电子封装用氰酸酯复合材料的研究.pdf

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电子封装用氰酸酯复合材料的研究63电子封装用氰酸酯复合材料的研究NovelCyanateEsterResinCompositesforMicroelectricalPackaging薛洁,叶菊华,管清宝,刘萍。,梁国正。(1苏州大学医学部药学院药理学系,江苏苏州215123;2苏州大学材料科学与工程系,江苏苏州215123)———XUEJie,YEJuhua。,GUANQingbao,LIUPing,LIANGGuozheng(1DepartmentofPharmacology,CollegeofPharmaceuticalScience,SoochowUniversity,Suzhou215123,Jiangsu,China;2DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215123,Jiangsu,China)摘要:采用氮化铝(A1N)和纳米氮化铝(n-A1N)、二氧化硅(SiOz)以及经过硅烷偶联剂(KH560)处理的A1N和SiO2与—氰酸酯(cE)树脂共混,设计制备了AlN/cE,n_A1N/CE,A1NSiO/CE和A1N(KH560)一SiO(KH560)/CE复合材料。研究了填料的种类、粒径、含量和表面性质对复合材料导热性能、介电性能的影响。结果表明:填料对复合材料的导热性能有显著影响,用n_A1N和A1N混合填充CE,不同粒径的A1N可以形成紧密堆砌而提高热导率。高含量的A1N添加到CE中会提高复合材料的介电常数,但将SiO部分取代A1N,能减少介电常数的增加量。关键词:氰酸酯;氮化铝;导热;复合材料—doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.04.012中图分类号:TQ322.4文献标识码:A——文章编号:1001-4381(2013)04006305——Abstraet:ThreecompositesbasedonCEresin,aluminumnitride(AIN),nanoAlN(nA1N)andsilicondioxide(SiO2),andsilanecouplingagent(KH560)modifiedAlNandSiO2,codedasA1N/CE,———nA1N/CE,A1NSiO2/CEandAlN(KH560)一SiO2(KH560)/CEcomposite,respectively,werepre—pared.Theinfluencesofthesort,sizeandsurfacenatureoffillersonthethermalconductivityanddielectricpropertiesofcompositeswereinvestigatedindetail.Theresultsshowthatpropertiesoffillers—havegreatinfluenceonthethermalconductivityofcomposites.WhenCEresinwasfilledbynAlNandA1N。theresultantcompositesincreasedthermalconductivityduetotheclosearrangement.The—compositeithahighercontentofAlNhadhigherdielectricconstant.ButwhenSiO2wasusedtoreplaceAlN。theincreasementofdielectricconstantwasreduced.Keywords:cyanateester;aluminumnitride;thermalconductivity;composite电子封装技术是将构成电子回路的半导体元件、电子器件组合成电子设备的综合技术口]。目前电子封装技术正朝着高密度、高频、高速方向发展。为了满足微电子工业,尤其是高性能微电子产品的发展需要,电子封装材料必须具备更高更多的性能,包括高导热性、低介电常数(e)和介电损耗(ta时)、优良的热稳定性和力学性能。现有的电子封装材料主要是环氧树脂(EP)_2。],然而,它已经不再能满足高性能电子封装的要求。氰酸酯树脂(CyanateEster,CE)是高性能热固性树脂,具备突出的综合性能,特别是优异的介电性能,表现为在宽频和较大温度范围内低的介电常数和介电损耗角正切值[4]。此外,它也具有优良的耐热性、力学性能和工艺性。CE被视为制备电子封装材料最具竞争力的树脂。但是,CE树脂的导热性能比较差,这限制了它作为高性能电子封装材料的应用范围。然而,对电子封装材料来说,CE的导热系数太低。科研人员开始研究提高材料导热性能的方法,其中,设计由高导热的无机填料填充高分子材料被视为最经济有效的方法。氮化铝(A1N)是一种高导热填料_1引,有很多研究者用AlN或相似的陶瓷来制备高导热材料,如A1N/PI,AlN/EP复合材料等。研究结果表明,这些复合材料虽然具有良好的导热性能,但介电常数e高,限制了其在高性能电子封装产品中的应用。本工作研制了A1N和二氧化硅(SiO)填充的CE树脂电子封装材料,讨论了影响复合材料结构与性能的主要因素,以期阐明CE基电子封装材料结构与性64材料工程/2013年4期能之间的规律,获得新型电子封装用CE基复合材料。1实验1.1原料双酚A型氰酸酯树脂单体(CE),工业品,浙江盛大化学化工有限公司;氮化铝(A1N,粒径4tLm),工业—品,安徽省合肥健坤化工有限公司;氮化铝(nA1N,纳米级),合肥开尔纳米有限公司;二氧化硅(SiO。,粒径4u1TI),广州市从化中川石英砂厂;硅烷偶联剂(KH560),工业品,南京曙光化工集团有限公司。1.2复合材料的制备填料的表面处理:先将填料分散在KH560的乙℃醇水溶液中,35水浴下充分搅拌,经过抽滤、干燥、粉碎、过筛、封存。经过表面处理的SiO和A1N分别记为Si02(KH56O)和A1N(KH56O)。A1N/CE复合材料的制备:按配方(表1)将一定℃质量的CE固体粉末加热到150,保温搅拌直至得到澄清的液体。然后,在恒定的温度下将A1N加入到熔融的CE中形成混合物,保温40min。将所得的混合物倒入预热的金属模具中。而后将模具置于平板硫化℃℃机上,按照170/1h+200/2h固化,压制压力为10MPa。固化结束后,将复合材料自然冷却、脱模,烘℃箱中于220后处理4h,最终得到CE复合材料,记为A1Nz/CE,其中z为AlN的质量分数。表1AIN/CE复合材料的配方Table1FormulationsofA1N/CEcomposites—混合粒径nAlN/CE复合材料的制备:将一定质℃量的CE固体粉末加热到150,保温搅拌直到得到澄清的液体。然后,在恒定的温度下将一定量的n-AIN和A1N(总填料体积分数为13.4)加入到熔融的CE中形成混合物,保温40min,然后模压、冷却、脱模、后处理。模压和后处理方法同A1N/CE复合材料,所得——复合材料记为nA1Nv/CE,其中为nA1N的体积分—数。表2是混合粒径nA1N/CE复合材料的配方。表2混合粒径n-AIN/CE复合材料的配方Table2Formulationsofn_A1N/CEithdifferentsizescomposites—AlNSiO/CE的制备:以AlN和0为混合填料,CE为基体制备了三元复合材料,其制备过程与制备AlN/cE复合材料一样,但此时的填料是以一定比例的A1N和SiO。组成的复合填料,并且填料包括A1N,SiO2,AlN(KH560)和SiO2(KH56O)。未经过—表面处理的CE复合材料标记为A1NSiOy/CE,其中Y为AlN与SiO的质量之和占总质量的比例。相应地,填料经过表面处理的CE复合材料标记为AlN(KH560)一SiO2(KH560)y/CE。表3是三元复合材料的配方。表3AIN-SiO:/CE复合材料的配方—Table3FormulationsofA1NSiO2/CEcompositesA1N-Si0215/CE85—AlNSi0230/CE70—AlNSiOz50/CE50—AlNSiO,6O/CE40—AlNSiO27O/CE30A1N(KH560)Sioz(KH56O)15/CE85AlN(KH560)一SiO2(KH560)3O/CE70A1N(KH560)一Si02(KH560)50/CE50AlN(KH56O)一Si02(KH560)60/CE40AlN(KH560)一SiO2(KH560)70/CE301.3分析测试凝胶时间:采用铁板法。温度以铁板上凹面温度为准,以试样刚熔融时为计时起点,试样刚好拉不出丝为计时终点。—导热性能:用DRPII型导热系数测试仪测试材料的导热系数。将试样裁成正方形样品,并将上下表面用砂纸打磨光滑。介电性能:将材料加工成直径为(10±1)mm的标准试样,并量取每个试样的厚度,使用Novocontrol电子封装用氰酸酯复合材料的研究65Concept80型宽频介电频谱仪测试室温下在10~10Hz频率范围内试样的£和tan3。2结果与讨论2.I填料对氰酸酯树脂体系固化行为的影响图1是不同填料体积分数(0~30%)下,—℃nAlN/CE与AlN/CE凝胶时间的比较(15O)。可—以看出,无论nA1N还是AlN均能显著降低树脂的凝—胶时间,而且在相同填料含量下,nAlN/CE的凝胶时间远低于AlN/CE。前者的凝胶时间约为后者的4O,这是因为n-AlN的粒子半径比较小,比表面积大,粒子表面缺陷多,活性相对较大,对CE的凝胶有——显著的促进作用。随着nA1N含量的进一步增加,nAlN对树脂凝胶的促进效果进一步增强。Volumefractionoffillers/%图1n-AIN/CE与A1N/CE体系的凝胶时间与填料含量的关系曲线(150"C)Fig.1Thegeltimeasafunctionoffillercontent℃—at150fornA1N/CEandA1N/CEsystem—图2是A1N30/CE和nAIN30/CE在不同温度下的凝胶时间,可以看出,随着温度的增加,各体系的凝—胶时间明显缩短。而在相同温度下,nA1N3O/CE的℃凝胶时间要远低于A1N30/CE,当温度为17O时,前—者约为后者的六分之一。这也说明了nAIN对CE固化Temperature/T:图2n-AIN30/CE与A1N30/CE体系的凝胶时间一温度曲线—Fig.2ThegeltimeofnA1N30/CEandAIN3O/CEsystemasafunctionoftemperature的催化作用要高于AlN。2.2填料对AIN/CE复合材料导热性能的影响—将nA1N和AlN以不同的配比添加到熔融CE中,通过与制备AlN/CE复合材料相似的制备工艺,并保持总填料体积分数(13.4%)不变,得到了混合粒—径的nA1N/CE复合材料。图3给出了混合粒径的——nAlN/CE复合材料的导热系数。可以发现,nA1N体积分数为6.7%时,复合材料的值符合加和定律。—而nA1N体积分数为3.35时,复合材料的值远高——于nAlN13.4/CE和nA1N0/CE的值。这是因为—nA1N粒径很小,易于充满填料间的空隙,使填料之间的堆砌更加紧密,从而减少了复合材料的热阻,有利于“形成良好的导热网络[】孔],热流更容易从高导热的—AlN填料上通过。而当nAlN体积分数为3.35时,填料之间的堆砌最为紧密,所以,此时复合材料的值高于加和定律得出的值。,晕≥—图3微纳混合粒径nA1N/CE复合材料的导热系数Fig.3Dependenceofthermalconductivityof—nA1N/CEcompositesonthevolumefractionofn-AlN2.3氰酸酯树脂基复合材料的介电性能介电性能是电子封装材料最重要的性能指标之一。聚合物在外场(电、力、温度等)作用下,可以产生极化现象。在外电场作用下,由于分子极化将引起电能的贮存和损耗,对基体而言,低介电常数和低介电损耗角正切值是高性能电子封装材料必备的关键性能。2.3.1填料对复合材料介电常数的影响图4给出了三种复合材料的e与填料体积分数之①间的关系。可以看出:所有复合材料的e随着填料含量的增加明显增加,这是因为无论是AlN还是②SiO,它们的e均高于CE基体的£值;在整个填料含量变化的范围内,当三种复合材料的填料体积分数相同时,A1N/CE复合材料的e要比其他两种三元复合材料的e高。假设复合材料具有相同的填料含量,则A1N在三元复合材料中的含量低于在二元复合材≈料中的含量。由于A1N的e(e8.8)要比SiOz的誊A1芑TIIlo£一lB暑.I当宣骞暑I1I9r、66材料工程/2013年4期≈£(e4.2)高得多,所以三元复合材料的£低于二元复③合材料的e值;两种三元复合材料的£的高低都与填料的含量有关。即当填料体积分数在3O以下时,—AlN(KH560)一SiO2(KH560)/CE的e略高于A1NSiO/CE复合材料的e相应值,而当填料体积分数高于30%时,前者明显低于后者。填料的表面处理有助于减少复合材料的极化,从而减少复合材料的e,这种作用在填料含量较高的时候较为明显。图4复合材料的介电常数与填料含量的关系曲线Fig.4Dielectricconstantofthecompositesithdifferentfillercontents2.3.2填料对复合材料介电损耗的影响图5(a)为A1N-SiO/CE复合材料在不同频率下.皂.0蓉专罟否Frequency/Hz图5复合材料在不同频率下的介电损耗—(a)A1NSiOz/cE;(b)A1N(KH560)一SiO2(KH560)/CEFig.5Dependenceofdielectriclossonfrequence—(a)AINSiOz/CE;(b)A1N(KH560)一SiO2(KH560)/CE的介电损耗曲线。可以看出,所有A1N一O/CE复合材料均保持低的介电损耗(在1O数量级),并保持相对稳定,这有利于减少信号在传输过程中的衰减。同时还可以发—现,随着A1N和Sio2含量的不断增加,A1NSiO/CE复合材料的介电损耗也不断下降。这种变化并不难以理解,通过一般的加和法则可以解释。AlN和SiO。的—介电损耗要远低于CE树脂,所以AlNSiO。/CE复合材料的介电损耗会低于CE树脂,并且随着填料含量的不断增加而下降。图5(b)是AlN(KH560)-SiO(KH56O)/CE复合材料在不同频率下的介电损耗曲线,复合材料介电损耗与填料含量的关系表现出与图5(a)相同的规律。为了探究填料经过表面改性之后对复合材料介电损耗的影响,选取各配方在1.0M下的介电损耗进行比较,并绘制了散点图(图6)。可以看出当填料含量—相同时,AlNSiO。/CE复合材料的介电损耗与A1N(KH560)一SiOz(KH560)/CE相近,说明填料表面改性对复合材料介电损耗的影响不明显。莒‘吾岩—图6A1NSiO2/CE和A1N(KH560)一SiO2(KH560)/CE复合材料1MHz下的介电损耗与填料含量的关系曲线—Fig.6DependenceofdielectriclossofA1NsiO2/CEandA1N(KH560)一SiOz(KH560)/CEcompositesat1MHzonthefillercontent3结论(1)随着A1N含量的增加,A1N/CE的凝胶时间不断降低。与A1N相比,n-A1N对CE固化的促进作用更为明显。—(2)用nA1N和A1N混合填充CE,不同粒径的A1N可以形成紧密堆砌而提高热导率。(3)CE基复合材料的介电常数e随着填料含量的—增加而升高。在相同填料含量下,A1NSiO/CE复合—材料的£要比A1N/CE复合材料的e低。A1NSiO。/‘—吼su)。0扫00_2电子封装用氰酸酯复合材料的研究67CE复合材料的介电损耗依赖于填料的含量,随着填—料含量的增加,A1NSiO/CE复合材料的介电损耗不断降低,但是填料的表面处理对复合材料的介电损耗影响并不明显。参考文献[1]祝大同.覆铜板用新型材料的发展(一)[J].印制电路信息,—2001,(12):711.[2]王严杰,张续柱,肖忠良,等.高频低介电常数改性环氧树脂覆—铜板的研制[J].工程塑料应用,2002,30(4):3537.——wANGYan-jie,ZHANGXuzhu,XIAOZhong-liang,eta1.DevelopmentofcoppercladbasedOrlmodifiedepoxyresinithhighfrequencyandlowdielectricconstant[J].EngineeringPlastics—Application,2002,30(4):3537.F3]李晓云,张之圣,曹俊峰.环氧树脂在电子封装中的应用及发展—方向FJ].电子元件与材料,2003,22(2):3637.———LIXiaoyun,ZHANGZhisheng,CAOJunfeng.Theapplication—ofepoxyresintotheelectronicencapsulation[J].ElectronicCorn—ponents&Materials,2003,22(2):3637.[4]HAMERTONI,HAYJN.Recentdevelopmentsinthechemistry—ofcyanateesters[J].PolymerInternational,1998,47(4):465473.[5]颜红侠,梁国正,马晓燕,等.氰酸酯树脂的增韧改性研究进展—FJ].材料导报,2004,18(11):5760.———YANHongxia,LIANGGuozheng,MAXiaoyan,ata1.Recent—developmentsinthetougheningofcyanateesterpolymers[J].—MaterialsReview。2004,18(11):5760.[63HUANGPZ,GUAJ,LIANGGZ,eta1.Curingbehaviorand—dielectricpropertiesofhyperbranchedpoly(phenyleneoxide)/cyanateesterresins[J].JournalofAppliedPolymerScience,2011,—121(4):21132122.[7]GOERTZENWK,KESSLERMR.Dynamicmechanicalanalysisoffumedsilica/cyanateesternanocompositesFJ].CompositesPart—A:AppliedScienceandManufacturing,2008,39(5):761768.—[8]GAOYW,GUAJ,JIAOYC,eta1.High-performancehexagonalboronnitride/bismaleimidecompositesithhighthermal—conductivity,lowcoefficientofthermalexpansion,andlowdielectricloss[J].PolymerforAdvancedTechnologies,2012,23(5):—919928.———[9]KUMES,YAMADAI,WATARIK,eta1.HighthermalconductivityAINfillerforpolymer/ceramicscompositesFJ].Journal—oftheAmericanCeramicSociety,2009,92(S1):153156.—[1O]x10NGJw,ZHENGz,QINxM。eta1.Thethermalandme———chanicalpropertiesofapoIyurethane/multi-walledcarbonnano—tubecompositeFJ 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