倒装芯片封装底部填充材料中的填料表面改性与界面调控研究

Nano-sized spherical SiO2-filled polymer-based underfill play an important role in improving the reliability of high-density flip-chip packaging. However, how to allow extremely high filler loading while maintaining a low viscosity and how to achieve desired coefficient of thermal expansion (CTE) with lower filler loading are two major challenges due to the serious agglomeration of nanofillers in the polymer matrix. Currently, the study on rheological and thermal expansion behavior of composites mainly focuses on the effect of morphology, content, size and distribution of fillers, while from the aspects of filler surface design and interface tailoring of nanocomposite is relatively few. Therefore, in our project, we attempt to conduct surface modification of SiO2 nanofiller with various silane coupling agents and systematically investigate the effect of surface chemistry of filler on the wetting behavior, rheological and thermal expansion properties. From the thermodynamic point of view, the quantitative evaluation of dispersion of the filler in the matrix and interfacial adhesion strength between filler and matrix can be obtained by virtue of surface energy related parameters, such as wetting contact angle, cohesion and adhesion work. Finally, the relationship between microscopic thermodynamic parameters and these macroscopic properties is established, which provides a universal theoretical guidance for the rational surface design of nanofiller and further optimization of a comprehensive performance of polymer based packaging materials.

纳米级SiO2填充的聚合物基封装材料作为底部填充材料对于提高倒装芯片的可靠性发挥着重要的作用。然而由于纳米填料在聚合物基体中的团聚问题，如何解决高填充下依然保持低粘度以及如何实现低填充量下就能够达到理想的热膨胀系数是目前面临的两个重大挑战。目前对复合材料流变性能和热膨胀行为的研究，主要集中在填料尺寸及分布、形貌以及填充量方面，而从填料表面设计和复合材料界面调控的角度出发的研究较少。基于此，本项目通过对纳米SiO2进行不同官能团的表面改性，系统考察填料表面化学对其在聚合物基体中的润湿分散行为及其流变性能、热膨胀行为的影响规律，并进一步从树脂和填料的表面能出发，使用润湿接触角、内聚功以及粘附功等热力学参数对改性填料在树脂中的分散性以及树脂与填料之间结合力进行定量计算，建立微观的热力学参数与宏观性能之间的构效关系。该研究能够为纳米填料表面的合理设计及其封装材料综合性能的优化提供普适性的理论依据。

纳米级球形SiO2填充的聚合物基封装材料作为底部填充材料对于提高高密度倒装芯片的可靠性发挥着重要的作用。然而由于纳米填料在聚合物基体中的团聚问题，如何解决纳米级填料高填充下依然保持低粘度以及如何实现低填充量下就能够达到理想的低的热膨胀系数是目前面临的两个重大挑战。基于此，本项目通过对纳米SiO2进行不同官能团的表面改性，系统地考察填料的表面化学对其在聚合物基体中的润湿分散行为及其流变性能、热膨胀行为的影响规律，并进一步从树脂和填料的表面能出发，使用润湿接触角、内聚功以及粘附功等热力学参数对改性填料在树脂中的分散性以及树脂与填料之间的结合力进行定量计算，建立微观的热力学参数与宏观性能之间的构效关系。具体地，我们使用了五种硅烷偶联剂（3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、六甲基二硅胺烷、苯基三甲氧基硅烷）对纳米级球形SiO2填料进行了原位表面改性。在降低填充体系粘度方面，五种表面改性均能够有效降低体系的粘度，相比于表面带有活性反应基团的氨基和环氧的偶联剂，使用惰性集团如苯基、甲基，丙基酰氧基更能够降低体系的粘度，其中甲基丙烯酰氧基降低粘度最明显。在提升填充体系界面粘接力方面，表面改性均能够有效提交底填材料同硅基底之间的界面结合力，其中惰性基团改性提升界面粘接力效果最佳。在降低热膨胀系数方面，非极性的甲基丙酰氧基和苯基能够有效降低底填材料的热膨胀系数，而其余硅烷偶联剂改性效果不佳。进一步地，我们测试了不同表面改性填料的表面能，发现，表面改性降低了填料的表面能，尤其是极性力部分，进而填料在树脂基体中的润湿接触角变小，当改性填料和树脂基体的表面能分量即极性力部分和色散力部分相等时，填料在树脂基体中的润湿分散最好，同时填料分散性也不会出现重新团聚的现象。该研究能够为纳米填料表面的合理设计及其封装材料综合性能的优化提供普适性的理论依据。