球形二氧化硅微粒表面特性调控对电子封装用环氧树脂复合材料性能的影响

doi:10.7503/cjcu20250145

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 20250145.doi: 10.7503/cjcu20250145

球形二氧化硅微粒表面特性调控对电子封装用环氧树脂复合材料性能的影响

张丽丽¹^,², 胡海军¹, 李厚文³, 聂兴成², 李斌³, 张海琳¹^,², 胡乔巨², 郑德州³, 张国庆³, 井金峰³, 刘文星¹^,²(), 高长有¹^,²()

^1.浙江大学高分子科学与工程学系，教育部高分子合成与功能构造重点实验室，杭州 310058
^2.浙江大学绍兴研究院大健康材料分中心，医用高分子材料与器械表界面技术浙江省工程研究中心，绍兴市大健康材料与应用技术重点实验室，绍兴 312099
^3.周口莲花控股股份有限公司，周口 466200

收稿日期:2025-05-18 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-06-24
通讯作者: 高长有 E-mail:wenxingliu@zju.edu.cn;cygao@zju.edu.cn
作者简介:刘文星，男，博士，副研究员，主要从事动态聚合物、刺激响应聚合物、可循环聚合物、可降解聚合物、生物医用高分子材料方面的研究. E-mail： wenxingliu@zju.edu.cn
基金资助:
浙江省自然科学基金(ZCLMS25B0203)

Effects of Surface Modification Strategies of Spherical Silica Particles on Properties of Epoxy Resin Composites for Electronic Packaging

ZHANG Lili¹^,², HU Haijun¹, LI Houwen³, NIE Xingcheng², LI Bin³, ZHANG Hailin¹^,², HU Qiaoju², ZHENG Dezhou³, ZHANG Gouqing³, JING Jinfeng³, LIU Wenxing¹^,²(), GAO Changyou¹^,²()

^1.MOE Key Laboratory of Macromolecular Synthesis and Functionalization，Department of Polymer Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
^2.Zhejiang Engineering Research Center for Interface Technology of Medical Polymers and Devices，Shaoxing Key Laboratory of Healthcare Materials and Application Technology，Center for Healthcare Materials，Shaoxing Institute，Zhejiang University，Shaoxing 312099，China
^3.Zhoukou Lotus Holdings Co. ，Ltd. ，Zhoukou 466200，China

Received:2025-05-18 Online:2025-10-10 Published:2025-06-24
Contact: GAO Changyou E-mail:wenxingliu@zju.edu.cn;cygao@zju.edu.cn
Supported by:
the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation, China(ZCLMS25B0203)

摘要/Abstract

摘要：

系统研究了硅烷偶联剂(SCA)界面改性对二氧化硅微粒/环氧树脂复合材料性能的影响. 通过表面能谱分析验证了硅烷偶联剂在二氧化硅微粒表面的成功接枝，并制备了高填料含量(质量分数， 50%)的环氧树脂基封装膜，对比了SiO₂改性前后所得复合材料的综合性能. 研究结果表明：由于环氧基团参与树脂交联反应， γ-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)显著提升了界面结合强度，对应复合材料的玻璃化转变温度(170.38 ℃)、导热系数(0.15 W/mK)及拉伸强度(102.79 MPa)均最高；由于苯环的疏水性与共轭效应， N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KBM-573)赋予复合材料最大的水接触角(114.9°)，但力学性能略低；由于氨基极性， γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-540)改性体系导致材料介电性能与疏水性改善有限. 研究结果表明，改性二氧化硅微粒对“力学-热学-电学”性能具有协同作用，为电子封装材料的性能定向优化提供了理论依据.

关键词: 硅烷偶联剂, 二氧化硅微粒改性, 电子封装, 环氧树脂, 介电损耗

Abstract:

The effect of silane coupling agent（SCA） interfacial modification on the properties of silica particles/ epoxy composites was systematically investigated to address the performance bottlenecks of epoxy resin-based electronic packaging materials in terms of high thermal conductivity， low dielectric loss， and moisture and thermal stability. The successful grafting of silane coupling agents onto the silica particle surface was verified by surface energy spectroscopy analysis， and epoxy resin-based packaging films with high filler content（50%， mass fraction） were prepared to compare the overall performance of the composites before and after modification. The incorporation of γ-glycidyloxypropyltrimethoxysilane（KH-560） enhanced the interfacial bonding strength of resin through the participation of epoxy groups in the cross-linking reaction. The resultant composites exhibited an optimal glass transition temperature of 170.38 ℃， a thermal conductivity of 0.15 W/mK， and a tensile strength of 102.79 MPa. The resin prepared by using N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane（KBM-573）-modified silica particles exhibited a water contact angle of 114.9° and slightly lower mechanical properties due to the hydrophobicity of the benzene ring and conjugation effect. The γ-aminopropyltrimethoxysilane（KH-540）-modified system demonstrated limited improvement in dielectric properties and hydrophobicity due to the amine polarity. The present study elucidated the synergistic effect of modified silica particles on the mechanical， thermal， and electrical properties. This finding provides a theoretical basis for the targeted optimization of electronic packaging materials.

Key words: Silane coupling agent, Silica particle modification, Electronic packaging, Epoxy resin, Dielectric loss

中图分类号:

O633

TrendMD:

张丽丽, 胡海军, 李厚文, 聂兴成, 李斌, 张海琳, 胡乔巨, 郑德州, 张国庆, 井金峰, 刘文星, 高长有. 球形二氧化硅微粒表面特性调控对电子封装用环氧树脂复合材料性能的影响. 高等学校化学学报, 2025, 46(10): 20250145.

ZHANG Lili, HU Haijun, LI Houwen, NIE Xingcheng, LI Bin, ZHANG Hailin, HU Qiaoju, ZHENG Dezhou, ZHANG Gouqing, JING Jinfeng, LIU Wenxing, GAO Changyou. Effects of Surface Modification Strategies of Spherical Silica Particles on Properties of Epoxy Resin Composites for Electronic Packaging. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250145.

图/表 9

Fig.1 SEM images(A1—D1) and EDS mapping images(A2—D2, A3—D3, A4—D4) of SiO2 particles modified by different silicone coupling agents(SCA)（A1—A4） SiO2；（B1—B4） SiO2@KH560；（C1—C4） SiO2@KH540；（D1—D4） SiO2@KBM573. （A2—D2） C；（A3—D3） O；（A4—D4） Si.

Fig.2 Mass fraction of surface elements of SiO2 particles modified by different SCA

Fig.3 DMA curve of epoxy resin⁃based encapsulation films(heat up at 3 ℃/min, in air)

Fig.4 CTE curves of epoxy resin⁃based encapsulation films

Table 1 Tg, CTE data and mechanical properties of epoxy resin-based packaging films

Film	T_g/℃（by tensile TMA）	CTE/K^-1		Tensile strength/MPa	Tensile modulus/GPa	Elongation at break（%）
Film	T_g/℃（by tensile TMA）	<T_g	>T_g	Tensile strength/MPa	Tensile modulus/GPa	Elongation at break（%）
SiO₂	122.54	55.55	192.32	76.24±9.22	4.69±0.32	2.30±0.36
SiO₂@KH560	128.27	50.86	224.76	102.79±12.11	6.08±0.73	3.50±0.52
SiO₂@KH540	126.97	53.50	200.17	95.51±2.65	5.60±0.14	3.33±0.25
SiO₂@KBM573	124.48	52.42	194.33	93.53±2.87	4.74±0.21	3.77±0.44

Fig.5 Thermal conductivity of epoxy resin⁃based encapsulation films

Fig.6 Tensile strength and elongation at break of epoxy resin⁃based packaging films

Fig.7 Dielectric properties of epoxy resin⁃based packaging films

Fig.8 Contact angle photographs and data of epoxy resin⁃based packaging films

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球形二氧化硅微粒表面特性调控对电子封装用环氧树脂复合材料性能的影响

Effects of Surface Modification Strategies of Spherical Silica Particles on Properties of Epoxy Resin Composites for Electronic Packaging

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