纤维含量超过15％时，绝缘电阻迅速下降到10Ohm·m。在15％～22.5%的体积含量时为一个急剧下降过程。之后随着含量的增加，绝缘电阻基本上保持不变状态。
为了达到高的电绝缘性，由分析可以得出碳纤维在整个复合材料中的体积分数不能高于15％。如果再高，就不能够满足封装材料电绝缘性的要求。
2.3 热分析
热机械性能包括玻璃转化温度，热膨胀系数以及储存模量等参数。通过对本研究的复合材料分析可以得出以下结论：复合材料热膨胀系数与碳纤维的含量关系曲线可见图（4），复合材料模量与碳纤维含量的关系曲线可见图（5）。复合材料玻璃转化温度与碳纤维含量关系曲线可见图（6）。
此主题相关图片如下：
图4 复合材料热膨胀系数与添加料体积含量的关系曲线
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图5 复合材料的模量关系曲线
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图6 复合材料的玻璃转化温度关系曲线
3．结论
通过对环氧树脂/碳纤维复合材料的热传导性能，电性能，以及热性能进行计算分析可以得出以下结论：复合材料的热传导率明显高于环氧树脂，随着碳纤维含量的增加，其热传导率也呈递增趋势。但是电绝缘性能随着碳纤维含量的增加反而降低，不能够满足封装材料的要求。为了得到高导热性又适合于封装的电性能，碳纤维的含量不能高于15％。最高时热传导率为2.8W/mk，远高于纯环氧树脂，而电绝缘电阻可高达108Ohm·m，完全满足封装材料的要求。所以复合材料中碳纤维的体积含量为15％时可以达到最佳效果。另外碳纤维的负热膨胀系数，可以与硅片形成较好的热匹配，提高了封装的可靠性。
参考文献
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邹国华、余运江等<|||>
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桂林电子工业学院、西安电子科技大学<|||>
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2004-11-2 |
