曹二平，蔡晓东，牟海燕

（1.衡所华威电子有限公司上海衡锁电子分公司，上海 200120；2.衡所华威电子有限公司，江苏连云港 222006）

1 引言

环氧塑封料是由环氧树脂、固化剂、填料、炭黑及其他助剂制备的一种复合材料，以优异的力学性能、粘合性能、化学稳定性和电绝缘性能著称，主要用于芯片封装［1］。随着材料成型工艺技术的进步和模塑料的发展，在消费电子产品领域，最适合集成电路封装的材料是环氧塑封料，目前环氧塑封料占芯片封装材料的95%以上［2-3］。炭黑是由气态或液态烃不完全燃烧或热分解得到的纯碳元素，它是大量炭黑微晶体围绕着一个中心紧密堆积而成的颗粒状物质，在炭黑粒子中，碳原子是以类石墨形状排列而成的炭黑准晶体［4］。色素炭黑在环氧塑封料中主要起着色作用，利于芯片遮盖及在封装体表面进行激光打标；同时色素炭黑具有一定的导电性，炭黑的加入会影响环氧塑封料的电绝缘性能［5-6］。随着芯片的发展，耐高压芯片等应用对环氧塑封料的电性能和激光打标清晰度提出了更高的要求。

刘青等研究了导电炭黑对热塑性聚烯烃弹性体胶料机械性能和电性能的影响［7］。激光打标是一种环保标识技术，其主要利用高能量密度的激光束对目标进行作用，使其表面发生物理或化学变化从而获得可见图案［8］。不同规格的色素炭黑对环氧塑封料性能的影响有待研究。本文研究了5 种不同规格的色素炭黑对环氧塑封料的理化性能、电性能和激光打标清晰度的影响。

2 试验部分

2.1 主要原材料

试验采用的主要原材料为湖南嘉盛德材料科技股份有限公司的多芳型环氧树脂BPNE 3501LL 和多芳型酚醛树脂BPNH 9781S，欧励隆工程碳有限公司的色素炭黑Printex 140 U 和NEROX 3500，四川正好特种炭黑科技有限公司的色素炭黑JY 2021，三菱化学有限公司的色素炭黑MA600 以及卡博特化工有限公司的色素炭黑Mogul H。5 种规格色素炭黑的理化特性见表1。

表1 5 种规格色素炭黑的理化特性

2.2 配方设计及制备

本试验采用单一控制变量法，研究不同规格的色素炭黑对环氧塑封料物理性能、电性能和激光打标清晰度的影响，配方如表2 所示，用高速搅拌机将多芳型环氧树脂、多芳型酚醛树脂和其他助剂等分别与5 种规格、质量分数都为0.3%的色素炭黑均匀混合，利用挤出机捏合，将挤出温度设置在60～100 ℃，将出料温度控制在90～120 ℃。出料后经压延机压制和冷却带冷却，再经粉碎机粉碎，得到粉末状样品A、B、C、D和E。

2.3 主要设备及仪器

试验所需的主要设备及仪器有：Advantest 公司的高阻仪TR8601，用来测试环氧塑封料的体积电阻率；Lacerta 公司的介电性能谱仪DS6000，用来测试环氧塑封料的离子电导率；托普斯公司的激光开封机TL-1Pro，用来对环氧塑封料进行激光打标。

表2 样品A、B、C、D 和E 的成分（质量分数）

3 分析与讨论

3.1 塑封料理化性能

将2～3 g 环氧塑封料放置在175 ℃的热盘上，用秒表计时，使用刮刀均匀搅拌试样，至试样凝胶时停止计时，该时间为凝胶化时间，测试3 次取平均值。按照EMI-1-66 法，采用螺旋流动测量模具，在175 ℃、7 MPa 注塑压力和90 s 固化时间下进行测量，测试3次取流动长度平均值；依据标准ASTM D 2240，在相同试验条件下，采用邵氏硬度计对样品进行热硬度测量，测试3 次取平均值。样品A、B、C、D 和E 的性能参数测试结果如表3 所示。

表3 样品A、B、C、D 和E 的理化性能

由表3 可知，不同规格的色素炭黑对凝胶时间的影响不明显。炭黑聚结体越大、越复杂，聚结体有更多的空隙，炭黑会有更大的吸油值。不同规格的色素炭黑随着吸油值的降低，凝胶时间没有明显的变化，说明凝胶时间主要是受环氧树脂、固化剂和固化促进剂等因素影响，添加少量的炭黑不会明显影响模塑料的交联固化速度。模塑料的螺旋流动长度从样品A 的145 cm 逐渐增加到样品D 和样品E 的150 cm，增加了3.4%，有明显变长的趋势。螺旋流动长度整体变化幅度小，是因为炭黑的添加量少，对其影响小；螺旋流动长度体现出变长的趋势，是因为随着炭黑吸油值的降低，其由复杂的高结构炭黑逐渐变成低结构炭黑；高结构炭黑的炭黑原生粒子聚结程度高、链枝复杂且有更多空隙，对树脂的作用力大，降低了模塑料整体的流动性；反之，低结构炭黑对树脂的作用力小，对模塑料的流动性影响小［9］。

不同规格的色素炭黑对模塑料的热硬度影响小，其中样品A 的热硬度最高，样品D 的热硬度最低。样品A 热硬度最高与其螺旋流动长度最短相对应，体现出高结构炭黑对树脂的强相互作用力，模塑料体现出高刚性；而样品D 的热硬度最低，是因为样品D 中的炭黑原生粒径为21 nm，吸油值为65 ml/100 g，样品E中的炭黑原生粒径为31 nm，吸油值为52 ml/100 g，相比而言，样品E 中炭黑的聚集体体积大于样品D 中的炭黑聚集体体积，样品E 中的炭黑刚性更强，故样品E的刚性及热硬度高于样品D。

3.2 色素炭黑规格对模塑料电性能的影响

样品A、B、C、D、E 的体积电阻率如图1 所示，由图1 可知，模塑料的体积电阻率随炭黑吸油值的减小先增大后减小，从样品A 的12.3×1015Ω·cm 提高到样品D 的14.7×1015Ω·cm，提高了19.5%。模塑料体积电阻率随炭黑吸油值的变化先增大，是因为样品A 中的炭黑是高结构炭黑，聚结程度高、链枝复杂，最容易形成导电网络；而样品D 中的炭黑是低结构炭黑，最难形成导电网络。样品E 中的炭黑体积更大，聚集程度比样品D 中的炭黑高，其体积电阻率降低，绝缘性能下降。

图1 样品A、B、C、D、E 的体积电阻率

由图2 中样品A、B、C、D 和E 的离子电导率曲线可知，在200 ℃前，炭黑吸油值及测试温度的变化对模塑料的离子电导率的影响不明显。在200 ℃后，样品A的离子电导率曲线随温度升高而迅速升高，样品B、C、E 和D 的曲线也随温度升高而升高，炭黑吸油值及温度的变化对模塑料离子电导率的影响逐渐变得明显。从图2 曲线可以看出，在相同温度下，样品A 的离子电导率最高，样品B、C、E 和D 的离子电导率依次降低。从离子电导率的结果可以看出，模塑料的离子电导率随炭黑吸油值的变化规律与其体积电阻率的变化规律相反，共同证明样品A 的电绝缘性能最差，样品D 的电绝缘性能最好。

3.3 色素炭黑的规格对模塑料激光打标清晰度的影响

图3 所示为样品A、B、C、D、E 在模塑成型后，以波长为1064 nm、功率为5.0 W、速度为500 mm/s 的激光对各样品进行打标后的效果。从图3 可以看出，随着炭黑吸油值的变化，样品表面颜色逐渐从灰白色过渡到深黑色，然后再变为浅黑色，激光打标的清晰度先提高后下降。样品A 中是高结构炭黑，其聚集体颗粒大，同添加量下黑度低；激光打标时炭黑难烧蚀，露出的白色硅粉填料少，打标图案对比度低，从而导致打标不清。样品B、C 和D 中的炭黑聚集体颗粒依次变小，黑度逐渐提高，炭黑变得易烧蚀，对比度提高，打标清晰度增高。样品E 中的炭黑原生粒径最大，聚集体颗粒也大于样品D 中的颗粒，所以样品E 的黑度比样品D 的黑度低。

图2 样品A、B、C、D、E 的离子电导率

图3 样品A、B、C、D、E 在模塑成型后的激光打标效果

4 结论

本文研究了特定的多芳型环氧树脂、多芳型酚醛树脂和其他助剂配方中不同规格的色素炭黑对环氧塑封料理化性能、电性能和激光打标清晰度的影响，结果发现不同规格的色素炭黑对模塑料的凝胶时间影响小，模塑料中高吸油值的炭黑会降低其螺旋流动长度，提高其热硬度。模塑料的体积电阻率随着炭黑吸油值的减小先增大后减小，离子电导率的变化规律则证明添加具有适当吸油值的炭黑可提高模塑料的电绝缘性能。模塑料的黑度随炭黑吸油值的减小先提高后降低，用波长为1064 nm 的激光打标，其打标清晰度随炭黑吸油值的降低先逐渐提高再下降。