曹二平，蔡曉東，牟海燕

（1.衡所華威電子有限公司上海衡鎖電子分公司，上海 200120；2.衡所華威電子有限公司，江蘇連云港 222006）

1 引言

環(huán)氧塑封料是由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、填料、炭黑及其他助劑制備的一種復(fù)合材料，以優(yōu)異的力學(xué)性能、粘合性能、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性能著稱，主要用于芯片封裝［1］。隨著材料成型工藝技術(shù)的進(jìn)步和模塑料的發(fā)展，在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，最適合集成電路封裝的材料是環(huán)氧塑封料，目前環(huán)氧塑封料占芯片封裝材料的95%以上［2-3］。炭黑是由氣態(tài)或液態(tài)烴不完全燃燒或熱分解得到的純碳元素，它是大量炭黑微晶體圍繞著一個(gè)中心緊密堆積而成的顆粒狀物質(zhì)，在炭黑粒子中，碳原子是以類石墨形狀排列而成的炭黑準(zhǔn)晶體［4］。色素炭黑在環(huán)氧塑封料中主要起著色作用，利于芯片遮蓋及在封裝體表面進(jìn)行激光打標(biāo)；同時(shí)色素炭黑具有一定的導(dǎo)電性，炭黑的加入會(huì)影響環(huán)氧塑封料的電絕緣性能［5-6］。隨著芯片的發(fā)展，耐高壓芯片等應(yīng)用對(duì)環(huán)氧塑封料的電性能和激光打標(biāo)清晰度提出了更高的要求。

劉青等研究了導(dǎo)電炭黑對(duì)熱塑性聚烯烴彈性體膠料機(jī)械性能和電性能的影響［7］。激光打標(biāo)是一種環(huán)保標(biāo)識(shí)技術(shù)，其主要利用高能量密度的激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行作用，使其表面發(fā)生物理或化學(xué)變化從而獲得可見(jiàn)圖案［8］。不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)環(huán)氧塑封料性能的影響有待研究。本文研究了5 種不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)環(huán)氧塑封料的理化性能、電性能和激光打標(biāo)清晰度的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要原材料

試驗(yàn)采用的主要原材料為湖南嘉盛德材料科技股份有限公司的多芳型環(huán)氧樹(shù)脂BPNE 3501LL 和多芳型酚醛樹(shù)脂BPNH 9781S，歐勵(lì)隆工程碳有限公司的色素炭黑Printex 140 U 和NEROX 3500，四川正好特種炭黑科技有限公司的色素炭黑JY 2021，三菱化學(xué)有限公司的色素炭黑MA600 以及卡博特化工有限公司的色素炭黑Mogul H。5 種規(guī)格色素炭黑的理化特性見(jiàn)表1。

表1 5 種規(guī)格色素炭黑的理化特性

2.2 配方設(shè)計(jì)及制備

本試驗(yàn)采用單一控制變量法，研究不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)環(huán)氧塑封料物理性能、電性能和激光打標(biāo)清晰度的影響，配方如表2 所示，用高速攪拌機(jī)將多芳型環(huán)氧樹(shù)脂、多芳型酚醛樹(shù)脂和其他助劑等分別與5 種規(guī)格、質(zhì)量分?jǐn)?shù)都為0.3%的色素炭黑均勻混合，利用擠出機(jī)捏合，將擠出溫度設(shè)置在60～100 ℃，將出料溫度控制在90～120 ℃。出料后經(jīng)壓延機(jī)壓制和冷卻帶冷卻，再經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，得到粉末狀樣品A、B、C、D和E。

2.3 主要設(shè)備及儀器

試驗(yàn)所需的主要設(shè)備及儀器有：Advantest 公司的高阻儀TR8601，用來(lái)測(cè)試環(huán)氧塑封料的體積電阻率；Lacerta 公司的介電性能譜儀DS6000，用來(lái)測(cè)試環(huán)氧塑封料的離子電導(dǎo)率；托普斯公司的激光開(kāi)封機(jī)TL-1Pro，用來(lái)對(duì)環(huán)氧塑封料進(jìn)行激光打標(biāo)。

表2 樣品A、B、C、D 和E 的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

3 分析與討論

3.1 塑封料理化性能

將2～3 g 環(huán)氧塑封料放置在175 ℃的熱盤(pán)上，用秒表計(jì)時(shí)，使用刮刀均勻攪拌試樣，至試樣凝膠時(shí)停止計(jì)時(shí)，該時(shí)間為凝膠化時(shí)間，測(cè)試3 次取平均值。按照EMI-1-66 法，采用螺旋流動(dòng)測(cè)量模具，在175 ℃、7 MPa 注塑壓力和90 s 固化時(shí)間下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試3次取流動(dòng)長(zhǎng)度平均值；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 2240，在相同試驗(yàn)條件下，采用邵氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行熱硬度測(cè)量，測(cè)試3 次取平均值。樣品A、B、C、D 和E 的性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 樣品A、B、C、D 和E 的理化性能

由表3 可知，不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)凝膠時(shí)間的影響不明顯。炭黑聚結(jié)體越大、越復(fù)雜，聚結(jié)體有更多的空隙，炭黑會(huì)有更大的吸油值。不同規(guī)格的色素炭黑隨著吸油值的降低，凝膠時(shí)間沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明凝膠時(shí)間主要是受環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和固化促進(jìn)劑等因素影響，添加少量的炭黑不會(huì)明顯影響模塑料的交聯(lián)固化速度。模塑料的螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度從樣品A 的145 cm 逐漸增加到樣品D 和樣品E 的150 cm，增加了3.4%，有明顯變長(zhǎng)的趨勢(shì)。螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度整體變化幅度小，是因?yàn)樘亢诘奶砑恿可?，?duì)其影響小；螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度體現(xiàn)出變長(zhǎng)的趨勢(shì)，是因?yàn)殡S著炭黑吸油值的降低，其由復(fù)雜的高結(jié)構(gòu)炭黑逐漸變成低結(jié)構(gòu)炭黑；高結(jié)構(gòu)炭黑的炭黑原生粒子聚結(jié)程度高、鏈枝復(fù)雜且有更多空隙，對(duì)樹(shù)脂的作用力大，降低了模塑料整體的流動(dòng)性；反之，低結(jié)構(gòu)炭黑對(duì)樹(shù)脂的作用力小，對(duì)模塑料的流動(dòng)性影響?。?］。

不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)模塑料的熱硬度影響小，其中樣品A 的熱硬度最高，樣品D 的熱硬度最低。樣品A 熱硬度最高與其螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度最短相對(duì)應(yīng)，體現(xiàn)出高結(jié)構(gòu)炭黑對(duì)樹(shù)脂的強(qiáng)相互作用力，模塑料體現(xiàn)出高剛性；而樣品D 的熱硬度最低，是因?yàn)闃悠稤 中的炭黑原生粒徑為21 nm，吸油值為65 ml/100 g，樣品E中的炭黑原生粒徑為31 nm，吸油值為52 ml/100 g，相比而言，樣品E 中炭黑的聚集體體積大于樣品D 中的炭黑聚集體體積，樣品E 中的炭黑剛性更強(qiáng)，故樣品E的剛性及熱硬度高于樣品D。

3.2 色素炭黑規(guī)格對(duì)模塑料電性能的影響

樣品A、B、C、D、E 的體積電阻率如圖1 所示，由圖1 可知，模塑料的體積電阻率隨炭黑吸油值的減小先增大后減小，從樣品A 的12.3×1015Ω·cm 提高到樣品D 的14.7×1015Ω·cm，提高了19.5%。模塑料體積電阻率隨炭黑吸油值的變化先增大，是因?yàn)闃悠稟 中的炭黑是高結(jié)構(gòu)炭黑，聚結(jié)程度高、鏈枝復(fù)雜，最容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；而樣品D 中的炭黑是低結(jié)構(gòu)炭黑，最難形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。樣品E 中的炭黑體積更大，聚集程度比樣品D 中的炭黑高，其體積電阻率降低，絕緣性能下降。

圖1 樣品A、B、C、D、E 的體積電阻率

由圖2 中樣品A、B、C、D 和E 的離子電導(dǎo)率曲線可知，在200 ℃前，炭黑吸油值及測(cè)試溫度的變化對(duì)模塑料的離子電導(dǎo)率的影響不明顯。在200 ℃后，樣品A的離子電導(dǎo)率曲線隨溫度升高而迅速升高，樣品B、C、E 和D 的曲線也隨溫度升高而升高，炭黑吸油值及溫度的變化對(duì)模塑料離子電導(dǎo)率的影響逐漸變得明顯。從圖2 曲線可以看出，在相同溫度下，樣品A 的離子電導(dǎo)率最高，樣品B、C、E 和D 的離子電導(dǎo)率依次降低。從離子電導(dǎo)率的結(jié)果可以看出，模塑料的離子電導(dǎo)率隨炭黑吸油值的變化規(guī)律與其體積電阻率的變化規(guī)律相反，共同證明樣品A 的電絕緣性能最差，樣品D 的電絕緣性能最好。

3.3 色素炭黑的規(guī)格對(duì)模塑料激光打標(biāo)清晰度的影響

圖3 所示為樣品A、B、C、D、E 在模塑成型后，以波長(zhǎng)為1064 nm、功率為5.0 W、速度為500 mm/s 的激光對(duì)各樣品進(jìn)行打標(biāo)后的效果。從圖3 可以看出，隨著炭黑吸油值的變化，樣品表面顏色逐漸從灰白色過(guò)渡到深黑色，然后再變?yōu)闇\黑色，激光打標(biāo)的清晰度先提高后下降。樣品A 中是高結(jié)構(gòu)炭黑，其聚集體顆粒大，同添加量下黑度低；激光打標(biāo)時(shí)炭黑難燒蝕，露出的白色硅粉填料少，打標(biāo)圖案對(duì)比度低，從而導(dǎo)致打標(biāo)不清。樣品B、C 和D 中的炭黑聚集體顆粒依次變小，黑度逐漸提高，炭黑變得易燒蝕，對(duì)比度提高，打標(biāo)清晰度增高。樣品E 中的炭黑原生粒徑最大，聚集體顆粒也大于樣品D 中的顆粒，所以樣品E 的黑度比樣品D 的黑度低。

圖2 樣品A、B、C、D、E 的離子電導(dǎo)率

圖3 樣品A、B、C、D、E 在模塑成型后的激光打標(biāo)效果

4 結(jié)論

本文研究了特定的多芳型環(huán)氧樹(shù)脂、多芳型酚醛樹(shù)脂和其他助劑配方中不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)環(huán)氧塑封料理化性能、電性能和激光打標(biāo)清晰度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同規(guī)格的色素炭黑對(duì)模塑料的凝膠時(shí)間影響小，模塑料中高吸油值的炭黑會(huì)降低其螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度，提高其熱硬度。模塑料的體積電阻率隨著炭黑吸油值的減小先增大后減小，離子電導(dǎo)率的變化規(guī)律則證明添加具有適當(dāng)吸油值的炭黑可提高模塑料的電絕緣性能。模塑料的黑度隨炭黑吸油值的減小先提高后降低，用波長(zhǎng)為1064 nm 的激光打標(biāo)，其打標(biāo)清晰度隨炭黑吸油值的降低先逐漸提高再下降。