張 敏 胡文成 何 為

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

1 前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，IC器件集成度的提高或IC器件封裝技術(shù)的進(jìn)步，使IC器件I/0數(shù)迅速提高，方形扁平面封裝（QFP）元件在表面安裝技術(shù)（SMT）中的比例越來越少了，采用球柵陣列（BGA）結(jié)構(gòu)越來越多了[1]。芯片級封裝（CSP）一出現(xiàn)便受到人們極大的關(guān)注，是因?yàn)樗芴峁┍菳GA更高的組裝密度，并已有明顯的跡象將成為21世紀(jì)IC封裝的主流。IC器件集成度的提高必然導(dǎo)致芯片總負(fù)載的增加，使PCB組件單位面積上需要散發(fā)的熱量增加。隨著電子設(shè)備在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，電子裝備需要在各種復(fù)雜、惡劣的地理、氣候環(huán)境的防護(hù)性能，已成為衡量其技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)水平的重要技術(shù)指標(biāo)[2]。由于灌封防護(hù)技術(shù)有良好的絕緣、防震和隔離作用，可以將外界因素的不良影響降到最低，因而在裝備的防護(hù)，尤其是在高壓大功率元器件、組件的防護(hù)中起著越來越重要的作用。這些對印制電路組件封裝材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求，因此具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能的高分子復(fù)合材料變得越來越重要。除了導(dǎo)熱和絕緣外，材料還需具備低的介電常數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)一般聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)小，要拓展其在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用，提高導(dǎo)熱性能是關(guān)鍵技術(shù)[3]。

傳統(tǒng)灌封材料的導(dǎo)熱能力差，在防護(hù)的同時(shí)，造成裝備工作時(shí)系統(tǒng)熱量不易傳導(dǎo)，形成局部高溫，進(jìn)而可能損傷元器件、組件，成為影響系統(tǒng)可靠性及正常工作周期的主要原因之一[4]。這也使得灌封這一重要技術(shù)的推廣和使用受到諸多限制。因此，急需研制出一種既兼?zhèn)鋬?yōu)良的防護(hù)功效，又同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性能的絕緣灌封材料，使經(jīng)過灌封防護(hù)的器件、組件在提高抵御外界不良因素影響的同時(shí)，改善傳導(dǎo)熱量的性能[5]。本文介紹了有機(jī)硅樹脂通過摻入氮化鋁顆粒改善其作為灌封料的導(dǎo)熱性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

有機(jī)硅樹脂主要由甲基含氫硅油（M組分）和含有催化劑的甲基乙烯基硅油（N組分）組成，導(dǎo)熱填料為自蔓延生長的氮化鋁粉體，其形貌圖如圖1所示。從圖中可以看出，自蔓延生長的氮化鋁粉體的形貌呈現(xiàn)出不規(guī)則，這種不規(guī)則相應(yīng)提供了較大的比表面積，有利于粉體之間、粉體和樹脂之間的熱交換，有利于提高灌封料的導(dǎo)熱性能。另外在本研究中還加入了少量的偶聯(lián)劑。

2.2 灌封料的熱性能

將一定比例的M組分與N組分進(jìn)行均勻混合，加入一定經(jīng)計(jì)算體積比的氮化鋁粉體進(jìn)行混合，澆注成φ20×2的模塊，成型后測試其熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著氮化鋁粉體體積含量的增加，灌封料的熱導(dǎo)率開始是緩慢增加，當(dāng)大于40%時(shí)，熱導(dǎo)率曲線增加明顯。在灌封料體系中，設(shè)定樹脂與粉體均勻混合，則該體系的熱阻主要有兩個部分串聯(lián)所形成的：氮化鋁區(qū)域和樹脂區(qū)域。氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)在120 W/m·K ～ 250 W/m·K，而單一的樹脂導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/m·K左右，在氮化鋁的低含量階段，顯然由于氮化鋁的含量低，而樹脂的熱阻成為灌封料的主體，使整體的熱導(dǎo)率增加緩慢。隨著氮化鋁體積比的增加，不斷削弱樹脂部分的厚度，增加了高導(dǎo)熱的氮化鋁厚度與比表面積，有利于整體的散熱。隨著氮化鋁粉體體積的進(jìn)一步增加，不規(guī)則的氮化鋁粉體在某些區(qū)域形成粉體之間的橋接而使熱阻短路，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的熱阻，形式上呈現(xiàn)出熱導(dǎo)率的快速增加。從圖中看出，氮化鋁粉體的增加對提高導(dǎo)熱系數(shù)有利，然而，由于粉體體積的增加，將導(dǎo)致灌封料的強(qiáng)度和成型性能的降低，因此，本研究的結(jié)果應(yīng)用于該導(dǎo)熱體系的灌封料中氮化鋁體積比為60%～70%。

2.3 灌封料的電性能

經(jīng)不同設(shè)備下測試，該灌封料體系具備良好的電性能：

其擊穿強(qiáng)度：≥17 MV/m；

絕緣電阻：≥l×1013Ω；

介電常數(shù)：≤3

介電損耗tanδ：≤5×10-4。

與純有機(jī)硅樹脂的電性能相比，隨著氮化鋁粉體的加入，其電性能沒有下降，這主要是由氮化鋁的性質(zhì)決定的。氮化鋁主體是由氮和鋁三價(jià)共價(jià)鍵形成的化合物，化學(xué)性質(zhì)惰性強(qiáng)，較難形成鋁離子的游離態(tài)，因此在系統(tǒng)中難以形成導(dǎo)電物質(zhì)。另外，經(jīng)自蔓延生長的氮化鋁粉體是由自發(fā)生成的反應(yīng)熱直接加熱形成的，在形成過程中反應(yīng)熱所釋放出的熱量使系統(tǒng)溫度達(dá)到2000℃以上，直接將多余的氮或鋁蒸發(fā)，形成化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確的氮化鋁粉體，即在制備氮化鋁粉體階段就大幅度降低了導(dǎo)電性物質(zhì)，使灌封料的電性能與純有機(jī)硅相比沒有較大的差別。除此之外，氮化鋁本身具有低的介電常數(shù)和介電損耗，因此呈現(xiàn)出介電性能總體水平較低的灌封料。

3 印制電路組件灌封的工藝流程及說明

應(yīng)用于印制電路組件灌封的工藝流程為：

清洗→烘干→涂偶聯(lián)劑→烘干→配膠→真空脫泡→澆注→真空脫泡→二次澆注→真空脫泡→階段固化→整修

3.1 清洗

印制板組件的污染主要有物理和化學(xué)污染，物理污染主要有小顆粒，粉塵、蒸汽、煙霧、木屑和各種沉降的小粒子等，化學(xué)污染主要來自于印制板組件焊接等工藝帶入的。為了保證灌封料與組件的良好接觸，必須進(jìn)行認(rèn)真清洗。清洗劑由乙醇和汽油組成，一般可采用擦洗的方法清洗印制板組件，如果印制板組件較為復(fù)雜，可采用超聲清洗方法。

3.2 干燥

任何物質(zhì)表面都會吸附水分，不但會降低粘接強(qiáng)度，而且會使灌封材料的絕緣性惡化。選擇合適的溫度對印制板組件進(jìn)行干燥是必要的。但是烘干后溫度一旦降到室溫應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)灌封，放置時(shí)間一般不超過2 h，否則由于印制板組件的表面將發(fā)生二次吸潮現(xiàn)象，達(dá)不到干燥的目的。

3.3 涂偶聯(lián)劑

灌封材料與基件之間粘接不牢靠也是一個常見的問題，這主要是由于器件表面的光潔度和器件表面與灌封料樹脂的性質(zhì)差異造成的。另外，由于印刷電路板在灌膠之前噴涂一層防潮漆，噴漆之后使印刷電路板整個外表面十分光滑，減小了膠層與印刷電路板的機(jī)械嚙合作用；從分子角度分析發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅凝膠與防潮漆之間不能形成化學(xué)鍵，三者結(jié)合起來造成膠層易脫落的現(xiàn)象。有機(jī)硅偶聯(lián)劑分子的一端與有機(jī)硅凝膠進(jìn)行交聯(lián)加成反應(yīng)，另一端含有Si(OC2H5)基團(tuán)，在催化劑作用下可與防潮漆中的酚醛樹脂的羥基縮合，使有機(jī)硅凝膠與防潮漆層牢固地粘接在一起而提高灌封料的附著力。

3.4 真空脫泡

氣泡的存在除了影響美觀，還嚴(yán)重影響灌封件的使用可靠性：氣泡的存在對灌封料的導(dǎo)熱性能將大幅度降低；由于氣泡的存在，長時(shí)間后易吸附空氣中的水份等小分子，將大幅度降低灌封料的電性能，特別是擊穿強(qiáng)度。因此，在灌封料混合攪拌后，應(yīng)進(jìn)行真空脫泡，然后灌封。對于形體較大的高壓電器元件，應(yīng)分批多次灌封，每次灌封后，整機(jī)都需真空脫泡，全部灌好后繼續(xù)脫泡至無氣泡為止。

3.5 固化

在催化條件下，有機(jī)硅樹脂的形成過程：

鉑催化劑可使硅氫加成反應(yīng)室溫下就可進(jìn)行，但反應(yīng)速度快，時(shí)間短。這不利于形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將影響到材料多方面的性能，因此必須對固化時(shí)間進(jìn)行確定。固化溫度較低，所需固化時(shí)間長，緩慢的固化過程易于得到致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但在固化后期，由于活性基團(tuán)被凍結(jié)，固化不完全，因而固化物的Tg較低。若采用較高的固化溫度，不易得到充分交聯(lián)的固化網(wǎng)絡(luò)。為了彌補(bǔ)等溫固化方式的不足，一般多來用臺階式升溫固化方法。

4 結(jié)論

通過將自蔓延方法制備的氮化鋁粉體加入到有機(jī)硅樹脂，制備了導(dǎo)熱性能良好的印制電路組件用復(fù)合灌封料，研究了氮化鋁與有機(jī)硅樹脂不同比例對灌封料導(dǎo)熱性能的影響關(guān)系，當(dāng)?shù)X粉體含量在60%～70%時(shí)，灌封料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.1 W·mk。另外，對復(fù)合灌封料的電性能進(jìn)行了測試，其擊穿強(qiáng)度≥17 mV/m，絕緣電阻≥l×1013Ω，完全適用于印制板組件的灌封需要。

[1]A. Chaillot, G. Massiot, C. Munier, et al. Finite Element Modelling (FEM) of Green Electronics in Aeronautical and Military Communication Systems(GEAMCOS). Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation Experiments in Microelectronics and Micro-Systems. 2007:1-8.

[2]章文捷, 馬靜. 絕緣導(dǎo)熱有機(jī)硅灌封材料的研制與應(yīng)用[J]. 電子工藝技術(shù), 2004, 25(1):30-32.

[3]趙懷東, 劉文靜. 有機(jī)硅凝膠在灌封技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù), 2004,2:37-39,42.

[4]喬紅云, 寇開昌, 顏錄科 等. 有機(jī)硅灌封材料的研究進(jìn)展[N]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2006,24(2):321-324.

[5]高華, 趙海霞. 灌封技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù), 2003, 24(6).