熱固性IC封裝材料的吸濕研究

1、概述
　　熱固化聚合物由于其獨(dú)有的特性而被廣泛地應(yīng)用作電子封裝材料。然而，它的機(jī)械特性受環(huán)境的影響很大。水分?jǐn)U散到聚合物中，由于柔性化的作用、蛻變使機(jī)械性能降低，從而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。濕熱導(dǎo)致的失效一直是困擾封裝可靠性的問(wèn)題，而且越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。
　　眾所周知，水分會(huì)使環(huán)氧樹脂變得柔性化，其中一個(gè)現(xiàn)象就是降低玻璃體化溫度和使材料變軟。然而，產(chǎn)生柔性化的機(jī)理尚不清楚，研究人員一直有爭(zhēng)論。因?yàn)樗謱?duì)環(huán)氧樹脂基材料有很大的影響，研究人員在此方面作了很多的研究，如結(jié)構(gòu)材料、電子材料和電子封裝材料。
　　本文對(duì)環(huán)氧樹脂材料EPN1180和填加了二氧化硅微粒封裝材料的吸濕特性和水分引起的膨脹特性進(jìn)行了研究。
　　2、材料與試樣的制備
　　2.1 材料
　　本實(shí)驗(yàn)采用IC封裝使用的環(huán)氧樹脂(EPN1180 from Huntsman Advanced Materials)， 交聯(lián)反應(yīng)固化劑為Bisphenol-A(Sigma-Aldrich Co.Ltd)， 催化劑為(triphenyl phosphate， Fluke Chemika)。
　　2.2 試樣的制備
　　在165℃下把固化劑Bisphenol-A添加到一半的熔融狀態(tài)的EPN1180環(huán)氧樹脂中，催化劑4克在90?C融入另一半100克的環(huán)氧樹脂中。把上兩種混合好的材料在90?C下再混合到一起，攪拌5分鐘，然后倒入涂了脫模蠟的、并預(yù)熱到90?C的模具中，然后依照相應(yīng)程序固化。試樣的尺寸為30×8×1mm3。
　　添加了二氧化硅微粒的試樣制作。是在以上的混合后的材料中再加入40%、50%、65%重量百分比的二氧化硅微粒，F(xiàn)B-940（ex Danka）平均直徑15微米，試樣的尺寸為30×8×1mm3。
　　固化程序：以上試樣在注入模具后，在150?C固化8個(gè)小時(shí)，環(huán)氧樹脂完全固化。
　　3、吸潮實(shí)驗(yàn)
　　3.1試樣的恒溫吸潮
　　試樣的吸潮是在一個(gè)臺(tái)式穩(wěn)實(shí)控制箱(Espec corp. SH-661 溫度精度為±0.3?C(-40 to +100?C; 濕度精度為 ±3%RH) 中完成的，溫濕控制箱內(nèi)裝有一個(gè)風(fēng)扇以保持溫度和濕度的均勻。
　　在吸潮實(shí)驗(yàn)前，110?C下在加熱箱中保存24小時(shí)，以保證試樣完全干燥。然后，把燥后的試樣，放入控制好的溫度和濕度箱中， 試樣分別在85%RH， 85?C； 80%RH， 80?C； 70%RH， 70?C和 60% RH， 60?C下吸濕，吸濕量為時(shí)間的函數(shù)。用(SBC33 WEDA 電子天平， 精度為0.0001g) 階段性地稱吸濕的試樣，直到達(dá)到吸濕平衡。然后把試樣再加熱干燥，稱重后，兩次干燥后的重量應(yīng)相同。
　　吸潮量由以下公式計(jì)算：

Mt和M0分別代表時(shí)刻t和干燥后試樣的重量。

圖1所示為在不同的溫度和濕度條件下，試樣重量增加百分比與時(shí)間開方的函數(shù)關(guān)系。為表明短時(shí)間內(nèi)試樣重量增加的特點(diǎn)，圖1也顯示了最初階段的重量增加值，在圖中用不同的符號(hào)表示了相同溫度、濕度條件下試樣重量的增加與時(shí)間的關(guān)系。
　　在吸濕的最初階段，重量的增加按Fick’s規(guī)律隨時(shí)間的開方線性增加，經(jīng)過(guò)最初的快速滲透，吸濕繼續(xù)進(jìn)行，但增加減緩。經(jīng)過(guò)最初的快速滲透，重量隨滲透繼續(xù)增加的規(guī)律符合兩階段的滲透模型。我們假設(shè)初始滲透遵循濕度梯度和Fick’s規(guī)律，根據(jù)Fick’s第二定律，厚度為h的一維板材，其重量的增加在初始階段有以下公式[1]：

擴(kuò)散系數(shù)由公式（2）從最初的吸濕曲線梯度獲得：

　　在此，D是擴(kuò)散系數(shù)，k是圖中Mt/M∞比時(shí)間t1/2，h是試樣的初始厚度。不同條件下的飽和吸濕量和擴(kuò)散系數(shù)列在表1中。其中，M∞與相對(duì)濕度有很大的關(guān)聯(lián)。
　　既然確定擴(kuò)散系數(shù)D的試樣是無(wú)限尺寸的板，所以要糾正在四周擴(kuò)散的影響[19]：

　　從表1中可以看出不同的溫度、濕度對(duì)吸濕量有很大的影響，此外當(dāng)材料中加入了填料量后，吸濕量和擴(kuò)散系數(shù)大大降低。

3.2 吸潮量與填料量的關(guān)系

　　本文研究了各種濕熱環(huán)境下，兩種環(huán)氧樹脂聚合物的吸濕行為，除此之外還檢驗(yàn)了水分對(duì)其粘彈性特性的影響。吸濕是在一個(gè)可以調(diào)節(jié)溫度和濕度的溫濕箱中完成的，不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)取決于最初的吸濕過(guò)程。得出了吸濕量與填料量之間的預(yù)測(cè)關(guān)系式，吸濕的過(guò)程證實(shí)兩種材料均屬于Fickian類擴(kuò)散。在恒定溫度下，水分增加會(huì)引起膨脹產(chǎn)生位移，相對(duì)濕度越大位移也越大，并確定了EPN1180材料一定溫度條件下濕度與位移的關(guān)系式。