醫(yī)用設(shè)備用各向同性導(dǎo)電膠的研究

馬興華 岳立 孫尹晏

摘要：在粘接固化過程中，在界面處出現(xiàn)原子能級現(xiàn)象和器件老化過程是文章的主要焦點(diǎn)之一。討論了組裝過程的基本原子和分子水平機(jī)理以及材料化學(xué)對電阻穩(wěn)定性的影響。該機(jī)制包括在粘合劑固化過程中導(dǎo)電路徑形成在粘合劑和金墊界面上以及界面在老化過程中是如何演變的。還討論了可能影響電阻不穩(wěn)定性的粘合劑配方中的成分，以及穩(wěn)定電阻的溶液空間。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用設(shè)備;同向?qū)щ娬澈蟿?臨界電性能;原子能級現(xiàn)象;器件老化過程

中圖分類號：TN405 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0016-04

1緒論

1.1ECA分層的影響因素

用于大功率植入式醫(yī)療器械的微電子模塊通常是雙面的，以節(jié)省空間。一方面，所有的電子元件都是通過模壓連接和電線連接到印刷電路板（PCB）上，然后所有的元件都是用環(huán)氧樹脂模塑化合物轉(zhuǎn)移模塑的。本文將此工藝稱為印制線路板（PWB）組裝工藝。PWB組裝過程依次包括以下過程步驟：模具連接（DA）粘合劑分配、模具拾取和放置、粘合劑固化、線粘合（WB）、轉(zhuǎn)移模塑和轉(zhuǎn)移后模具固化（PMC）。另一方面，許多電子元件采用標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝技術(shù)（SMT）焊接在同一塊PCB板上。此過程稱為DCA組裝過程，包括以下步驟：錫膏印刷、元件拾取和放置、焊料回流、底充（UF）分配、底充固化和焊劑殘留清洗。設(shè)計(jì)的微電子模塊如圖1所示。

由于PCB的兩側(cè)具有諸如銅跡線和阻焊開口的設(shè)計(jì)特征，所以它們相互作用并增加PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。相互作用的主要問題之一是芯片附著膠和線焊墊脫層。

1.2成型應(yīng)力與分層機(jī)理

在模壓和環(huán)氧模塑復(fù)合材料（EMC）注塑過程中，構(gòu)件受到各種機(jī)械應(yīng)力。這些應(yīng)力可以影響硅骰子和用于連接骰子到PCB的芯片連接粘合劑。如果在傳遞模塑過程中施加的應(yīng)力分布超過了模具附著粘接強(qiáng)度（或連接界面）的分布，則可以在整個或部分發(fā)生模具附著分層。這種現(xiàn)象已經(jīng)在不同的PCB設(shè)計(jì)上被觀察到，并且可以通過PCB設(shè)計(jì)和模塑工藝變化成功地減輕，如下面更詳細(xì)地描述的。到目前為止，這種現(xiàn)象僅在一些與導(dǎo)電芯片粘接粘接的骰子上觀察到。用于檢測芯片附著分層的主要度量是聲學(xué)成像，通過橫截面增強(qiáng)以積極識別界面。

在開發(fā)過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并觀察到幾種模連接脫層引發(fā)劑。這些包括布局＼拓?fù)浣换?，?yīng)力誘發(fā)過程偏移，以及表面質(zhì)量問題傳人的材料。

2實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)移模具工藝參數(shù)對DA和WB焊盤分層的影響。表1列出了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)移模具參數(shù)及其范圍。

第1組正交試驗(yàn)（DOE）以確定上述4個轉(zhuǎn)移模參數(shù)中的重要參數(shù)。在研究范圍內(nèi)，只有傳遞壓力和溫度是顯著的，其他兩個參數(shù)不顯著。在MSL2a標(biāo)準(zhǔn)濕度條件（60℃/60%RH）下浸泡模壓試樣120h，然后通過回流/UF固化熱剖面轉(zhuǎn)移試樣，測量DA和WB襯墊脫層數(shù)。請注意，跳過了PMC以使轉(zhuǎn)移模具的效果顯著。圖2顯示，較高的模具壓力和溫度導(dǎo)致更多的DA和WB焊盤分層。通過上述有限元建模，很好地解釋了模具壓力的影響。溫度效應(yīng)似乎與CTE失配有關(guān)。較高的模具溫度可能會導(dǎo)致在轉(zhuǎn)移模、回流焊和超濾固化過程中出現(xiàn)較高的CTE失配。

第2組DOE被用來研究水分與轉(zhuǎn)移模條件相互作用對DA和WB襯墊分層的影響。注：除了控制段外，出于與上一個DOE中所述相同的目的，跳過了PMC。在60℃/60%RH濕度下，將模壓樣品分別浸泡在4個不同的浸泡時(shí)間：0h、20h、40h和120h。然后，樣品通過回流/UF固化爐，僅進(jìn)行熱暴露，最后檢查是否有分層。分別對U31WB和U32DA進(jìn)行分層計(jì)數(shù)。

雖然優(yōu)化幾何設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)可以減少分層，選擇正確的模具連接ECA同樣重要的是，以盡量減少分層問題。5個商業(yè)可用的模具附著粘合劑選擇粘合劑脫膠評價(jià)。2種類型的測試車輛（TV1和TV2）是使用5種粘合劑中的每一種來構(gòu)建的。TV1是在模具壓力（6kN）和夾緊力（33kN）的名義設(shè)定下用優(yōu)化設(shè)計(jì)的PCB i建立的，其溫度為175%。TV2是在模具壓力（10kN）和夾緊力（390kN）的極端設(shè)定下用優(yōu)化設(shè)計(jì)的PCB II建立的，具有175℃的成型溫度。使用極端成型條件的目的是觀察每種粘合劑在粘合粘合界面上對不同應(yīng)力水平的敏感程度。

3電氣性能研究

醫(yī)療設(shè)備中使用的導(dǎo)電粘合劑起到電氣互連的作用，以實(shí)現(xiàn)器件輸出。在圖3中，場效應(yīng)晶體管（FET）的背面是FET的漏極，其使用ECA連接到芯片附著金屬墊上。FET的源極和柵極被引線鍵合到同一電路板上的其它金屬焊盤上。為了使整個器件正常工作，當(dāng)澆口接通時(shí)，模具連接金屬墊到源的總電阻需要在毫歐姆范圍內(nèi)，老化之前和之后的電阻變化需要小于0.5mΩ。

在研究過程中，觀察到一些設(shè)備在老化和電流浪涌期間有一個異常的電阻變化，如圖4（a）所示。顯示出兩種趨勢。一是老化過程增加了電阻，電流浪涌降低了電阻。另一種是隨著老化周期數(shù)的增加，老化引起的電阻的大小不斷減小。對于通過單元，擴(kuò)展老化過程實(shí)際上導(dǎo)致電阻降低，如圖4（b）所示。

為了理解這種現(xiàn)象背后的基本機(jī)制，第1步是確定問題源在哪里。從芯片連接金屬墊到FET源，有7個可能的位置。它們是模具連接金屬墊本身，模具連接金屬墊到ECA，ECA本身，ECA到模具接口，模具本身，芯片到導(dǎo)線接合，以及導(dǎo)線本身之間的接口。密集失效分析（FA）進(jìn)行，結(jié)果指向一個位置，這是模具附加金屬墊到ECA接口。

第1步是仔細(xì)檢查模具連接金屬墊到ECA接口的細(xì)節(jié)。用掃描電子顯微鏡（SEM）研究老化后的界面完整性。在銅與鎳、鎳到鈀、金與ECA之間的任何界面上沒有觀察到微觀分層。未發(fā)現(xiàn)其他異常。

接下來放大鈀到金和金到ECA的界面。對通過單元和失敗單元進(jìn)行了比較研究。界面形貌的掃描電鏡照片如圖5所示。通過單元和失效單元的Ni-Pd界面和Pd-Au界面無明顯差異，金屬界面未見異常。在金與ECA界面上，通過單元和不通過單元有兩個區(qū)別。一是，在通過單元中觀察到的未知層比在未通過單元中觀察到的要頻繁得多。另一種情況，如圖5（B）所示，通過單元的未知層通常光滑均勻，而未通過單元的未知層中通常有空洞狀小黑點(diǎn)。

圖6（A）和（B）所示的800萬和1500倍放大率的SEM圖像為金—銀合金層的形成提供了線索。這一發(fā)現(xiàn)從根本上揭示了在ECA中金墊和銀片之間的界面導(dǎo)電通路的建立機(jī)制。ECA中的銀片與金成品金屬焊盤之間的導(dǎo)電路徑是5（B）所示，銀一金界面擴(kuò)散至少涉及表面擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。擴(kuò)散主要發(fā)生在模具粘接固化和隨后的高溫工藝步驟，如轉(zhuǎn)移模具（TM），模具后固化（PMC），焊料回流，底部填充固化（UC），老化過程。這種類型的擴(kuò)散是通過增加溫度而積累和增強(qiáng)的。

四硫化硅烷在橡膠硫化中有著廣泛的應(yīng)用，在ECA中使用這種物質(zhì)以改善ECA和金表面之間的粘附性。一種典型的四硫化硅烷分子式如圖7所示，描述了它作為粘附偶聯(lián)劑的作用。硫化硅烷分子中的聚硫鍵在加熱到高溫時(shí)斷裂并釋放出硫原子。x的數(shù)目越高，破壞多硫化物鍵所需的溫度越低。剩余的烷氧基硅烷基硫醚通過硫原子與金、銀表面的配位作用附著在金表面，起到粘附偶聯(lián)劑的作用。釋放出的原子級硫具有很強(qiáng)的反應(yīng)性，能迅速與銀原子反應(yīng)生成硫化銀。硫化銀的電阻率為0.1～10Ω/m，比純銀的電阻率1.8x10^-8Ω/m高8個數(shù)量級。

圖8中示出了相分離背后的機(jī)制。在聚合開始時(shí)，ECA配方中的所有分子均分布均勻。隨著聚合反應(yīng)的發(fā)展，分子鏈發(fā)生了二次結(jié)構(gòu)（共形結(jié)構(gòu)），并開始排斥硫化物硅烷分子。聚合物鏈的連續(xù)生長和增殖最終形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，許多硫化物硅烷分子被排除在非聚合結(jié)構(gòu)域如金表面和銀粒子表面。由于硫化物分子排斥過程受到熱力學(xué)和動力學(xué)因素的影響，在交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)中，少量的硫化物硅烷分子被捕獲，特別是在固化過程快速時(shí)。

4結(jié)語

有限元分析被認(rèn)為是研究分層機(jī)制的有用工具。它能夠演示在PCB的相對側(cè)上的表面特征如何可能導(dǎo)致芯片附著應(yīng)力和分層。FEA模型是預(yù)測的，并且可以通過聲學(xué)成像和破壞性測試結(jié)果來驗(yàn)證分層區(qū)域。最后，該模型可以用來測試潛在的設(shè)計(jì)變化，旨在減少或消除分層。實(shí)驗(yàn)研究表明，模具壓力和溫度越高，DA和WB焊盤脫層越多。模具壓力的影響與有限元模擬預(yù)測符合得很好。隨著水分含量的增加，這一趨勢更加明顯。因此建議使用較低的模具溫度和壓力來降低分層速率。導(dǎo)電路徑是通過銀和金的表面和晶界擴(kuò)散在ECA固化和隨后的工藝步驟中隨著溫度升高而產(chǎn)生的。銀在金上的擴(kuò)散是一個累加過程。在ECA配方中經(jīng)常使用硫化物硅烷偶聯(lián)劑，以增加ECA與金表面之間的粘合性。硫化硅烷偶聯(lián)劑可在ECA固化過程中釋放硫原子，硫原子與銀反應(yīng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定的ECM金界面電阻問題。為了達(dá)到固化ECA的穩(wěn)定的電氣性能，需要嚴(yán)格控制硫化硅烷的加入濃度、進(jìn)入的硫化物硅烷的質(zhì)量和固化粘合劑的固化動力學(xué)。