導(dǎo)電膠應(yīng)用的隱患來源及控制措施

宋夏，林文海

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

導(dǎo)電膠應(yīng)用的隱患來源及控制措施

宋夏，林文海

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

導(dǎo)電膠是替代共晶焊料的優(yōu)良材料之一，能適應(yīng)軍用電子小型化、便攜化、批量化制造要求。它具備效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、污染少等優(yōu)勢?？赡軙?huì)在運(yùn)輸、混合、儲(chǔ)存、使用等過程中出現(xiàn)問題，導(dǎo)致導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度等方面出現(xiàn)隱患。針對(duì)這些隱患提出通過儲(chǔ)存領(lǐng)用記錄、保存過程控制、同批次導(dǎo)電膠驗(yàn)證等措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。

導(dǎo)電膠；導(dǎo)電性；粘接強(qiáng)度；隱患來源；控制措施

1 導(dǎo)電膠的作用

以雷達(dá)電子為代表的軍用電子裝備使用范圍正在逐漸擴(kuò)大，用途進(jìn)一步細(xì)分至涵蓋陸地、海洋、天空、大氣層外等多個(gè)復(fù)雜領(lǐng)域，產(chǎn)品種類和數(shù)量的需求均大幅度增加。軍用電子產(chǎn)品因其對(duì)機(jī)動(dòng)性的需求，正向著小型化、便攜化的方向發(fā)展，器件數(shù)量和集成度不斷提高，對(duì)生產(chǎn)效率提出了很高的要求。在這樣的應(yīng)用背景下，以錫鉛或錫銀系列為代表的共晶焊料已經(jīng)不足以滿足微電子組裝和封裝技術(shù)發(fā)展的需要了。在現(xiàn)代集成電路、集成混合電路、多芯片模塊組裝過程中，導(dǎo)電膠公認(rèn)是替代共晶焊料的優(yōu)良材料之一。導(dǎo)電膠與共晶焊料相比有多種優(yōu)勢，例如操作效率高；互聯(lián)工藝條件溫和；界面適應(yīng)性強(qiáng)；互聯(lián)間隙小、可實(shí)現(xiàn)高密度互聯(lián)；固化溫度靈活，可適應(yīng)不同溫度梯度；適合撓性、應(yīng)力敏感器件的連接；工藝完成后無助焊劑殘留，對(duì)后續(xù)組裝影響小，節(jié)約清除污染物的資源和時(shí)間[1～3]。

圖1 導(dǎo)電膠導(dǎo)電密度與電阻率關(guān)系圖

導(dǎo)電膠通常由樹脂基體和填充金屬粉組成，由填充金屬粉實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性能。目前商用導(dǎo)電膠考慮到適用性、導(dǎo)電能力、成本、與樹脂基體相容性等因素，通常都選用了填充銀粉型。填充銀粉型導(dǎo)電膠的導(dǎo)電原理可用滲透理論來解釋。電阻率會(huì)隨著填充銀粉密度增加，超過臨界密度Vc后顯著降低，在該密度以下導(dǎo)電粒子相互接觸，并形成三維穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)超過該密度后，繼續(xù)增加銀粉密度，電阻密度的降低值將趨于平緩，如圖1所示[4]。導(dǎo)電膠中的樹脂基體由引發(fā)劑在一定溫度下引發(fā)聚合反應(yīng)，形成聚合物，主要提供粘接強(qiáng)度。因樹脂基體不同，導(dǎo)電膠可分為熱塑型和熱固型兩種，主要區(qū)別在于固化后熱塑形導(dǎo)電膠再次受熱超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，將逐漸重新恢復(fù)流動(dòng)特性，而熱固型導(dǎo)電膠一旦固化將形成不熔不溶的三維交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直至加熱至分解溫度也不可能再轉(zhuǎn)換回流動(dòng)態(tài)，熱固型導(dǎo)電膠因其蠕變性更小等原因，在芯片粘接等微電子領(lǐng)域目前占據(jù)主導(dǎo)地位。

2 導(dǎo)電膠應(yīng)用的隱患來源及影響

導(dǎo)電膠的應(yīng)用主要圍繞其實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度兩方面。實(shí)際量產(chǎn)中選用導(dǎo)電膠一般都為了利用其生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，每天生產(chǎn)的組件數(shù)量較多；而微電子組件進(jìn)入量產(chǎn)狀態(tài)后，每天有成千上萬的裸芯片等貴重元器件依賴導(dǎo)電膠粘接，一旦發(fā)生批量問題，造成的報(bào)廢損失將非常驚人。以MCM組件為例，往往一只價(jià)格1萬元的組件，裸芯片在其中成本會(huì)占到一半甚至更多，以每天生產(chǎn)200件為例（該產(chǎn)能更接近量產(chǎn)數(shù)量的下限），某天的導(dǎo)電膠失效沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因芯片報(bào)廢造成的損失就將高達(dá)100萬元。因此在批量生產(chǎn)中如何通過管理方法和技術(shù)來確保導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度成為管理人員必須面對(duì)的問題。目前大規(guī)模商用導(dǎo)電膠通常有單組份和雙組份兩種，雙組份導(dǎo)電膠的聚合引發(fā)劑和樹脂單元基體分開存放，通?？墒覝剡\(yùn)輸、存放；混合前的保質(zhì)期長，通常通過批次性混合可一次封裝成多支導(dǎo)電膠，完成混合后一次用不完的可立即儲(chǔ)存在-40℃的冰箱中，后續(xù)使用時(shí)再依次取出回溫。單組份導(dǎo)電膠通常從運(yùn)輸過程開始就必須全程處于干冰低溫保護(hù)狀態(tài)，廠家為了確保中間狀態(tài)受控會(huì)在包裝中加入稱為“Cube”的中間過程監(jiān)控模塊，該模塊一旦回溫后即會(huì)變色，一旦變色將不會(huì)再變回，以此來確定中間過程一直處于低溫受控狀態(tài)；應(yīng)用方收貨后存入低溫冰箱，每次使用前回溫，與雙組份導(dǎo)電膠混合后進(jìn)入冰箱存放的使用要求基本一致。

經(jīng)過對(duì)導(dǎo)電膠結(jié)構(gòu)組成、導(dǎo)電及粘接原理的分析，結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)，梳理導(dǎo)電膠可能出現(xiàn)的隱患點(diǎn)見圖2。

圖2 可能的導(dǎo)電膠潛在隱患來源

其中采用雙組份導(dǎo)電膠自行混合的手段，6種潛在隱患均有可能發(fā)生；采用單組份導(dǎo)電膠儲(chǔ)存領(lǐng)用的手段，前三條由專業(yè)生產(chǎn)廠家控制，出現(xiàn)幾率較低，但風(fēng)險(xiǎn)依然存在。各隱患發(fā)生的原因和可能帶來的影響如下。

（1）引發(fā)劑失效。引發(fā)劑負(fù)責(zé)引發(fā)樹脂聚合形成網(wǎng)狀聚合物，如引發(fā)劑被污染或雙組份混合前經(jīng)歷中高溫導(dǎo)致部分分解等原因造成的失效，將會(huì)導(dǎo)致裸芯片粘接強(qiáng)度不夠、粘接芯片報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)樹脂聚合不完全也會(huì)造成電阻較大等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纬蓴嗦?，造成組件報(bào)廢。

（2）樹脂基體被污染。樹脂接受引發(fā)劑的引發(fā)，聚合形成網(wǎng)狀聚合物，如樹脂本體在封裝時(shí)或開封使用時(shí)被污染，污染物可能會(huì)阻斷引發(fā)聚合反應(yīng)，干擾聚合過程，同樣將會(huì)導(dǎo)致裸芯片粘接強(qiáng)度不夠，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成斷路而無法使用。

（3）混合過程失控。雙組份導(dǎo)電膠的混合過程將決定引發(fā)劑在樹脂基體的分布密度，當(dāng)密度不均勻時(shí)將出現(xiàn)部分樹脂基體缺少引發(fā)劑甚至無引發(fā)劑的現(xiàn)象，因絕大部分雙組份導(dǎo)電膠均在雙組份中預(yù)先混入銀粉，此部分膠被擠出時(shí)外觀與引發(fā)劑含量適量或過量的膠不會(huì)有太大區(qū)別，但因引發(fā)劑的缺乏而無法固化，受熱后將直接導(dǎo)致組件報(bào)廢。

采用自動(dòng)攪拌設(shè)備設(shè)定程序混合，能夠最大程度地避免手動(dòng)混合帶來的不均勻等問題，但攪拌過程的高轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了會(huì)有一定程度的發(fā)熱，如沒有適當(dāng)手段處理掉這些多余的熱量，導(dǎo)電膠升溫會(huì)提高粘度、縮短保質(zhì)期、甚至提前部分固化，這也將造成涂膠困難，給產(chǎn)品一致性和可靠性留下隱患。

（4）過保質(zhì)期使用。導(dǎo)電膠雖然按要求在常溫下引發(fā)劑和樹脂本體分開，或混合后放入低溫冰箱保存，但引發(fā)劑依然遵循阿侖尼烏斯方程控制的速率原理緩慢分解，分解到引發(fā)劑密度在臨界密度以下即會(huì)造成固化失效、固化后電阻超標(biāo)等問題，因此廠家往往規(guī)定了導(dǎo)電膠的保質(zhì)期來確保性能滿足要求。在實(shí)際使用過程中，一旦忽視過保質(zhì)期的問題，使用過保質(zhì)期的導(dǎo)電膠會(huì)帶來導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度問題，因其屬于特殊過程，一旦導(dǎo)電膠固化無法回到固化前的狀態(tài)，造成問題歸零過程查找原因非常困難。

（5）儲(chǔ)存冰箱溫度異常。日常用于導(dǎo)電膠儲(chǔ)存的低溫冰箱一般設(shè)定為-40℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示斷電2 h左右即會(huì)回溫至-10℃左右；冰箱門因積冰關(guān)閉不牢同樣會(huì)造成溫度異常上升；這些現(xiàn)象都會(huì)造成導(dǎo)電膠的實(shí)際保質(zhì)期短于標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)保質(zhì)期，同時(shí)會(huì)影響固化后電阻和粘接強(qiáng)度。

（6）非法反復(fù)回溫。此現(xiàn)象屬于管理問題，可能因長期以來對(duì)物料力求節(jié)約的教育因素影響，在同時(shí)遭遇極緊張計(jì)劃進(jìn)度、導(dǎo)電膠恰恰遇到短缺造成的心理壓力出現(xiàn)時(shí)，極少數(shù)人員肆意地認(rèn)為開封回溫使用1次且時(shí)間較短，該支膠管內(nèi)存有較多未用完導(dǎo)電膠可以再次放回低溫冰箱，下次回溫后再次使用不會(huì)有外觀上的差異。實(shí)際上導(dǎo)電膠的樹脂基體一般屬于環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯類，低溫回溫后不可避免地會(huì)凝結(jié)空氣中的少量水汽，這部分水汽中的絕大部分在固化時(shí)會(huì)受熱揮發(fā)，對(duì)膠本體的影響已經(jīng)在廠家設(shè)計(jì)配方時(shí)考慮過；但一旦回溫后重新放入冰箱，在漫長的時(shí)間里吸入的水分作為一種慢性引發(fā)劑中毒劑會(huì)緩慢造成大量引發(fā)劑分子失效，同樣可能造成嚴(yán)重的導(dǎo)電性、粘接強(qiáng)度、可靠性等多方面的隱患。

（7）工藝過程引起失效。在工藝過程中也有可能因使用時(shí)間超標(biāo)、固化溫度未達(dá)到、固化時(shí)間不充分等原因造成因工藝過程引起的失效。在這些狀態(tài)下，固化后的導(dǎo)電膠電阻不能達(dá)到標(biāo)稱值，并可能存在數(shù)量級(jí)的差距；代表粘接強(qiáng)度的剪切力測試值也與標(biāo)稱值相距甚遠(yuǎn)。

3 控制措施

針對(duì)導(dǎo)電膠應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的6類隱患來源，結(jié)合生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我們引用《GJB2438A-2002混合集成電路通用規(guī)范》和《GJB548B-2005微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》對(duì)導(dǎo)電膠結(jié)產(chǎn)品的要求，總結(jié)了一系列技術(shù)手段和管理措施，并以正式管理規(guī)定文件的方式發(fā)布并培訓(xùn)，力求降低風(fēng)險(xiǎn)，提高應(yīng)用水平，增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性。具體涵蓋的措施如下。

3.1 配膠過程控制措施

3.1.1 固定配膠方法及參數(shù)

導(dǎo)電膠混合時(shí)將廠家已分包好、比例確定的雙組分膠中的其中一種組分全部轉(zhuǎn)移到另一組分罐中，用專用混膠機(jī)混合。攪拌機(jī)設(shè)置A轉(zhuǎn)/分、常壓X秒后B轉(zhuǎn)/分抽真空、Y分鐘；完成后取出工裝冷卻后按該參數(shù)重復(fù)Z次，中途取出工裝冷卻。

3.1.2 配膠過程記錄

雙組份導(dǎo)電膠混合前由混合操作人員記錄該日混合的導(dǎo)電膠盒蓋上標(biāo)注的保質(zhì)期、批次號(hào)、混膠設(shè)備、工藝參數(shù)等信息。導(dǎo)電膠在混合灌封后每支需標(biāo)注混合日期和膠種類。如當(dāng)日不止混合一組雙組份導(dǎo)電膠，還應(yīng)分別標(biāo)明混合組編號(hào)（例如有相同保質(zhì)期的兩罐A、B組份，則混合后分別標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)混合組），為預(yù)防個(gè)別罐引發(fā)劑失效等問題，嚴(yán)禁同一支膠中灌入兩個(gè)不同混合組的膠。

3.2 保存過程控制措施

3.2.1 存儲(chǔ)要求

單組份導(dǎo)電膠應(yīng)用前操作人員應(yīng)確認(rèn)同時(shí)滿足混合前后各自的存儲(chǔ)期限要求；航天等有相關(guān)記錄要求的應(yīng)用過程應(yīng)記錄該次應(yīng)用的導(dǎo)電膠批次號(hào)、存儲(chǔ)期限等信息備查，存儲(chǔ)信息保存時(shí)限應(yīng)滿足《GJB2438A-2002混合集成電路通用規(guī)范》的要求；來料檢驗(yàn)記錄至少應(yīng)保存3年，對(duì)K級(jí)電路為7年。

存儲(chǔ)單組份導(dǎo)電膠和混合后雙組份導(dǎo)電膠的-40℃冰箱由管理人員指定專人負(fù)責(zé)，冰箱上鎖并由負(fù)責(zé)人掌管鑰匙?；旌虾蟮膶?dǎo)電膠或新到貨導(dǎo)電膠分類放入過程由該專人負(fù)責(zé)并記錄出入賬。應(yīng)優(yōu)先用完（不包括本規(guī)定中結(jié)果復(fù)現(xiàn)要求留底的導(dǎo)電膠）一個(gè)批次后再啟用下一批次。應(yīng)用后的每批次導(dǎo)電膠嚴(yán)禁消耗完，必須保存1支或以上待結(jié)果復(fù)現(xiàn)時(shí)調(diào)用。該膠需單獨(dú)標(biāo)記，單獨(dú)設(shè)與其他導(dǎo)電膠隔離的存儲(chǔ)地，儲(chǔ)存至其超出保質(zhì)期后方允許廢棄。

3.2.2 異常情況處理

如出現(xiàn)斷電或積冰等不正常形貌變化時(shí)必須記錄，每批次重做本文3.3節(jié)要求的導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.3 同批次導(dǎo)電膠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證措施

3.3.1 驗(yàn)證時(shí)機(jī)

K級(jí)組件應(yīng)用時(shí)應(yīng)遵照項(xiàng)目作業(yè)指導(dǎo)書要求每日驗(yàn)證或按相應(yīng)項(xiàng)目工藝文件要求的周期驗(yàn)證。H級(jí)或以下級(jí)別組件應(yīng)用時(shí)應(yīng)按來料批次逐批次驗(yàn)證或在發(fā)生異常狀態(tài)后進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.2 電阻率驗(yàn)證

取鍍金鉬銅襯底X只，在陣列金焊盤的陶瓷版上按對(duì)應(yīng)工藝條件清洗并固化，逐只鍵合連接鉬銅襯底頂部與相鄰陶瓷板金焊盤。用四探針法挨個(gè)測量不同位置電阻并記錄。

3.3.3 剪切力試驗(yàn)樣品制備

取1.7 mm×2.7 mm的硅芯片驗(yàn)證硅底層與導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度，取0.7 mm×0.7 mm的砷化鎵芯片，驗(yàn)證砷化鎵金底層與導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度，取0.75 mm×0.75 mm芯片電容，驗(yàn)證電容金底層與導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度。

按《GJB548B-2005微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》方法2019.2《芯片剪切強(qiáng)度》的要求制樣并做剪切力試驗(yàn)并判定，剪切力應(yīng)滿足圖3的要求。

圖3 芯片剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

1.7 mm×2.7 mm硅芯片的剪切力應(yīng)大于5 kg（或芯片本體推碎），0.7 mm×0.7 mm砷化鎵芯片的剪切力應(yīng)大于0.6 kg（或芯片本體推碎），0.75 mm×0.75 mm芯片電容的剪切力應(yīng)大于0.7 kg（或芯片本體推碎）。

3.4 使用管理措施

3.4.1 使用前確認(rèn)

使用前應(yīng)對(duì)該管膠擠樣確認(rèn)流動(dòng)性和外觀正常，并查閱試驗(yàn)驗(yàn)證表記錄的評(píng)價(jià)信息，確認(rèn)該管膠狀態(tài)正常。

3.4.2 使用要求

嚴(yán)格按導(dǎo)電膠膠接工藝文件中的要求應(yīng)用導(dǎo)電膠。

3.4.3 過程記錄

使用完成后當(dāng)日內(nèi)必須記錄使用導(dǎo)電膠的操作人員、種類、批次、保質(zhì)截止日期和相應(yīng)工藝文件要求的其他信息。

3.5 SPC控制

統(tǒng)計(jì)過程控制（簡稱SPC）是一種借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的過程控制工具?？梢栽谟袟l件的情況下利用它對(duì)導(dǎo)電膠的應(yīng)用過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)測試結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施消除可能導(dǎo)致導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度變化的影響，使導(dǎo)電膠的應(yīng)用工藝保持在受控狀態(tài)。

應(yīng)用SPC過程中應(yīng)將導(dǎo)電膠的批次性測試數(shù)據(jù)及時(shí)繪制到控制圖中，并密切觀察控制圖中電阻率和剪切強(qiáng)度的波動(dòng)情況可以顯示出過程受控或失控，如果發(fā)現(xiàn)失控，必須尋找原因并盡快消除其影響。

3.6 工藝過程控制

對(duì)于超大面積基板粘接等導(dǎo)電膠應(yīng)用不方便測量電阻和剪切力的場合，應(yīng)考慮引入X射線或聲學(xué)掃描，通過對(duì)導(dǎo)電膠粘接工藝實(shí)際粘接面積和空洞率的測試，確保工藝過程受控。

4 總結(jié)

本文針對(duì)導(dǎo)電膠應(yīng)用過程中可能引起導(dǎo)電性、粘接強(qiáng)度、可靠性隱患的引發(fā)劑失效、樹脂基體被污染、混合過程失控、過保質(zhì)期使用、儲(chǔ)存冰箱溫度異常、非法反復(fù)回溫、工藝過程引起失效等7種現(xiàn)象，制定了相應(yīng)的具體措施，通過配膠過程控制措施確保同一個(gè)封裝罐中的引發(fā)劑或樹脂不會(huì)混合進(jìn)不同批次；通過記錄和同批次導(dǎo)電膠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證措施避免引發(fā)劑失效、樹脂基體被污染、混合過程失控等潛在隱患；通過保存過程控制措施避免過保質(zhì)期使用、儲(chǔ)存冰箱溫度異常、非法反復(fù)回溫等潛在隱患；通過同批次導(dǎo)電膠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證措施確保使用過程中的導(dǎo)電性、粘接強(qiáng)度得到驗(yàn)證。

[1]宋夏，林文海.微波多芯片組件中微量導(dǎo)電膠分配技術(shù)探討[J].電子與封裝，2014，14（1）:1-5.

[2]陳黨輝，顧瑛，陳曦.國外微電子組裝用導(dǎo)電膠的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料，2002，21（2）：34.

[3]高艷茹，李小蘭.電子元器件表面組裝用導(dǎo)電膠粘劑[J].絕緣材料通訊，2000，（1）：23.

[4]劉欣盈，向雄志，白曉軍.導(dǎo)電膠粘劑的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料，2013，32（3）：13.

Root Causes of Hidden Dangers in Conductive Adhesive and Countermeasures

SONG Xia,LIN Wenhai
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230088,China）

Conductive adhesive is one of the excelle nt materials to replace eutectic solder.It features high efficiency,strong adaptability and low pollution,thereby meeting the requirements of miniaturization, portability and mass production.However,some hidden dangers,conductivity and bonding strength,may occur during the transportation,mixing,storage,and usage.The article puts forward some measures to reduce the dangers.

conductive adhesive;conductivity;bonding strength;root causes;control measures

TN305.94

A

1681-1070（2017）05-0001-04

宋夏（1981—），男，安徽合肥人，碩士研究生，高級(jí)工程師，已公開發(fā)表論文8篇，主要從事微組裝工藝和自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線技術(shù)研究。

2017-2-15