环氧封装材料的导热模拟与导热性能

论文摘要

本文采用ANSYS软件对颗粒填充环氧封装材料的微观结构进行模拟,研究了网格尺寸,颗粒数量、形状、长径比、取向、热导率、表面层、颗粒接触、混杂填充、级配填充等对环氧封装材料导热性能的影响。采用不同填料（Si3N4、Al2O3、SiO2）,通过单一填充、混杂填充、多元粒径级配填充等方式构造导热通道,对部分导热模拟配方设计进行了实验验证,研究了导热模拟在环氧封装材料配方设计中的适用性。结果表明:（1）模型网格尺寸和和颗粒数量对计算与结果的精确性具有一定影响。环氧封装材料的导热性能随着i)颗粒长径比的增加,ii)颗粒取向度偏离热流方向的减小,iii)颗粒表面层热导率的增加而提高。在一定填充率下,材料的导热性能随着填料热导率的提高出现极限值。材料界面层对导热性能影响显著。（2）对混杂填充导热模拟,环氧封装材料导热性能随低热导填料在总填料中的体积分数降低而提高。对级配填充导热模拟,环氧封装材料的导热性能随小颗粒填料体积分数的增加而提高。（3）环氧封装材料导热实验,材料热导率随填料填充率的提高而提高,单一填充以175μm Al2O3的效果最好,填充率52vol%时热导率高达1.94 W/m·K;级配填充对导热性能的提高效果优于单一填充,三元级配填充对导热性能的提高效果优于二元级配填充,本研究所获得的最高热导率为采用Al2O3三元级配体系(V175μm/V2μm/V0.03μm=5:3:1),填充率65vol%时达2.85 W/m·K。混杂填充时复合材料的导热性能随填料总填充率的提高而提高,随混杂填料中高热导填料的热导率及其在填料中的体积分数增加而提高,以Si3N4/球形SiO2混杂体系的效果最好。（4）采用导热模拟进行配方设计,单一填充实验结果与模拟结果符合很好,混杂填充模拟结果准确地反映了材料导热性能的变化规律,这表明导热模拟在环氧封装材料配方设计方面具有较好的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 微电子封装概述
• 1.1.2 封装技术的发展
• 1.2 封装材料体系
• 1.2.1 金属封装
• 1.2.2 陶瓷封装
• 1.2.3 塑料封装
• 1.3 微电子封装结构的作用与意义
• 1.4 高导热聚合物基封装材料的研究进展
• 1.4.1 聚合物材料热传导行为与导热性能
• 1.4.2 提高聚合物基复合材料导热性能的研究与实践
• 1.4.3 聚合物导热性能与导热填料
• 1.5 微电子封装结构的热控制与热管理
• 1.5.1 ANSYS 软件的发展与应用
• 1.5.2 ANSYS 导热数值模拟研究进展
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 环氧封装材料导热模拟与导热实验
• 2.1 ANSYS 导热模拟建模思路
• 2.1.1 单一颗粒填充环氧建模思路
• 2.1.2 混杂颗粒填充环氧建模思路
• 2.1.3 级配颗粒填充环氧建模思路
• 2.2 ANSYS 导热模拟步骤
• 2.3 环氧封装材料导热性能的实验研究
• 2.3.1 实验原材料与实验设备
• 2.3.2 实验样品的制备
• 2.3.3 实验样品的性能测试
• 第三章 填料单一填充环氧导热模拟与导热性能
• 3.1 填料单一填充环氧导热性能的ANSYS 模拟
• 3.1.1 网格尺寸对导热性能模拟的影响
• 3.1.2 模型中填料数量对导热性能模拟的影响
• 3.1.3 椭球长径比和长轴取向对导热性能模拟的影响
• 3.1.4 填料形状对导热性能模拟的影响
• 3.1.5 填料与基体热导率之比对导热性能模拟的影响
• 3.1.6 填料表面层对导热性能模拟的影响
• 3.1.7 高填充率时颗粒接触对导热性能模拟的影响
• 3.2 填料单一填充环氧导热性能的实验研究
• 3.2.1 填料单一填充环氧的样品配方设计
• 3.2.2 填料单一填充环氧的微观形貌
• 3.2.3 填料单一填充环氧的导热性能
• 3.3 填料单一填充环氧导热模拟值与实验值对比
• 第四章 填料复合填充环氧导热模拟与导热性能
• 4.1 填料复合填充环氧导热性能的ANSYS 模拟
• 4.1.1 颗粒混杂填充环氧封装材料的导热模拟
• 4.1.2 颗粒级配填充环氧封装材料的导热模拟
• 4.2 填料复合填充环氧导热性能的实验研究
• 4.2.1 填料复合填充环氧的样品配方设计
• 4.2.2 填料复合填充环氧的微观形貌
• 4.2.3 填料复合填充环氧的导热性能
• 4.3 填料复合填充环氧导热模拟值与实验值对比
• 4.3.1 填料混杂填充
• 4.3.2 填料级配填充
• 第五章 导热性能模拟与高导热复合材料的性能提高
• 5.1 材料热传导过程与复合材料的导热性能
• 5.2 导热模拟与材料导热网络的构建
• 5.3 导热填料的选择与界面热阻
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 填料单一填充环氧导热模拟与导热性能
• 6.1.2 填料复合填充环氧导热模拟与导热性能
• 6.1.3 导热性能模拟与高导热复合材料的性能提高
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文