CN106674891A - 用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物 - Google Patents

用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环氧树脂组合物，特别涉及具有高导热低应力性能，且成型工艺性能良好的适用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物。本发明通过在用于全包封半导体器件的环氧树脂组合物中添加高导热的无机填料和球形的熔融型二氧化硅粉末及低应力改性剂，所获得的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物既改善了环氧树脂组合物的填充性能，又降低了环氧树脂组合物的内应力，并能使被封装的半导体器件的电性能失效率比降低，是一种能够满足全包封半导体器件外形的封装、填充性优良、导热率高、同时也具备低应力要求的高导热低应力型的环氧树脂组合物。本发明的环氧树脂组合物同时还具备了必要的流动性、高可靠性、阻燃性。

Description

用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物
技术领域
本发明涉及环氧树脂组合物，特别涉及具有高导热低应力性能，且成型工艺性能良好的适用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物。
背景技术
近年来，全包封的半导体分立器件由于组装方便，相对于半包封的半导体器件得到了更快的发展，而对于半导体器件封装用的全包封用环氧树脂则要求材料具有高导热低应力性能和优良的成型工艺性能。全包封半导体器件主要是用于大功率的电子产品，并且由于全包封半导体器件特殊的结构要求，其封装是一种典型的不对称封装(全包封半导体器件的背面与正面厚度不一样)。在对全包封半导体器件的封装过程中，由于封装材料本身应力较高，在温度变化时会导致被封装的半导体器件的电性能失效率比较高；当含有此类三极管的大功率的电子产品在工作时，温度会达到70℃以上，高温将对封装的三极管的工作稳定性产生极大的影响，进而对整个电子产品的性能产生重大影响。目前全包封半导体器件用的环氧树脂组合物难以满足高温稳定性要求，并且导热性能、低应力方面也难以达到要求，且如果低应力达到了要求，而导热性能又难以达到要求。熔融型二氧化硅粉的线膨胀系数比结晶型二氧化硅粉低一个数量级，所以在环氧树脂组合物中通过添加球形的熔融型二氧化硅粉末，可保证环氧树脂组合物的低应力要求，同时也保证了流动性，降低影响被封装的半导体器件的外形缺陷；另外通过添加高导热填料也能够满足环氧树脂组合物材料的导热性。因此，能够提高环氧树脂组合物材料的导热性(散热性)、降低应力是适用于全包封半导体器件的环氧树脂组合物材料的一个重要的研究发展方向。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供具有高导热低应力性能，且成型工艺性能良好的适用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物。
本发明通过在用于全包封半导体器件的环氧树脂组合物中添加高导热的无机填料和球形的熔融型二氧化硅粉末及低应力改性剂，既改善了环氧树脂组合物的填充性能，以能够满足全包封半导体器件的封装工艺，又能使环氧树脂组合物达到高导热低应力的要求，以使被封装的半导体器件的电性能失效率比降低。
本发明的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的组分及含量为：
本发明的环氧树脂组合物中所使用的环氧树脂为1个环氧分子内有2个以上环氧基团的单体、低聚物或聚合物，其分子量及分子结构无特别限定。上述的环氧树脂可以选自邻甲酚醛环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、线性酚醛环氧树脂、联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、开链脂肪族环氧树脂、脂环族环氧树脂、杂环型环氧树脂等中的一种或几种。
本发明的环氧树脂组合物中所使用的酚醛树脂为1个酚醛分子内有2个以上羟基的单体、低聚物或聚合物，其分子量及分子结构无特别限定。上述的酚醛树脂可以选自苯酚线性酚醛树脂及其衍生物(衍生物如苯酚烷基酚醛树脂)、苯甲酚线性酚醛树脂及其衍生物、单羟基或二羟基萘酚醛树脂及其衍生物、对二甲苯与苯酚或萘酚的缩合物、双环戊二烯与苯酚的共聚物等中的一种或几种。
本发明的环氧树脂组合物中所使用的无机填料为高导热的无机填料。可以选自结晶型二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末、氮化硅粉末、氮化铝粉末等中的一种或几种。上述结晶型二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末、氮化硅粉末、氮化铝粉末可以单独使用或混合使用。此外，所述的无机填料的表面可以使用硅烷偶联剂进行表面处理。
所述的结晶型二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末、氮化硅粉末、氮化铝粉末的中位径(D50)都为10～40微米。
所述的球形的熔融型二氧化硅粉末的中位径(D50)为18～23微米。
所述的阻燃剂为溴代环氧树脂与三氧化二锑配合的阻燃剂，其中，溴代环氧树脂与三氧化二锑的重量比为10：1。
所述的固化促进剂，只要能促进环氧基和酚羟基的固化反应即可，无特别限定。所述的固化促进剂可以选自咪唑化合物、叔胺化合物和有机膦化合物等中的一种或几种。
所述的咪唑化合物选自2-甲基咪唑、2,4-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑和2-(十七烷基)咪唑等中的一种或几种。
所述的叔胺化合物选自三乙胺卞基二甲胺、α-甲基卞基二甲胺、2-(二甲胺基甲基)苯酚、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚和1，8-二氮杂双环(5,4,0)十一碳烯-7等中的一种或几种。
所述的有机膦化合物选自三苯基膦、三甲基膦、三乙基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦和三(壬基苯基)膦等中的一种或几种。
所述的脱模剂可以选自巴西棕榈蜡、合成蜡和矿物质蜡中的一种或几种。
所述的着色剂为炭黑。
所述的硅烷偶联剂可以选自γ-环氧丙基丙基醚三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
所述的低应力改性剂为液体硅油、硅橡胶粉末或它们的混合物等。
本发明的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的制备方法：将占所述的环氧树脂组合物总量的5～10wt％的环氧树脂、5～8wt％的酚醛树脂、66～83wt％的无机填料、3～20％wt％的球形的熔融型二氧化硅粉末、1～1.5wt％的阻燃剂、0.05～0.1wt％的固化促进剂、0.4～0.6wt％的脱模剂、0.4～0.6wt％的着色剂、0.4～0.6wt％的硅烷偶联剂及0.8～1wt％的低应力改性剂混合均匀，然后将得到的混合物在温度为70～100℃的双辊筒混炼机上熔融混炼均匀，将熔融混炼均匀的物料从双辊筒混炼机上取下自然冷却、粉碎，得到所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的粉状料；进一步预成型为饼料，获得用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的成型材料。
本发明通过在用于全包封半导体器件的环氧树脂组合物中添加高导热的无机填料和球形的熔融型二氧化硅粉末及低应力改性剂，所获得的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物既改善了环氧树脂组合物的填充性能，又降低了环氧树脂组合物的本身的内应力(由于球形的熔融型二氧化硅粉末的添加导致了内应力的下降)，是一种能够满足全包封半导体器件外形的封装、填充性优良、导热率高、同时也具备低应力要求的高导热低应力型的环氧树脂组合物。本发明的环氧树脂组合物同时还具备了必要的流动性、高可靠性、阻燃性。
以下结合实施例进一步说明本发明，但这仅是举例，并不是对本发明的限制。
具体实施方式
实施例1
邻甲酚醛环氧树脂A1(日本DIC Corporation制“N-665”) 10wt％
苯酚线性酚醛树脂B1(日本DIC Corporation制“TD-2131”) 5wt％
结晶型二氧化硅粉末D1(d50为25μm) 74wt％
球形的熔融型二氧化硅粉末E(D50为20微米) 7wt％
阻燃剂 溴代环氧树脂和三氧化二锑(溴代环氧树脂与三氧化二锑的重量比为10：1) 1.5wt％
固化促进剂2-甲基咪唑C 0.05wt％
巴西棕榈蜡 0.5wt％
炭黑 0.5wt％
γ-环氧丙基丙基醚三甲氧基硅烷 0.5wt％
液体硅油 0.45wt％
硅橡胶粉末 0.5wt％(d50为1μm)
按照上述配比称量并混合均匀后，将得到的混合物再在温度为70～100℃预热的双辊筒混炼机上熔融混炼均匀，将熔融混炼均匀的物料从双辊筒混炼机上取下自然冷却、粉碎，得到用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的粉状料；然后预成型为饼料，获得用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的成型材料。用以下方法对得到的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物的成型材料进行评价，结果见表1。
胶化时间：热板法，将电热板加热到175±1℃，取0.3～0.5g上述成型材料样品粉末放在电热板上，粉料逐渐由流体变成胶态时为终点，读出所需时间。
螺旋流动长度：在传递模塑压机上借助EMMI-1-66螺旋流动金属模具测定，成型压力为70±2Kgf/cm2，模具温度为175±2℃，取上述成型材料样品粉末20±5g进行测试。
熔融粘度：利用日本岛津公司的高化流动仪测定得到的环氧树脂组合物成型材料的熔融粘度。测试条件：口模为0.5×1.0mm，载荷为10kg，温度为175℃。
导热系数：按照国标GB/T3139-82，利用导热仪测定得到的环氧树脂组合物成型材料的导热系数。
成型工艺性能：塑封大功率全包封器件TO-220F，内部气孔用超声扫描测定，正面台阶面气孔和背部气孔用目测。经检验后不合格的大功率全包封器件TO-220F的只数越少，表明成型工艺性能越好。
不良率：塑封大功率全包封器件TO-220F，电镀、切筋后，测试电参数，检验后电参数不合格数与总测试数的比率为大功率全包封器件TO-220F的不良率。不良率越少，环氧树脂组合物的低应力性能越好。
实施例2～8
环氧树脂组合物的组成见表1，制备方法同实施例1，评价方法同实施例1，评价结果见表1。
比较例1～4
环氧树脂组合物的组成见表2，制备方法同实施例1，评价方法同实施例1，评价结果见表2。
实施例2～8、比较例1～4的环氧树脂组合物中采用的在实施例1以外的成分如下：
双环戊二烯型环氧树脂A2(日本DIC Corporation制“HP-7200”)
苯酚烷基酚醛树脂B2(Mitsui Chemicals,Inc.制“XLC-4L”)
三氧化二铝粉末D2(d50为25μm)
表1：实施例组合物的组成及评价结果(以重量百分比计)
表2：比较例组合物的组成及评价结果(以重量百分比计)
由上述实施例及比较例可看出，同时包含高导热的无机填料和球形的熔融型二氧化硅粉末及低应力改性剂的本发明的环氧树脂组合物可同时满足导热性能好、填充性能好、不良率低的要求。

Claims (10)

1.一种用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是，所述的环氧树脂组合物的组分及含量为：
所述的无机填料选自结晶型二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末、氮化硅粉末、氮化铝粉末中的一种或几种；
所述的低应力改性剂为液体硅油、硅橡胶粉末或它们的混合物。
2.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的环氧树脂选自邻甲酚醛环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、线性酚醛环氧树脂、联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、开链脂肪族环氧树脂、脂环族环氧树脂、杂环型环氧树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的酚醛树脂选自苯酚线性酚醛树脂及其衍生物、苯甲酚线性酚醛树脂及其衍生物、单羟基或二羟基萘酚醛树脂及其衍生物、对二甲苯与苯酚或萘酚的缩合物、双环戊二烯与苯酚的共聚物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的结晶型二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末、氮化硅粉末、氮化铝粉末的中位径都为10～40微米；
所述的球形的熔融型二氧化硅粉末的中位径为18～23微米。
5.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的阻燃剂为溴代环氧树脂与三氧化二锑配合的阻燃剂，其中，溴代环氧树脂与三氧化二锑的重量比为10：1。
6.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的固化促进剂选自咪唑化合物、叔胺化合物和有机膦化合物中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的咪唑化合物选自2-甲基咪唑、2,4-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑和2-(十七烷基)咪唑中的一种或几种；
所述的叔胺化合物选自三乙胺卞基二甲胺、α-甲基卞基二甲胺、2-(二甲胺基甲基)苯酚、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚和1，8-二氮杂双环(5,4,0)十一碳烯-7中的一种或几种；
所述的有机膦化合物选自三苯基膦、三甲基膦、三乙基膦、三丁基膦、三(对甲基苯基)膦和三(壬基苯基)膦中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的脱模剂选自巴西棕榈蜡、合成蜡和矿物质蜡中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的着色剂为炭黑。
10.根据权利要求1所述的用于全包封半导体器件的高导热低应力型环氧树脂组合物，其特征是：所述的硅烷偶联剂选自γ-环氧丙基丙基醚三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
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