环氧树脂基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种环氧树脂基复合材料及其制备方法和应用，该环氧树脂基复合材料包括环氧树脂基体和氮化硅泡沫陶瓷，所述环氧树脂基体均匀填充于氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，所述氮化硅泡沫陶瓷在环氧树脂基复合材料中的体积百分含量为30％～40％。制备方法包括以下步骤：将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合均匀，得到环氧树脂基体；采用真空浸渍法使环氧树脂基体浸渍到氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，然后固化，得到环氧树脂基复合材料。采用氮化硅泡沫陶瓷作为环氧树脂基体的增强相，能够显著降低环氧树脂基基体的热膨胀系数，且不会影响环氧树脂基体的综合性能，所形成的环氧树脂基复合材料在电子封装材料领域具有广阔的应用前景。

Epoxy resin based composite material and its preparation method and Application

The invention discloses an epoxy resin based composite material and a preparation method and application thereof. The epoxy resin matrix composite material comprises an epoxy resin matrix and a silicon nitride foam ceramic, wherein the epoxy resin matrix is uniformly filled in the pores of the silicon nitride foam ceramic, and the silicon nitride foam ceramic is used in the epoxy resin matrix composite. The volume percentage is 30% to 40%. The preparation method comprises the following steps: mixing epoxy resin, curing agent and diluent evenly, and obtaining epoxy resin matrix; impregnating the epoxy resin matrix with vacuum impregnation method, and then curing the epoxy resin matrix composite material by solidifying the epoxy resin matrix. The silicon nitride foam ceramic as the reinforcing phase of epoxy resin matrix can significantly reduce the thermal expansion coefficient of the epoxy matrix, and will not affect the comprehensive performance of the epoxy matrix. The epoxy resin composite material has broad application prospects in the field of electronic packaging materials.

【技术实现步骤摘要】
环氧树脂基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于树脂基复合材料领域，尤其涉及一种环氧树脂基复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
集成电路的发展历史证明，封装材料在封装技术的更新换代过程中起到决定性作用，基本上形成了一代电路、一代封装、一代材料的发展模式。集成电路中，封装材料能够起到半导体芯片支撑、芯片保护、芯片散热、芯片绝缘等作用，因而要求封装材料具有较低的热膨胀系数(与硅芯片材料的热膨胀系数(3.5～4.2×10-6)匹配)、优良的导热性能和较高的强度和模量等。聚合物电子封装材料如环氧树脂，因具有低廉的成本、较低的密度、良好的绝缘性能和抗冲击性能以及较低的介电常数和较好的化学稳定性等特点，在电子封装材料领域取得了广泛应用。封装材料是封装技术的基础，要发展先进的封装技术，必须首先研究和开发先进的封装材料。随着微电子集成电路运行速度与封装密度的增加，电子封装材料对聚合物电子封装材料的性能提出更高的要求，需要聚合物电子封装材料具有更低的热膨胀系数和更高的模量。对于电子封装材料而言，较高的热膨胀系数容易导致封装材料的线膨胀系数与所封装的对象热膨胀系数不匹配，造成封装成型后的器件中所封装对象与封装材料之间存在热应力，最终导致出现强度下降、耐热冲击性降低、封装裂纹、空洞、钝化和离层等各种缺陷。以环氧树脂为代表的聚合物材料的高热膨胀系数正逐渐成为限制其在电子封装领域中广泛应用的瓶颈。降低封装材料的线膨胀系数一般可选择向基体材料中添加具有低膨胀系数的第二相颗粒，如向环氧树脂基体中引入SiO2、AlN、SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、BN、碳纳米纤维、石墨烯、碳粉、ZrW2O8等。然而，实践过程中发现，若想较大幅度降低聚合物材料的热膨胀系数则需添加较大量的具有低热膨胀系数的第二相，也即这些第二相在降低环氧树脂热膨胀系数方面能力有限，这一方面增加了聚合物复合材料的制备难度，另一方面也造成聚合物复合材料某些性能的降低，如强度和模量。因此，有必要开发一种既不会影响环氧树脂基体的综合性能，又能大幅降低环氧树脂基体热膨胀系数的环氧树脂基复合材料，以适应封装材料的更新换代要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种综合性能优异、热膨胀系数低的环氧树脂基复合材料，还相应提供一种工艺简单、适应工业化批量生产的环氧树脂基复合材料的制备方法，还相应提供上述环氧树脂基复合材料作为电子封装材料的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种环氧树脂基复合材料，包括环氧树脂基体和氮化硅泡沫陶瓷，所述环氧树脂基体均匀填充于氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，所述氮化硅泡沫陶瓷在环氧树脂基复合材料中的体积百分含量为30％～40％。上述的环氧树脂基复合材料，优选的，所述氮化硅泡沫陶瓷的孔洞直径为50μm～300μm，孔隙率为64％～70％，部分孔洞的孔壁上有连通孔，所述连通孔的孔径小于10μm，平均每个孔洞的孔壁上的连通孔数量为0.4～0.8个。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合均匀，得到环氧树脂基体；采用真空浸渍法使环氧树脂基体浸渍到氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，然后固化，得到环氧树脂基复合材料。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述氮化硅泡沫陶瓷由以下方法制备：(1)在含氮化硅粉的浆料中加入蛋白粉，球磨至发泡，得到泡沫浆料；(2)将泡沫浆料注入模具中，在水浴中使泡沫浆料固化，脱模，干燥，烧除蛋白质，得到泡沫陶瓷素坯；(3)将泡沫陶瓷素坯置于保护气氛下进行烧结，形成氮化硅泡沫陶瓷。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述含氮化硅粉的浆料包括氮化硅粉、去离子水、质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵水溶液、氧化铝和氧化钇。所述氮化硅相对于水的添加量为160wt％，所述氧化铝相对于氮化硅粉的添加量为1wt％～3wt％，所述氧化钇相对于氮化硅粉的添加量为3wt％～5wt％，所述蛋白质相对于去离子水的添加量为7wt％～13wt％，所述四甲基氢氧化铵水溶液与去离子水的体积比为3.8～4.5∶120。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述含氮化硅粉的原料还包括酚醛树脂，所述酚醛树脂相对于氮化硅粉的添加量小于4wt％。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，水浴固化温度为70℃～90℃，时间为1h～3h。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，蛋白质的烧除温度为500℃～600℃，时间为1h～2h。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，烧结温度为1700～1870℃，时间为1h～3h。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述环氧树脂基体由环氧树脂、固化剂和稀释剂组成，所述环氧树脂基体的黏度小于200mPa·s。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，所述真空浸渍的工艺条件为：真空浸渍时温度为25±5℃，浸渍时间为1h～2h，真空度为-0.1MPa。上述的环氧树脂基复合材料的制备方法，优选的，固化温度为55℃～60℃，保温4h～10h。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的环氧树脂基复合材料或上述的方法所制备的环氧树脂基复合材料作为电子封装材料的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的环氧树脂基复合材料，采用氮化硅泡沫陶瓷作为环氧树脂基体的增强相，能够显著降低环氧树脂基体的热膨胀系数，且不会影响环氧树脂基体的综合性能，所形成的环氧树脂基复合材料在-80℃到30℃区间内的热膨胀系数低至7.64×10-6；在-80℃到-20℃区间内的热膨胀系数低至6.46×10-6，弯曲强度达67.6MPa，弯曲模量高达30.5GPa，在电子封装材料领域具有广阔的应用前景。2、本专利技术的环氧树脂基复合材料的制备方法，其中氮化硅泡沫陶瓷是由含氮化硅粉的浆料经蛋白发泡-水浴固化-蛋白质烧除-高温烧结而成，固化处于水浴环境，空气湿度较大，能有效克服泡沫浆料失水较快的难题，样品成形性好。采用质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵水溶液作为黏度调节剂，采用四甲基氢氧化铵水溶液作为浆料黏度调节剂有三个优点：其一，四甲基氢氧化铵水溶液是由C、H、O、N四种元素组成，其在蛋白质烧除工艺中能够被完全烧除，不会带来残余杂质如Na、Cl等元素的残留，试验表明Na、Cl等残留元素会影响到氮化硅烧结后的性能；其二，四甲基氢氧化铵水溶液在调节氮化硅浆料黏度时性能比较优异；其三，四甲基氢氧化铵水溶液在调节浆料黏度时不需要添加其他物质，降低了工艺复杂性；烧结助剂为氧化铝和氧化钇，这两种物质在氮化硅烧结助剂领域应用最为广泛，辅助烧结制备的氮化硅陶瓷性能优异，而且二者的成本相对低廉。3、含氮化硅粉的浆料中优选添加4wt％以下的酚醛树脂作为造孔剂，所得的氮化硅泡沫陶瓷孔洞孔壁上的微米级连通孔增多，孔洞之间的连通性更好，更利于环氧树脂基体的浸渍填充。4、本专利技术的环氧树脂基复合材料的制备方法操作简单，制备成本低，容易实现工业化批量生产。附图说明图1为本专利技术实施例1步骤(1)制备的氮化硅泡沫陶瓷的微观形貌图。图2为本专利技术实施例1步骤(1)制备的氮化硅泡沫陶瓷中单个孔洞的微观本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环氧树脂基复合材料，其特征在于，包括环氧树脂基体和氮化硅泡沫陶瓷，所述环氧树脂基体均匀填充于氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，所述氮化硅泡沫陶瓷在环氧树脂基复合材料中的体积百分含量为30％～40％。

【技术特征摘要】
1.一种环氧树脂基复合材料，其特征在于，包括环氧树脂基体和氮化硅泡沫陶瓷，所述环氧树脂基体均匀填充于氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，所述氮化硅泡沫陶瓷在环氧树脂基复合材料中的体积百分含量为30％～40％。2.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料，其特征在于，所述氮化硅泡沫陶瓷的孔洞直径为50μm～300μm，孔隙率为64％～70％，部分孔洞的孔壁上有连通孔，所述连通孔的孔径小于10μm，平均每个孔洞的孔壁上的连通孔数量为0.4～0.8个。3.一种如权利要求1或2所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合均匀，得到环氧树脂基体；采用真空浸渍法使环氧树脂基体浸渍到氮化硅泡沫陶瓷的孔洞中，然后固化，得到环氧树脂基复合材料。4.根据权利要求3所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮化硅泡沫陶瓷由以下方法制备：(1)在含氮化硅粉的浆料中加入蛋白粉，球磨至发泡，得到泡沫浆料；(2)将泡沫浆料注入模具中，在水浴中使泡沫浆料固化，脱模，干燥，烧除蛋白质，得到泡沫陶瓷素坯；(3)将泡沫陶瓷素坯置于保护气氛下进行烧结，形成氮化硅泡沫陶瓷。5.根据权利要求4所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周新贵，殷刘彦，王洪磊，余金山，李明远，黎畅，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43