陶瓷粉对电子灌封胶的影响及电子封装的应用

陶瓷粉对电子灌封胶的影响及电子封装的应用

陈丽敏  金泽珠  崔志远

摘要  

以陶瓷粉、有机硅基体及助剂为研究材料，探讨如何增加陶瓷粉的填充量来调节有机硅灌封胶的性能，拓展电子灌封胶在微电子器件封装领域的应用空间。

电子灌封胶是微电子器件封装的核心材料，承担着散热、绝缘、防水、防震及机械固定的多重功能[1]。灌封胶的应用如图 1 所示，其中，有机硅基灌封胶因硅氧主链的独特结构，可在 -60~200 ℃长期保持弹性，具备优异的耐老化、抗冲击及电绝缘性能，成为超高频、大功率电子器件的首选封装材料。

随着电子设备向精密化、微型化、高功率密度方向发展，电子元器件高速运转时的散热问题开始凸显，在 5G 通信、新能源汽车及半导体封装等领域尤为突出，传统散热方案已难以满足高热流密度下的稳定控温与长期服役需求 [2]。其对灌封胶的导热系数、阻燃等级及力学适配性提出了更高要求，单一有机硅基体已难以满足应用需求。引入高导热、高稳定性无机陶瓷粉体进行复合改性，是提升灌封胶综合性能的主流技术路径。

一、有机硅基体与陶瓷粉的成分介绍

有机硅灌封胶是以有机聚硅氧烷为基础胶，配合交联剂、催化剂、填料和其它功能助剂所组成的一种灌封材料。根据固化机理的不同，有机硅灌封胶可以分为缩合型和加成型两种体系。与缩合型有机硅灌封胶相比，加成型有机硅灌封胶具有固化时不产生副产物、收缩率小、粘附力好、可以室温固化或者加热快速固化等一系列优点，因此被广泛应用于高性能电子灌封领域。

常见的改性用陶瓷粉包括氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）及复合陶瓷粉等。不同种类的陶瓷粉具有不同的理化性能。例如，Al2O3 导热系数约为 20-30 W/(m·K)，而且硬度高，也容易分散，是性价比最高的导热陶瓷粉，应用也最广泛；AlN、BN 和 SiC 导热系数较高，可达100~300 W/(m·K)，而且热膨胀系数较低，适用于高端高功率电子器件。

陶瓷粉的粒径和形貌也对灌封胶的性能具有重要影响。纳米级陶瓷粉具有比表面积大和表面活性高的优点，与聚合物基体的界面结合力强，但是颗粒容易团聚导致体系黏度上升；微米级陶瓷粉的颗粒间隙大，可以通过级配填充形成致密的导热网络，进而降低界面热阻；相比晶须和纤维等不定形陶瓷粉，球形陶瓷粉能减少颗粒间的摩擦阻力，在高填充量下灌封胶仍然能保持良好流动性。

此外，经硅烷偶联剂等表面改性处理后，陶瓷粉与有机硅基体的相容性可以得到有效提升，在降低界面接触热阻的同时，改善灌封胶的力学性能。

二、陶瓷粉与有机硅基体的配方实验

该研究以双组分加成型有机硅灌封胶为研究对象，有机硅基体选用双端乙烯基聚硅氧烷（Vi1311，结构式如图 2a 所示，乙烯基含量为 0.43 wt%）为基础胶，侧含氢聚硅氧烷（H503，结构式如图 2b 所示，活性氢含量为 0.55 wt%）为交联剂；陶瓷粉选用 Al2O3 为改性填料，通过单变量填充实验、粒径级配实验及表面改性对比实验，系统分析陶瓷粉对灌封胶导热、阻燃、流变及力学性能的影响规律。实验中在等量配比的基体中加入有规律递增的陶瓷粉， 助 剂为硅烷偶联剂， 均 采 用机械搅拌工艺制备灌封胶试 样， 分析不同配方的性能结果。

● 单变量填充实验

单变量填充实验，是指实验用到的两种材料中的一种不变，另一种有规律地增加，从而观测实验结果。单变量填充实验可以很好地分析出基体成分相同时，不同比例的添加物与基体发生的不同变化及规律，分析陶瓷粉数量的变化对基体的影响。其中，基体是双端乙烯基聚硅氧烷和侧含氢聚硅氧烷的混合物（97% 的Vi1311，3% 的 H503），陶瓷粉是微米级球形 Al2O3（粒径为 5 μm）。根据单变量填充的配比方法，基体保持不变，陶瓷粉一直递增，填充量为 0~60 wt%，记为样品S0~S6，性能结果分析如表 1 所示。

由表 1 可知，导热性能随陶瓷粉填充量增加呈先快速上升后趋于平缓的趋势。未填充陶瓷粉的空白试样（S0）导热系数仅 0.18 W/(m·K)；填充量达 40 wt%（S4）时，导热系数升至0.85 W/(m·K)；继续增至 60 wt%（S6），导热系数为 1.22 W/(m·K)，但增幅显著降低。原因是填料含量达到逾渗阈值后，内部导热通路基本成型，过量填料易团聚，增大界面热阻。

流变性能与导热性能变化趋势相反。陶瓷填料填充量由 0 提升至 60 wt%，灌封胶黏度从 500 mPa·s 升至 8 500 mPa·s，流动性大幅下降；填料添加量超过50 wt% 时，试样难以真空脱泡，灌封后易产生气孔缺陷，降低电子器件封装可靠性。

力学性能上，拉伸强度随填料用量增加先升后降，在 40 wt% 时达到 1.8 MPa；断裂伸长率持续降低，由80% 降至 25%。这是因为陶瓷粉体与基体界面结合力较弱，高填充下填料易形成应力集中点，降低材料韧性。阻燃性能随填充量提高逐步改善，无填料试样无阻燃等级；填充量为 50 wt% 时，试样达到 UL94 V-0 级，这是由于陶瓷粉高温下可形成致密陶瓷化炭层，阻隔氧气与热量传递。

● 粒径级配实验

该粒径级配实验选取粒径分别为 20 nm（纳米级）、1 μm（亚微米级）、5 μm（微米级）的 Al2O3粉体，以不同质量比例进行复配改性，总添加量固定为45 wt%，系统研究颗粒尺寸复配对灌封胶导热与流变性能的协同优化作用。

实验结果表明，颗粒级配显著影响灌封胶综合性能。以单一 5 μm Al2O3 粉体为对照，其导热系数0.85 W/(m·K)，黏度 4 100 mPa·s。当纳米、亚微米、微米粉体质量配比为 1 : 3 : 6 时，材料综合性能最佳，导热系数达 1.05 W/(m·K)，较对照组提升 23.5%，黏度降至3 200 mPa·s，流动性优异。其余复配方案性能均较差： 配 比 2 : 2 : 6 时， 导 热 系 数 0.96 W/(m·K)（提 升12.9%），黏度 3 800 mPa·s；配比 3 : 1 : 6 时，导热系数仅提升 7.1%，为 0.91 W/(m·K)，黏度升至 4 500 mPa·s，流动性不佳。这是由于小粒径粉体可填充大颗粒间隙，构建连续致密的导热通路、降低界面热阻，同时通过空间位阻抑制填料团聚，同步优化导热性能与加工流动性。

● 表面改性对比实验

该表面改性对比实验采用未处理 Al2O3 粉体与经硅烷偶联剂 KH570 改性后的粉体，总添加量固定为40 wt%，研究填料表面处理对灌封胶界面相容性及综合性能的影响。

实验结果表明，采用改性 Al2O3 粉体制备的灌封胶导热系数可达 0.92 W/(m·K)，相比未改性试样（0.85 W/(m·K)）提 升 了8.2%；其 拉 伸 强 度 为2.0 MPa、断 裂 伸 长 率 为 40%，均 高 于 未 改 性 样品（1.8 MPa、35%）。此外，改性后试样吸水率由 0.35%下降至 0.12%，填料基体界面结合力得到明显改善。这是因为硅烷偶联剂可以在陶瓷填料与树脂基体之间形成共价键连接，提升两相界面相容性，减少界面处微小孔隙等缺陷，有效降低界面接触热阻与应力集中，进而提升材料综合性能与长期可靠性。

三、陶瓷粉改性电子灌封胶的作用机理

陶瓷粉对电子灌封胶的性能改性本质是填料与基体的界面作用及填料自身的空间结构效应，其核心机理包括导热网络构建、阻燃屏障形成、流变特性调控及力学性能补强四个方面，各机理相互关联，共同决定灌封胶的综合性能。

● 导热网络构建机理

有机硅基体为热的不良导体，热量主要通过分子链振动传递。陶瓷粉作为高导热无机相，在基体中分散后形成导热通路。如图 3 所示，当填充量低于逾渗阈值时，陶瓷粉颗粒相互孤立，热量仍主要通过基体传递，导热系数提升缓慢；在达到逾渗阈值后相互搭接形成连续三维导热网络，热量沿填料骨架快速传导。粒径级配实现密堆积以降低空隙率；表面改性消除界面微空隙以减小热阻，二者协同提升导热效率 [3]。

● 阻燃屏障形成机理

陶瓷粉本身为无机不可燃材料，在灌封胶中分散后可形成物理阻隔层，延缓火焰蔓延与热量传递；高温下与有机硅热解产物原位反应，生成连续、致密、耐高温的陶瓷化炭层，阻隔氧气与热量传递，抑制可燃气体释放，提升阻燃效果。

● 流变特性调控机理

体系流变行为由颗粒形貌、比表面积、空间位阻及团聚状态共同决定。球形颗粒摩擦阻力小、黏度低、流动性好；纳米颗粒比表面积大，易团聚导致黏度上升。粒径级配与表面改性可改善分散状态，在高填充下保持良好工艺性。

● 力学性能补强机理

陶瓷粉作为刚性填料可承担外部应力，提升模量、强度与尺寸稳定性。未改性填料界面结合较弱，易成为应力集中点。经偶联剂改性后，填料与基体形成稳定化学键合界面，应力可有效传递与耗散，实现强度与韧性的协同优化。

四、研究结果讨论

首先，该研究的材料选择更经济环保。第一，陶瓷粉可有效提升灌封胶导热性能。电子灌封胶导热性能不佳的主要原因是导热网络不连续、填料与基体相容性差。Al2O3 等陶瓷填料性价比优异，通过调控种类、粒径等参数，可构建连续导热通道、优化填料- 基体界面作用，改善灌封胶导热、阻燃等综合性能，提高材料在不同场景的应用适配性。第二，改性后胶料更环保。传统电子灌封胶存在降解困难、易释放有毒有害物质等问题，而陶瓷粉无毒可回收；借助偶联剂表面改性改善粉体与有机硅基体界面相容性，经混料、固化使填料均匀分散于基体，在优化材料性能的同时减少环境负荷与生产损耗，兼顾环保性与经济性。

其次，研究成果使电子封装选择更自由。新的电子灌封材料体系被开发出来。陶瓷粉与有机硅基体在工艺上适配度高，可以实现性能互补，合理调控参数还能衍生多种不同性能的产品。将陶瓷粉加入有机硅基体中改性固化后，可以得到不同导热、阻燃等级的胶料，工艺师可以利用这些差异化性能适配不同器件封装需求，为电子封装提供更多可能。

本文为清华大学先进材料教育部重点实验室开放课题“高导热加成型有机硅灌封胶材料的制备与性能研究”的研究成果（编号 Advmat-2404）。