一種基于儲(chǔ)能焊的混合電路典型失效模式

胡長(zhǎng)清，趙鶴然，田愛民，馬艷艷，劉慶川

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

導(dǎo)熱膠粘片是混合電路中非常常用的一種粘片工藝，普遍應(yīng)用于裸芯片、陶瓷基板和金屬外殼之間的粘接[1-2]。該工藝為某產(chǎn)線成熟的封裝工藝，粘接效果一直比較良好。但在對(duì)該線所生產(chǎn)的某種混合電路的處理過程中，電路在經(jīng)穩(wěn)定性烘焙、溫度循環(huán)、恒加試驗(yàn)后，十余只電路管腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)異響。開蓋后確認(rèn)電路有異響的原因?yàn)樘沾苫迕撀洹拇藢?shí)際案例入手，通過闡述對(duì)電路進(jìn)行故障排查定位失效原因的過程，論述了混合電路儲(chǔ)能焊密封工藝對(duì)導(dǎo)熱膠粘接可靠性方面的影響，進(jìn)而提出了一種混合電路故障模型。

2 失效故障描述

在生產(chǎn)某種混合電路過程中，電路在經(jīng)穩(wěn)定性烘焙、溫度循環(huán)、恒加試驗(yàn)后，注意到有十余只電路管腔內(nèi)發(fā)生異響。開蓋后確認(rèn)電路有異響的原因?yàn)樘沾苫迕撀?。圖1為失效電路脫落后的基板背面導(dǎo)熱膠狀態(tài)?？梢姡袒蟮膶?dǎo)熱膠全部粘貼在基板背面，且完全覆蓋基板并有溢出基板邊緣膠體，說明導(dǎo)熱膠涂抹量足夠。

圖1 脫落后基板背面導(dǎo)熱膠狀態(tài)

失效發(fā)生后，逐步排查生產(chǎn)加工過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)，沒有發(fā)現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象和異常情況。進(jìn)一步地，針對(duì)容易引起導(dǎo)熱膠失效的各種因素都進(jìn)行了專項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)，然而結(jié)果顯示，可能引起導(dǎo)熱膠粘接失效的種種因素都不足以致使基板脫落。

3 失效機(jī)理分析

導(dǎo)熱膠粘接的失效機(jī)理主要有兩個(gè)[3]，一是導(dǎo)熱膠本身粘接能力弱化，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不足，如導(dǎo)熱膠過期、固化不充分、粘接面有沾污等因素可能導(dǎo)致粘接能力弱化；二是后期引入過度機(jī)械應(yīng)力，破壞了原有粘接結(jié)構(gòu)，如溫循應(yīng)力、恒加應(yīng)力和封裝過程引入的其它應(yīng)力都可能導(dǎo)致粘接界面的破壞。圖2為經(jīng)歸納得出的導(dǎo)熱膠粘接失效魚骨圖。

圖2 導(dǎo)熱膠粘接失效的魚骨圖

基板脫落之后，首先排查生產(chǎn)加工過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)，排除了違規(guī)現(xiàn)象和異常情況[4-5]。進(jìn)一步，對(duì)粘接過程使用的導(dǎo)熱膠開展了專項(xiàng)分析，確保導(dǎo)熱膠狀態(tài)沒有異常[6]。通過與新到貨的導(dǎo)熱膠進(jìn)行粘接對(duì)比試驗(yàn)，排除了導(dǎo)熱膠粘接性能弱化的可能性。同時(shí)，也比較了管殼、基板沾污情況下粘接強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明沾污沒有導(dǎo)致粘接效果明顯下降。

更進(jìn)一步，就粘接工藝過程控制對(duì)粘接強(qiáng)度的影響進(jìn)行了專項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)[7-9]。結(jié)果表明，導(dǎo)熱膠攪拌不均勻或固化不充分，粘接效果也沒有發(fā)生明顯的下降，不會(huì)引發(fā)基板脫落。

隨后，重點(diǎn)研究了非破壞鍵合拉力測(cè)試過程中夾持力對(duì)于導(dǎo)熱膠粘接效果的破壞，結(jié)果表明該過程不足以導(dǎo)致基板脫落。

經(jīng)過多項(xiàng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱膠固化后，剪切強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度都很高，但是在受到彎曲應(yīng)力時(shí)，整個(gè)粘接界面都會(huì)失效，整體剝離脫落。可以說，扭曲應(yīng)力是引發(fā)導(dǎo)熱膠粘接失效的最致命因素。即便受到較小的彎曲應(yīng)力，也會(huì)使粘接界面的局部產(chǎn)生裂紋，隨著產(chǎn)品后續(xù)考核試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋逐步擴(kuò)展，最終形成斷面。

4 故障排查與定位

4.1 故障排查

由于基板是在恒定加速度試驗(yàn)之后脫落的，為了能夠復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象，故在每個(gè)生產(chǎn)過程后都跟進(jìn)一次恒定加速度試驗(yàn)，以確定哪個(gè)生產(chǎn)過程包含引起粘接失效的因素。但是，失效現(xiàn)象仍然沒有復(fù)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)之上，又在每個(gè)生產(chǎn)過程后都跟進(jìn)一次溫度循環(huán)試驗(yàn)和恒定加速度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法及條件見表1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電路僅在封蓋這個(gè)過程完成后，基板又發(fā)生了脫落現(xiàn)象。因此，鎖定了儲(chǔ)能焊密封工藝過程。

表1 試驗(yàn)方法及條件

隨后，排查儲(chǔ)能焊密封前預(yù)烘焙過程和封蓋過程，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能焊的電極由于使用次數(shù)過多，有一定的磨損。推測(cè)電極的磨損可能導(dǎo)致電路管座在封蓋過程中四周受力不均，產(chǎn)生扭矩，破壞導(dǎo)熱膠粘接結(jié)構(gòu)。

4.2 故障定位

由于基板是在恒定加速度試驗(yàn)之后脫落的，為了能夠復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象，故在每個(gè)生產(chǎn)過程后都跟進(jìn)一次恒定加速度試驗(yàn)，以確定哪個(gè)生產(chǎn)過程包含引起粘接失效的因素。但是，失效現(xiàn)象仍然沒有復(fù)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)之上，又在每個(gè)生產(chǎn)過程后都跟進(jìn)一次溫度循環(huán)試驗(yàn)和恒定加速度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電路僅在封蓋這個(gè)過程完成后，基板又發(fā)生了脫落現(xiàn)象。因此，鎖定了儲(chǔ)能焊密封工藝過程。

隨后，排查儲(chǔ)能焊密封前預(yù)烘焙過程和封蓋過程，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能焊的電極由于使用次數(shù)過多，有一定磨損。推測(cè)電極磨損可能導(dǎo)致電路管座在封蓋過程中四周受力不均，產(chǎn)生扭矩，破壞導(dǎo)熱膠粘接結(jié)構(gòu)。

將多只樣品進(jìn)行超聲掃描分析。超聲掃描結(jié)果表明，基板的初始粘接狀態(tài)良好，基本不存在空洞，如圖3(a)所示；經(jīng)過封蓋、溫循、恒加后在電極磨損的一側(cè)出現(xiàn)批次性大面積空洞，如圖3(b)所示。

圖3 超聲掃描分析探測(cè)基板粘接空洞

結(jié)合超聲掃描結(jié)果和分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基板脫落并非單一因素造成的，而是多種因素共同作用的結(jié)果，導(dǎo)熱膠粘接界面被破壞，裂紋和空洞逐步擴(kuò)展，有效粘接面積銳減，導(dǎo)致粘接力不足，最終在恒加試驗(yàn)中基板與管殼分離。分析過程歸納如圖4所示。

圖4 引發(fā)導(dǎo)熱膠粘接失效的關(guān)鍵因素

5 解決措施

通過使用金剛砂研磨電極，提高了電極的平面度，避免了封蓋過程中引入扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。電極修復(fù)完成后，加工數(shù)百只產(chǎn)品經(jīng)過儲(chǔ)能焊密封、溫度循環(huán)試驗(yàn)、恒定加速試驗(yàn)，再進(jìn)行超聲掃描觀察，沒有再產(chǎn)生空洞。分別對(duì)電極修復(fù)前密封的成品和電極修復(fù)后的成品進(jìn)行截面SEM分析，如圖5所示?？梢杂^察到使用未經(jīng)修復(fù)電極密封經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后的成品界面可觀察到孔洞、裂紋。如圖6所示，使用修復(fù)后的電極密封經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后的成品界面平整，使用500μm分辨率觀察，無可見空洞和空隙。

圖5 未經(jīng)修復(fù)電極密封后成品截面SEM分析

圖6 電極修復(fù)后成品截面SEM分析

6 結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能焊密封工藝是混合電路封蓋方法中一種常用的工藝。然而以前的研究和試驗(yàn)并沒有注意到儲(chǔ)能焊封蓋過程中電極的平整度會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，進(jìn)而可能造成電路基體形變，再加上試驗(yàn)中的濕熱和機(jī)械應(yīng)力影響，便容易導(dǎo)致基體上膠體粘接斷裂或其他失效情況，影響電路的質(zhì)量和可靠性。通過對(duì)這一失效情況進(jìn)行排查、定位與解決，一種用于混合電路儲(chǔ)能焊密封工藝造成混合電路失效的典型故障的新模型就從而建立起來，在未來的科研與生產(chǎn)中會(huì)對(duì)提升產(chǎn)品可靠性大有助益。