導(dǎo)電膠粘接可伐載板工藝的仿真與優(yōu)化

蔣苗苗， 李陽(yáng)陽(yáng)， 朱晨俊， 趙鳴霄

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 成都 610036）

1 引言

導(dǎo)電膠作為一種取代傳統(tǒng)錫鉛焊料的綠色環(huán)保材料[1-2]，其互連工藝具有互連間距小、操作簡(jiǎn)單、固化溫度低、可返修、不需要助焊劑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于混合集成電路等微電子封裝領(lǐng)域[3-5]。 隨著導(dǎo)電膠應(yīng)用的進(jìn)一步深入，其使用環(huán)境也愈發(fā)苛刻，從而對(duì)導(dǎo)電膠的粘接可靠性提出了更高要求， 尤其是在溫度、濕度等環(huán)境應(yīng)力下[6-7]。 因此，很有必要對(duì)導(dǎo)電膠粘接工藝進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高其粘接可靠性。

2 導(dǎo)電膠互連失效

環(huán)境試驗(yàn)后對(duì)某種已封蓋的微波組件進(jìn)行X 光檢查， 發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部一種采用H20E 型導(dǎo)電膠粘接的混頻模塊已移位，如圖1 所示，電性能測(cè)試無(wú)輸出。 隨后進(jìn)行開蓋檢查，確認(rèn)故障產(chǎn)品中混頻模塊已脫落。 此混頻模塊實(shí)物如圖2 所示，由可伐載板4J34 和粘接在其表面的4 個(gè)芯片組成， 其粘接腔體材料為L(zhǎng)D31 鋁合金。

圖1 X 光檢查圖片

圖2 混頻模塊的構(gòu)成

與其他產(chǎn)品相比，此種微波組件的環(huán)境試驗(yàn)條件相對(duì)苛刻， 且粘接腔體LD31 與可伐載板間熱膨脹系數(shù)差異較大，常規(guī)的粘接工藝已無(wú)法滿足此種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

本文將對(duì)經(jīng)過(guò)不同溫度范圍溫度試驗(yàn)后不同尺寸可伐載板與導(dǎo)電膠粘接界面處的應(yīng)力分布進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后再在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出可伐載板粘接工藝的優(yōu)化方法，對(duì)于提高可伐載板粘接工藝的可靠性具有較高的實(shí)用價(jià)值，并為兩種熱失配材料的粘接提供了參考。

3 仿真分析

本文以采用H20E 型導(dǎo)電膠在鋁合金LD31 腔體上粘接可伐合金4J34 載板作為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ANSYS 建立4 種尺寸可伐載板的粘接仿真模型，對(duì)不同尺寸載板與膠體粘接界面處因材料熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布進(jìn)行仿真研究。 仿真模型如圖3 所示， 模型中4 種尺寸可伐載板分別是邊長(zhǎng)為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm 的正方形， 粘接膠層厚度設(shè)定為50 μm，模型尺寸參數(shù)如表1 所示，模型材料性能參數(shù)如表2 所示。 為提高計(jì)算效率， 對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：1）因載板形狀高度對(duì)稱，這里取1/4 的對(duì)稱模型進(jìn)行分析研究；2）將粘接空洞等缺陷考慮進(jìn)模型會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分無(wú)法進(jìn)行，因此模型中認(rèn)為粘接工藝良好，忽略膠層中空洞等缺陷；3）假定溫度變化時(shí)，模型整體溫度分布均勻。

圖3 仿真模型

表1 模型尺寸參數(shù)

表2 模型材料參數(shù)

采用靜力學(xué)對(duì)模型經(jīng)過(guò)一定范圍的溫度變化后，在低溫狀態(tài)下4 種尺寸載板與膠體粘接界面處的應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真。 經(jīng)過(guò)-55～125 ℃溫度變化后剪應(yīng)力仿真結(jié)果如圖4 所示，4 種尺寸可伐載板粘接面處應(yīng)力分布情況大致保持一致，均為從中間位置到邊緣逐漸增大，邊緣區(qū)域應(yīng)力最大。 這也表明粘接面邊緣區(qū)域最容易出現(xiàn)裂縫和分層。

圖5 中給出了4 種尺寸可伐載板經(jīng)過(guò)-55～125 ℃或-65～150 ℃溫度變化后沿對(duì)角線方向的剪應(yīng)力分布曲線。 相比-55～125 ℃溫度變化，經(jīng)過(guò)-65～150 ℃溫度變化后載板粘接面處具有更大的應(yīng)力值，這也表明經(jīng)過(guò)更大范圍溫度變化后更容易出現(xiàn)載板粘接失效。 沿對(duì)角線方向載板粘接面剪應(yīng)力值隨著離載板中心的距離增加而單調(diào)遞增，在離載板中心最遠(yuǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力最大值。 不同溫度范圍下不同尺寸載板在對(duì)角線方向的應(yīng)力最大值仿真結(jié)果如表3 所示，總體來(lái)說(shuō)，溫度變化范圍及載板尺寸越大，沿對(duì)角線方向的最大應(yīng)力值也就越大。

圖4 4 種尺寸可伐載板與導(dǎo)電膠粘接界面處剪應(yīng)力云圖

圖5 4 種可伐載板對(duì)角線方向剪應(yīng)力分布曲線

表3 對(duì)角線方向最大應(yīng)力值（單位/MPa）

通過(guò)以上仿真分析可知， 若采用H20E 型導(dǎo)電膠粘接熱失配較嚴(yán)重的鋁盒體和可伐載板，載板尺寸一定時(shí)，溫度變化范圍越大，載板粘接面處應(yīng)力越大，也就越容易發(fā)生開裂、分層。另外，溫度變化范圍一定時(shí)，載板尺寸越大，粘接面邊緣應(yīng)力值越大，越容易發(fā)生粘接失效。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)ANSYS 仿真軟件的分析結(jié)果， 在確保單一變量的前提下設(shè)計(jì)2 組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 采用H20E 型導(dǎo)電膠分別在2 塊鍍金LD31 鋁板(長(zhǎng)100 mm，寬60 mm，厚6 mm)上粘接邊長(zhǎng)分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm 4 種尺寸0.8 mm 厚的正方形鍍金可伐合金4J34 載板，試驗(yàn)樣件實(shí)物圖如圖6 所示。 粘接完成后再分別進(jìn)行-55～125 ℃和-65～150 ℃溫度范圍的溫度循環(huán)試驗(yàn)， 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件見表4。 最后再通過(guò)Dage4000 型推力測(cè)試儀(推力極限值為100 kg)對(duì)樣件進(jìn)行破壞性剪切力測(cè)試，以此評(píng)價(jià)載板的粘接可靠性。

圖6 粘接樣件實(shí)物圖

表4 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

圖7 中給出了溫度循環(huán)試驗(yàn)前后4 種尺寸可伐載板的剪切力測(cè)試結(jié)果。 溫循后載板剪切力均會(huì)大幅下降， 這是由于鋁板和可伐載板熱膨脹系數(shù)差異較大，環(huán)境溫度變化時(shí)兩者形變不匹配，就會(huì)在粘接界面處產(chǎn)生較大應(yīng)力，而H20E 型導(dǎo)電膠楊氏模量較大，在應(yīng)力作用下其應(yīng)變較小，從而在粘接界面處出現(xiàn)裂紋等缺陷，導(dǎo)致載板整體粘接強(qiáng)度下降。相比-55～125 ℃溫循，經(jīng)過(guò)-65～150 ℃溫循后載板剪切力更低，與前面仿真結(jié)果相吻合， 這是由于經(jīng)過(guò)-65～150 ℃溫循后載板粘接面處應(yīng)力更大，界面處裂紋等缺陷更多，從而更容易出現(xiàn)失效。

圖7 溫循前后不同尺寸載板剪切力值

4.2 工藝優(yōu)化

產(chǎn)品在裝配及使用過(guò)程中所受應(yīng)力情況極為復(fù)雜， 為進(jìn)一步提高可伐載板在鋁盒體上的粘接可靠性， 擬采取以下3 種方法對(duì)可伐載板粘接工藝進(jìn)行優(yōu)化：1）H20E 型導(dǎo)電膠粘接載板后， 載板四周再添加UHU-Plus 型環(huán)氧絕緣膠進(jìn)行加固；2） 采用8050 型柔性導(dǎo)電膠粘接；3）8050 型導(dǎo)電膠粘接載板后， 載板四周再添加UHU-Plus 型環(huán)氧絕緣膠進(jìn)行加固。 試驗(yàn)材料同上， 粘接完成后先按表4 中溫循1 試驗(yàn)條件進(jìn)行-55～125 ℃溫循試驗(yàn)， 再按照表5 試驗(yàn)條件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。 最后同樣對(duì)樣件進(jìn)行破壞性剪切力測(cè)試，以此評(píng)價(jià)載板的粘接可靠性。

表5 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖8 中給出了環(huán)境試驗(yàn)前及經(jīng)過(guò)溫循、 隨機(jī)振動(dòng)兩種環(huán)境試驗(yàn)后不同粘接工藝下載板的剪切力測(cè)試結(jié)果。 可以明顯看出，對(duì)于5 mm 及以下載板的粘接，H20E+絕緣膠的粘接方式最優(yōu)，而對(duì)于5 mm 以上載板的粘接，8050+絕緣膠的粘接方式最優(yōu)。 采用H20E粘接時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)后載板粘接強(qiáng)度會(huì)大幅下降，但通過(guò)絕緣膠加固可大幅提高環(huán)境試驗(yàn)后的載板粘接強(qiáng)度。 采用8050 粘接時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)前載板粘接強(qiáng)度明顯低于H20E，但其粘接強(qiáng)度在環(huán)境試驗(yàn)前后比較穩(wěn)定，這是由于8050 導(dǎo)電膠是一款柔性膠， 楊氏模量較低，其本身粘接強(qiáng)度比較低， 溫度試驗(yàn)中易發(fā)生形變，不會(huì)因應(yīng)力聚集形成微裂紋而降低本身強(qiáng)度。采用8050粘接的載板，同樣可通過(guò)絕緣膠加固的方式提高其粘接強(qiáng)度。 但8050 膠及UHU-Plus 型環(huán)氧絕緣膠粘度較大，對(duì)于小面積粘接操作較為困難，因此，對(duì)于單邊尺寸小于3 mm 的載板仍優(yōu)先考慮采用H20E 粘接。

綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果及可操作性，建議鋁腔體上可伐載板粘接工藝優(yōu)化如下：1）3 mm 及以下的載板采用H20E 粘接；2）3～5 mm 之間的載板可通過(guò)H20E +絕緣膠的方式粘接；3）5 mm 及以上的載板均采用8050 粘接，且盡可能添加絕緣膠加固。 從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，文中所述單邊最大尺寸為3.2 mm 的混頻模塊，采取H20E+絕緣膠的方式粘接后， 環(huán)境試驗(yàn)后粘接強(qiáng)度提高了約3 倍，粘接可靠性大幅提高。

圖8 環(huán)境試驗(yàn)前后不同粘接工藝下載板的剪切力值

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，對(duì)可伐載板在LD31 鋁合金基體上的粘接工藝進(jìn)行了研究。得出結(jié)論如下：溫循范圍及載板尺寸越大，載板粘接界面邊緣處應(yīng)力越大， 可伐載板的粘接可靠性越差。采用環(huán)氧絕緣膠加固或柔性導(dǎo)電膠粘接的方式對(duì)可伐載板粘接工藝進(jìn)行優(yōu)化可提高粘接可靠性。