环氧树脂：高性能电子封装的重要应用材料

电子封装材料是集成电路的密封体，用于承载电子元器件及其相互联线，起机械支持、密封环境保护、散失电子元件热量的作用。用于这一领域的环氧树脂通常要求粘度低、填充流动性好、耐热性好、耐湿性好、储存性好。

随着电子集成技术的发展，电子元件越来越密集、运算速度越来越快。电子元件高频工作所产生的热量积累增加，造成产品性能下降。封装材料在延长电子元件的使用寿命、散热和提高其精度方面发挥了越来越重要的作用。

那么，为什么选择环氧树脂作为电子封装的主要材料？它有哪些特点？为何要使用导热填料来提高环氧树脂的导热性能？未来发展趋势有哪些？请听上海交通大学化学化工学院高分子科学与工程系戚嵘嵘副教授娓娓道来。

电子封装的作用

戚副教授说：“电子元器件封装是把集成电路装配为芯片最终产品的过程，即安装集成电路内置芯片外用的管壳，也就是把车间生产出来集成电器芯片（晶圆上划下的硅片）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成一个整体的过程。”

电子封装已经成为集成电路里除芯片设计、芯片制造之外的重要因素。电子封装不仅可以将芯片安放固定密封，还是信号传递的过渡手段（电源输入输出端同外界的交换介质），同时兼具散热装置、保护集成电路内置芯片、增强环境适应的能力，从而保证整个元器件的高质量和可靠性运行。

戚副教授表示，电子封装对于IC系统的安全可靠性、成本和小型化等起着决定性的作用。“因为从工厂出来的是一块块从晶圆上划下来的硅片，如果不进行封装，既不方便运输、保管，也不方便焊接、使用。没有外壳的保护，芯片将会变得非常脆弱。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标，是芯片面积与封装面积之比。这个比值越接近1越好。”

芯片要想工作起来，需要与外部电路连接起来才行，金属引脚可以插在电路板的通孔中进行连接，内部则通过导线和芯片的晶粒连接起来。如何以更简洁的结构进行封装，封闭材料的选择很重要。

为什么选择环氧树脂？

电子封装材料承载电子元器件及其相互联线，起到了机械支持、密封环境保护、散失电子元件的热量等作用，并具有良好电绝缘性，是集成电路的密封体。电子封装材料是决定电子封装技术的关键之一。

戚副教授表示，目前的主要封装材料有三种：金属基封装材料、陶瓷基封装材料、陶瓷基封装材料。

环氧树脂具有优良的耐热性、电绝缘性、密着性、介电性、力学性能及较小的收缩率、耐化学药品性，加入固化剂后又有较好的加工性和可操作性。因此，环氧树脂成为广泛应用的聚合物基封装材料。作为电子封装用环氧树脂应具有粘度低、填充流动性好、耐热性好、耐湿性好、储存性好等特点。

随着电子集成技术的发展，电子元件高频工作所产生的热量累积增加，造成产品性能下降。导热材料对延长电子元件的使用寿命、散热和提高精度具有越来越重要的作用。这就要求封装材料应具有高的热导率。聚合物是热的不良导体，不能导出余热，这可能会导致设备失效。

针对这一问题，戚副教授表示，通过导热填料可以增加环氧树脂的导热性能。环氧树脂常用的导热填料包括了无机填料（二氧化硅、氧化铝等）、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）、金属（铜粉、银粉等）等。

与此同时，由于环氧固有的大分子结构特征，使其本身存在较高的吸湿性，这成为其作为封装材料最主要的缺点，并限制了其在一些高可靠性场合的应用。如何提高环氧树脂的气密性是提高封装元件高可靠性场合应用的关键。

那么，如何提高环氧树脂气密性？为了降低封装材料的吸湿性，就要研究和开发高气密性的环氧树脂封装材料。

上海交通大学化学以环氧体系中高气密性的二维片状陶资无机纳米粒子的原位合成与改性为出发点，通过设计和筛选聚合物与无机纳米材料体系，实现环氧树脂或固化剂的功能化、纳米材料的合成，以及无机纳米粒子与环氧树脂等固化剂的复合过程的研究，最终获得具有高气密性的聚合物纳米复合封装材料。制备高阻隔性单组分环氧封装胶液，渗氦率<10-9tm•cc/s。比通常环氧树脂提高了一个数量级。

环氧树脂封装胶的发展趋势

戚副教授表示，首先是降低环氧树脂的粘度。环氧树脂粘度越高，生产造成的气泡、厚薄不均等概率越高，产品质量可控性越不好。另外，环氧树脂粘度越高，热应力形变越大，在环氧树脂构件膨胀开裂等情况下，往往造成电子设备性能无法正常发挥，因而，环氧树脂的低粘度化可以成为环氧树脂改进方向。

其次，是提高环氧树脂的耐热性。高温生产过程、工作环境是增强环氧树脂耐热性能的重要动因，在推进环氧树脂耐热性增强方面，可以运用萘环等多环基材料；或运用“酚基+二聚环戊二烯骨架”的组合，都可以增强材料的交联度，随之增强环氧树脂工件的耐热性能。

再者，就是降低环氧树脂的吸水率。环氧树脂吸水率降低可以增强环氧树脂的水密性，但一般需要降低环氧树脂材料的自由体积。与增强环氧树脂耐热性的思路相反，因此，有必要权衡环氧树脂吸水率降低及环氧树脂耐热性增强之间的平衡，也可以运用同时具备防水能力及耐热性能的填充料。可以是联苯、脂肪族多环化合物等。一般为了保障成型质量，需要限制填料的添加量。因而，在降低环氧树脂吸收率时，需要综合考量水密性、耐热性、填料添加量。

最后，提高储存的稳定性。常见的固化促进剂，即具有较高的反应活性，甚至在室温下就可以促进环氧树脂固化，同时，也会影响体系的贮存稳定性。因此，需要开发热潜伏性固化促进剂，在保障体系高温下反应活性的同时，可以提高单组分体系的室温储存稳定性。

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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