以市场上常见的不同种类树脂制备了多种环氧塑封料，并比较其凝胶化时间、螺旋流动长度、粘度、固化反应速率、弯曲性能、玻璃化温度及粘结强度等性能指标的差异，为IC封装不同程度要求的基材选择提供一些数据参考。YX-4000H 型环氧和 MEH-7800酚醛树脂组合粘结强度为3.451 MPa、螺旋流动长度为 148 cm、粘度为 64 Pa·s，表现出较优的封装工艺性。

1 引言

环氧塑封料（Epoxy moulding compound，简 称EMC）是一种单组份热固性塑料，主要成分是环氧树脂、酚醛树脂、潜伏性促进剂、硅微粉、应力改性剂、蜡、炭黑等，主要应用于电子封装行业。近年来，塑料封装技术向薄型化、高密度方向发展，这就要求固化后的塑封料具有低膨胀系数、低介电常数、低模量、低吸水率、高流动性等特性。

环氧塑封料的性能受环氧树脂和酚醛树脂的种类影响很大。近年来，学术界在不同种类的环氧树脂的合成、性能改善方面有多方向的研究和探讨，且多数在研究对象、原料配备、内容深度上各成体系，但在原料配备，尤其是市售树脂基材选择方面的差异则少有报道。为此，本文以市场常用的几种环氧树脂与酚醛树脂制备相应塑封料，并考察其EMC 凝胶化时间、流动性能、粘度、固化性能、弯曲性能、剪切粘接强度和玻璃化温度的差异和影响。

2 实验过程

2.1 主要原料

环氧 树 脂 ： 邻 甲 酚 醛 型 环 氧 树 脂 ， 型 号SQCN700-2，济南圣泉集团股份有限公司；结晶联苯型环氧树脂，型号 YX-4000H，三菱化学株式会社；双环己烷戊二烯苯酚型环氧树脂，型号 HP7200，DIC 株式会社；联苯苯酚型环氧树脂，型号 NC-3000，日本化药株式会社。

酚醛树脂固化剂：线性苯酚甲醛树脂，型号PF-8011，济南圣泉集团股份有限公司；XYLOCK 型酚醛树脂，型号 MEH-7800，明和产业株式会社；联苯芳烷基型酚醛树脂，酚醛树脂 MEH-7851，明和产业株式会社。

其他助剂：硅油 8421EG，道康宁（上海）有限公司；球型硅微粉 SS-302C3，湖州华飞硅微粉有限公司；气相二氧化硅 A200，德国瓦克化学；增韧剂 P52，德国瓦克化学；阻燃剂 SPB100，日本大冢化学；巴西棕榈蜡、炭黑为市售；促进剂为对苯醌与三苯基膦络合物按照摩尔比 1∶1 混合制得。

2.2 主要设备及仪器

双辊开炼机，型号 X(S)K-160，无锡明达橡塑机械有限公司；模压机，型号 MP-50，上海大爱电子机械工程有限公司；凝胶化时间测试仪，型号 GT-Ⅲ，德州市高通 实 验仪 器 有 限 公 司 ； 毛 细 管 流 变 仪 ， 型 号CFT-500EX，日 本 岛 津 ；差 式 扫 描量 热 仪 ， 型 号DSC-204，德国耐驰；万能试验机，型号 UTM4104，深圳三思纵横科技股份有限公司；膨胀系数测试仪，型号 PCY-1200，湘潭湘仪仪器有限公司。

2.3 样品制备

环氧塑封料的制备以环氧树脂为基体树脂，以酚醛树脂为固化剂，加上填料、促进剂、阻燃剂、偶联剂等其他微量组分，按一定比例经过前混、挤出、粉碎、后混合、预成型等工艺制成。环氧树脂与酚醛树脂按照当量 1∶1 计算并称量，保证树脂总质量 100 g保持不变，在此基础上加入 860 g 硅微粉、21 g 增韧剂、3.3 g 阻燃剂 SPB100、2 g气相二氧化硅、5 g 偶联剂 KH-560、1.5 g巴西棕榈蜡、3.5 g 炭黑、3.7 g 促进剂。其他条件不变，表 1 是各组试验中环氧树脂与酚醛树脂的具体质量比。

将称 量 后 的 粉 料 在 双 辊 开 炼 机 上 85 ℃ 混合6 min，出料，冷却后粉碎至 50目。将粉碎后的塑封料用模压机在 175 ℃、传递模压强为 7 MPa 的条件下合模 60 s、保压 60 s，压制成待测样条。

#1、#2、#3、#4 酚醛树脂相同，环氧树脂不同，用于对比不同类型的环氧树脂对塑封料性能的影响。#4、#5、#6 环氧树脂相同，酚醛树脂不同，用于对比不同类型的酚醛树脂对环氧塑封料性能的影响。

2.4 性能测试及表征

螺旋流动长度、凝胶化时间测试、弯曲强度、弯曲模量、玻璃化温度、挠度按 SJ/T 11197-2013 所规定的方法进行测试。

粘度测试采用高化流动度试验仪，150 ℃， 0.5 mm口模尺寸，5 kg 砝码。

固化行为采用差式扫描量热仪 DSC 测试， 5℃/min升温速率，氮气气氛。

剪切粘接强度测试参考 EMC 生产企业测试剪切粘接强度的方法，传递模压力机类型与SJ/T 11197-2013 所述试验机一致，在 175 ℃条件下在 1 mm 厚紫铜片上模塑规格为Φ3.6 mm×Φ3.0 mm×3.0 mm 的圆锥形塑封体，参见图 1，175 ℃条件下固化 4 h后，使用万能试验机测试 EMC 与铜片的剪切粘结强度，5 个样品为一组，取其平均值。

3 试验与讨论

按照第 2.4 节的方法，分别测试 #1~#6 塑封料的凝胶化时间、螺旋流动长度、粘度、固化反应速率、弯曲性能、玻璃化温度及粘结强度，考察不同树脂各项参数的差异。

3.1 对凝胶化时间的影响

凝胶化时间是 EMC 的重要指标，凝胶化时间越短，EMC 失去流动的时间越短，表明EMC 反应速度越快。凝胶化时间过短，会造成注塑过程中出现注塑缺失、气孔等；凝胶化时间过长，会造成固化不完全而粘模等现象。

表 2 是样品在 175 ℃下的凝胶化时间数据。#1、#2、#3、#4 为 MEH-7800 型酚醛树脂，凝胶化时间分别为 15 s、36 s、28 s、19 s，不同类型环氧树脂的反应速度排序为 ： 环 氧 SQCN700-2> 环 氧 NC-3000> 环 氧HP-7200> 环氧 YX-4000H；#4、#5、#6 为 NC-3000 型联苯芳烷基型环氧树脂，凝胶化时间分别为 19 s、24 s、27 s，不同类型酚醛树脂的初步反应速度排序为：酚醛MEH-7800> 酚醛PF-8011> 酚醛 MEH-7851。

3.2 对螺旋流动长度的影响

螺旋流动长度的长短对模塑工艺有很大的影响，不同封装形式的模具有其对应的最佳流动长度范围。流动长度过短，在封装时会造成注塑缺失、气孔、冲丝等现象；流动长度过长，会造成塑封体出现溢料、针孔。

表 3 是样品在 175 ℃下的流动长度数据，流动长度排序如下：环氧 YX-4000H> 环氧HP-7200> 环氧NC-3000> 环氧 SQCN700-2；酚 醛 PF-8011>酚 醛MEH-7851>酚醛 MEH-7800。

3.3 对粘度的影响

粘度是考察 EMC 注塑过程中是否冲丝的一项重要指标。如果粘度太大，会造成金线被冲弯，导致产品良率降低，甚至失效。

表 4 给出了各组实验样品在 150 ℃的粘度数据。由表 4 可知，YX-4000H 型环氧制备的 EMC（#2）粘度最低。这是由于 YX-4000H 是结晶型环氧树脂，外界温度高于其熔点以后，YX-4000H 会融化为低粘度液体。环氧 HP-7200、环氧 NC-3000 和环氧SQCN700-2 为非结晶型，在 150 ℃条件下粘度要比 YX-4000H 高很多。因此，为提高硅微粉的填充量，可以考虑在 EMC 中加入一定量的 YX-4000H 来降低粘度。

对酚醛树脂来说，MEH-7800 和 MEH-7851 制备的塑封料粘度接近，而 PF-8011 制备的塑封料粘度较大。

3.4 对固化反应速率的影响

#1、#2、#3 和 #4 考察了在酚醛树脂为MEH-7800、环氧树脂不同情况下的固化情况。从表 5 中可知，SQCN700-2 型（1#）环氧、YX-4000H 型（2#）环氧和NC-3000 型（#6）环氧的起始温度 Ti 分别为 102.1 ℃、99.6℃和 100.4℃，峰值温度 Tp分别为 131.7℃、129.7℃和 128.1 ℃，终止点温度 Te 分别为 157.3 ℃、157.4 ℃和153.9 ℃，3 种样品的 Ti、Tp 和 Te 基本一致。但是 #3中所用 HP-7200 型环氧，Ti为 120 ℃，Tp 为 130.3 ℃，Te为 140.4 ℃，Ti 要比其他 3 种环氧高 20 ℃，而 Te却比其他 3 种环氧低 15 ℃左右，表现出更优的快速固化性。同样，对比 #4、#5 和#6 测试结果可知，三者终止点温度接近，PF-8011（#5）起始点较低，快速固化相对较优。

在实际模塑过程中，这种快速固化性可以减少模塑时出现的粘模现象，减少清模频次，提高生产效率。因此，单从快速固化反应速度方面来看，#3 样品对应HP-7200 型环氧表现最佳。

3.5 树脂体系对弯曲性能的影响

注塑目的是在芯片表面形成一个保护壳，对内部芯片起到物理保护的作用。固化后的EMC 强度要足够，而且内应力不能太大。在塑封器件中内应力呈一特定的应力分布，其大小可近似用式（1）表示：

式（1）中σ 是内应力，K 是常数，Er 为模量，Δα 为EMC 与硅片等材料的热膨胀系数之差，T、Tg 分别为EMC 的室温和玻璃化温度。

表 6 给出了不同树脂体系下的塑封料弯曲性能结果。可以看出，几种环氧树脂制备的EMC 弯曲强度都比较大，完全能满足对芯片的物理保护的要求。酚醛树脂的种类对塑封料的弯曲强度影响不大，主要差别体现在环氧种类上。环氧 SQCN700-2 制备的塑封料弯曲强度最大，达 162.1 MPa。这是由于环氧 SQCN700-2分子结构为邻甲酚醛型，分子内含有不易旋转的刚性苯环 结 构 ，固 化 反 应 后 分 子 交 联 密度 大 。 环氧YX-4000H、环氧 NC-3000 和环氧 HP-7200 分子内部的环氧基团距离较远，因此交联密度稍小，从而表现出弯曲强度略低。

模量和挠度方面，较低的模量和较大的挠度会使封装后的产品在进行冷热冲击试验时，不会因为应力过大而使芯片被破坏。环氧类 YX-4000H （#2）和NC-3000（#4）环氧制备的塑封料模量较低，挠度较大；酚醛树脂类 MEH-7851（#6）型表现最佳。

3.6 树脂体系对剪切粘接强度的影响

半导体封装用 EMC 需要对基材有优异的粘接力，这样能保证 EMC 与基材之间不易分层，从而阻止塑封体分层引起的内部结构开裂、引线变形及水汽侵入影响电子元件。由表 7 可知，#2 样品粘结强度最大，达 3.451 MPa，5# 最小，仅 0.845 MPa，即在酚醛树脂相同的情况下，YX-4000H 型环氧表现出了优异的剪切粘接强度；在环氧树脂相同的情况下，MEH-7800则表现较优。

剪切粘接强度是衡量塑封体是否分层的重要数据之一，因此从剪切粘接强度方面考虑，YX-4000H 环氧和 MEH-7800 酚醛树脂组合更适宜用于高端 IC 的封装。

3.7 树脂体系对玻璃化温度的影响

由式（1）可知，玻璃化温度越低，塑封体的应力越低。表 8 为样品在相同条件下测得的玻璃化温度情况。#1、#2、#5 样品玻璃化温度在 133~136 ℃，#3、#4、#6 玻璃化温度较其他 3 个下降约 10 ℃，分别为 124.0 ℃、125.0 ℃、128.6 ℃。即环氧NC-3000、环氧 HP-7200、酚醛 MEH-7851 和酚醛 MEH-7800 表现出更低的玻璃化温度，而环氧 SQCN700-2、环氧 YX-4000H、酚醛PF-8011 制备的塑封料玻璃化温度相对略高。

综上所述，由不同树脂种类制备的环氧塑封料，相同测试条件下各项性能有不同程度的差异，且各自有优势。环氧 SQCN700-2 和酚醛 MEH-7800 凝胶时间最短；环氧 YX-4000H 和酚醛 PF-8011 螺旋流动长度较长；YX-4000H 型粘 度 最 低 ，MEH-7800和 MEH-7851 粘度接近；环氧HP-7200 型和 PF-8011 固化略快； 环 氧 类 YX-4000H、NC-3000 和 酚 醛 树 脂 类MEH-7851 型模量低，挠度大，弯曲性能方面表现最佳；剪切粘结强度方面，YX-4000H 环氧和 MEH-7800酚醛 树 脂 表 现 显 著 优异 ；玻 璃 化 温 度则 是环氧NC-3000 和酚醛 MEH-7800 较低。因此，在对环氧塑封料某项性能深入研究或实际封装应用时，从关注树脂基材本身的差异性方面来说，可预先参考以上数据的优劣，再根据实际情况择优选择。

4 结论

以市场上常见的不同种类树脂制备了多种塑封料，并比较其凝胶化时间、螺旋流动长度、粘度、固化反应速率、弯曲性能、粘结强度及玻璃化温度等各项性能上的差异。结果显示，不同树脂种类制备的环氧塑封料在各项性能上各具优势，YX-4000H 型环氧和MEH-7800 酚醛树脂组合在粘结强度、流动长度、弯曲强度、低粘度等性能上表现较为突出，建议在对 BGA、CSP、MCM、SIP 的 IC封装形式的塑封料树脂基材选择上可优先考虑；同时，其他数据可作为塑封料制备时树脂基材选择的参考。