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有的特性而被廣泛地應用作電子封裝材料。然而，它的機械特性受環境的影響很大。水分擴散到聚合物中，由于柔性化的作用、蛻變使機械性能降低，從而導致可靠性問題。濕熱導致的失效一直是困擾封裝可靠性的問題，而且越來越受到廣泛的關注。
　　眾所周知，水分會使環氧樹脂變得柔性化，其中一個現象就是降低玻璃體化溫度和使材料變軟。然而，產生柔性化的機理尚不清楚，研究人員一直有爭論。因為水分對環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，如結構材料、電子材料和電子封裝材料。
　　本文對環氧樹脂材料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行了研究。
　　2、材料與試樣的制備
　　2.1 材料
　　本實驗采用IC封裝使用的環氧樹脂(EPN1180 from Huntsman Advanced Materials)， 交聯反應固化劑為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的EPN1180環氧樹脂中，催化劑4克在90?C融入另一半100克的環氧樹脂中。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、并預熱到90?C的模具中，然后依照相應程序固化。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，FB-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個小時，環氧樹脂完全固化。
　　3、吸潮實驗
　　3.1試樣的恒溫吸潮
　　試樣的吸潮是在一個臺式穩實控制箱(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，溫濕控制箱內裝有一個風扇以保持溫度和濕度的均勻。
　　在吸潮實驗前，110?C下在加熱箱中保存24小時，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，吸濕量為時間的函數。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相同。
　　吸潮量由以下公式計算：

Mt和M0分別代表時刻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間開方的函數關系。為表明短時間內試樣重量增加的特點，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表示了相同溫度、濕度條件下試樣重量的增加與時間的關系。
　　在吸濕的最初階段，重量的增加按Fick’s規律隨時間的開方線性增加，經過最初的快速滲透，吸濕繼續進行，但增加減緩。經過最初的快速滲透，重量隨滲透繼續增加的規律符合兩階段的滲透模型。我們假設初始滲透遵循濕度梯度和Fick’s規律，根據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]：

擴散系數由公式（2）從最初的吸濕曲線梯度獲得：

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

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

3.2 吸潮量與填料量的關系

　　本文研究了各種濕熱環境下，兩種環氧樹脂聚合物的吸濕行為，除此之外還檢驗了水分對其粘彈性特性的影響。吸濕是在一個可以調節溫度和濕度的溫濕箱中完成的，不同條件下的擴散系數取決于最初的吸濕過程。得出了吸濕量與填料量之間的預測關系式，吸濕的過程證實兩種材料均屬于Fickian類擴散。在恒定溫度下，水分增加會引起膨脹產生位移，相對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系式。