電子互連導(dǎo)電膠的力學(xué)性能及膠連點(diǎn)跌落沖擊行為

熊 蘅，馬宇宏，司博文，肖革勝，樹學(xué)峰

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所, 山西 太原 030024）

電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化使得電子互連材料由傳統(tǒng)的錫鉛焊料逐漸向無(wú)鉛焊料和導(dǎo)電膠轉(zhuǎn)變[1-3]。導(dǎo)電膠具有工藝溫度低、加工成本低及導(dǎo)電性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，在半導(dǎo)體表面封裝、印刷電路板及壓電陶瓷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于電子產(chǎn)品在其生產(chǎn)運(yùn)輸和日常使用過程中易受到跌落沖擊載荷作用[6]，而跌落過程中封裝芯片與基板之間的細(xì)小互連點(diǎn)是最容易失效破壞的關(guān)鍵部位，因此有必要開展導(dǎo)電膠互連點(diǎn)的跌落沖擊力學(xué)響應(yīng)研究。

目前，已有諸多學(xué)者通過改變膠體基體、固化劑、導(dǎo)電填料的類型等對(duì)導(dǎo)電膠的性能進(jìn)行了多方面的優(yōu)化[7-10]。Zhan 等[8]基于自燒結(jié)銀微粉框架研究了其在低溫固化導(dǎo)電膠中的應(yīng)用，結(jié)果表明，應(yīng)用表面改性銀粉作為導(dǎo)電填料在較低溫度下具有良好的導(dǎo)電性與黏合強(qiáng)度；Springer 等[10]通過動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀對(duì)5 種不同導(dǎo)電膠進(jìn)行了黏彈性材料的表征測(cè)試，獲得了相關(guān)材料參數(shù)，并采用廣義麥克斯韋模型描述了導(dǎo)電膠的黏彈性行為。此外，對(duì)于電子封裝結(jié)構(gòu)跌落沖擊時(shí)互連點(diǎn)的研究多集中于無(wú)鉛焊點(diǎn)[11-14]。楊雪霞等[11]分析了3 種不同形狀無(wú)鉛互連焊點(diǎn)對(duì)球柵陣列封裝板級(jí)封裝跌落沖擊載荷下可靠性的影響，結(jié)果表明，沙漏形焊點(diǎn)具有相對(duì)較好的抗跌落沖擊性能；He 等[13]建立了基于位錯(cuò)密度的無(wú)鉛焊點(diǎn)在跌落沖擊下的黏塑性本構(gòu)模型，并對(duì)焊點(diǎn)的黏塑性變形進(jìn)行了數(shù)值模擬；Long 等[14]采用分離式霍普金森壓桿研究了SAC305 無(wú)鉛焊料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)行為，用應(yīng)變率相關(guān)的Johnson-Cook 模型對(duì)其動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了描述。目前關(guān)于較高應(yīng)變率下導(dǎo)電膠動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的測(cè)試表征以及封裝結(jié)構(gòu)跌落沖擊下膠連點(diǎn)動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的研究較少。

本研究將對(duì)不同應(yīng)變率下電子封裝中典型各向同性導(dǎo)電膠（isotropic conductive adhesive，ICA）的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，從而獲得其應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系。鑒于實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)及其使用工況的復(fù)雜性，進(jìn)一步通過數(shù)值模擬研究導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)的跌落沖擊力學(xué)行為，對(duì)導(dǎo)電膠互連點(diǎn)在同一高度不同角度、不同高度同一角度跌落沖擊下的可靠性進(jìn)行分析，研究結(jié)果對(duì)于膠連電子器件封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及提高其跌落工況下的服役可靠性具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣制備

本實(shí)驗(yàn)所用材料為上海安巔新材料科技有限公司加工的AS-6509B 導(dǎo)電銀膠（銀含量為60%）。該導(dǎo)電銀膠為環(huán)氧樹脂基、120 ℃中溫固化ICA，產(chǎn)品無(wú)溶劑，可以很大程度上減少在固化過程中產(chǎn)生的孔洞數(shù)量，主要成分有導(dǎo)電銀粉、環(huán)氧樹脂、樹脂固化劑（酸酐類）、偶聯(lián)劑等。

試樣制備前，將導(dǎo)電銀膠從低溫恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)取出，靜置于室溫中解凍0.5 h。同時(shí)，預(yù)熱高溫恒溫試驗(yàn)箱，以減緩實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)氧樹脂與固化劑之間的反應(yīng)。使用 ?4.5 mm 的醫(yī)用注射器將導(dǎo)電膠注入?5 mm 的耐高溫塑料軟管中，靜置2～3 min 后將其放入高溫恒溫試驗(yàn)箱中；試樣在120 ℃恒溫試驗(yàn)箱中固化2 h 后自然冷卻；將固化后的導(dǎo)電銀膠試樣從試管中取出，進(jìn)行打磨拋光處理，得到尺寸為 ?5 mm ×5 mm 的圓柱體試樣。圖1 為固化后的導(dǎo)電膠試樣和掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）下的微觀表面形貌。

圖1 各向同性固化導(dǎo)電膠試樣(a)及其SEM 圖像(b)Fig. 1 Test sample (a) and SEM image (b) of cured ICA

1.2 固化導(dǎo)電膠的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（ETM105D）對(duì)固化導(dǎo)電膠試樣進(jìn)行兩種不同應(yīng)變率（0.01 s?1和0.10 s?1）下的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試，每種應(yīng)變率下進(jìn)行3 組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，選取其中1 組代表性結(jié)果用于后續(xù)研究，得到 ICA 的準(zhǔn)靜態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2(a)所示。

圖2 各向同性固化導(dǎo)電膠的準(zhǔn)靜態(tài)(a)和動(dòng)態(tài)(b)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Quasi-static (a) and dynamic (b) true stress-strain curves of cured ICA

采用分離式霍普金森壓桿裝置[15]對(duì)固化導(dǎo)電膠進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試，應(yīng)變率控制在1 000～3 500 s?1范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，每組應(yīng)變率下進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，選取其中一組代表性結(jié)果用于后續(xù)研究，得到了3 種動(dòng)態(tài)應(yīng)變率下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2(b)所示。應(yīng)用文獻(xiàn)[16]中的方法確定相應(yīng)的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，具體結(jié)果見表1。

表1 不同應(yīng)變率下固化導(dǎo)電膠的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度Table 1 Dynamic yield strength of cured ICA at different strain rates

2 跌落沖擊數(shù)值模擬

2.1 有限元模型和材料屬性

參照J(rèn)ESD22-B111 標(biāo)準(zhǔn)[17]，建立了導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)自由跌落模型。只考慮在印制電路板（printed-circuit board，PCB）中心位置安裝一塊封裝件，然后通過4 個(gè)M3 螺柱固定在剛性基座上[18]，如圖3(a)所示。PCB 板距離基座10 mm，基座下面是撞擊平臺(tái)。封裝結(jié)構(gòu)模型從上到下分別為PCB 板、銅盤、導(dǎo)電膠膠連點(diǎn)、銅墊、基板、芯片和封裝樹脂，如圖3(b)、圖3(c)所示。PCB 板為132 mm×77 mm×1 mm 的均質(zhì)板，共有49 個(gè)膠連點(diǎn)，相鄰膠連點(diǎn)間距為1.27 mm，膠連點(diǎn)為直徑0.56 mm、高度0.58 mm的圓柱體；芯片為5.08 mm×5.08 mm×0.25 mm 的正方形薄片，基板為10 mm×10 mm×0.26 mm 的均質(zhì)薄板；基板一側(cè)與PCB 板一側(cè)的銅盤均為直徑0.56 mm、高度0.02 mm 的薄片，環(huán)氧樹脂厚度為0.54 mm。

圖3 導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)自由跌落模型Fig. 3 Free drop model of ICA packaging structure

基板、PCB 板屬性為橫觀各向同性[19]，相關(guān)參數(shù)見表2。其中：Ex、Ey、Ez分別為x、y、z方向的彈性模量；Gxz、Gyz、Gxy和γxz、γyz、γxy分別為xz、yz、xy面內(nèi)的剪切模量和泊松比。螺柱、芯片、銅盤、環(huán)氧樹脂均視為線彈性材料，基座與撞擊平臺(tái)均視為剛體，具體參數(shù)見表3[18-19]。其中：E、γ、 ρ分別為材料的彈性模量、泊松比和密度。導(dǎo)電膠的相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)見表4，其中，C和P為材料常數(shù)。

表2 基板和PCB 板的橫觀各向同性參數(shù)Table 2 Transversely isotropic parameters of substrate and PCB board

表3 各材料的力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of materials

表4 ICA 的力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of cured ICA

2.2 載荷條件和跌落工況

在自由跌落碰撞過程中，忽略空氣阻力和摩擦力的影響，只對(duì)模型施加重力，對(duì)撞擊平臺(tái)完全固定約束。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，剛性基座與撞擊平臺(tái)直接接觸，但給模型施加相應(yīng)的初始速度（4.43 m/s），相當(dāng)于從1.0 m 高的地方無(wú)初始速度自由跌落。分析步長(zhǎng)設(shè)置為10 ms。

首先，模擬導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)隨基座在同一高度（重心下降1.0 m）、0°～30°范圍內(nèi)6 個(gè)不同角度跌落工況下膠連點(diǎn)的力學(xué)響應(yīng)；然后，選取同一跌落角度（5°），研究5 種不同高度跌落工況下膠連點(diǎn)的力學(xué)響應(yīng)。除水平跌落外，其他角度均定義為小角度跌落，且同一小角度跌落均有兩種不同跌落方式，一種為基座短邊跌落，另一種為基座長(zhǎng)邊跌落。跌落角度為15°時(shí)兩種不同跌落方式如圖4 所示。

圖4 同一角度兩種跌落方式示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of two drop modes at the same angle

3 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 固化導(dǎo)電膠的應(yīng)變率效應(yīng)及本構(gòu)關(guān)系

由圖2(a) 可知，選取的ICA 在準(zhǔn)靜態(tài)低應(yīng)變率下無(wú)明顯的率效應(yīng)，說明其在準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)具有一定的韌性，同時(shí)可得到固化導(dǎo)電膠的彈性模量和靜態(tài)屈服強(qiáng)度分別為1 630 和130 MPa。由圖2(b) 可知，在動(dòng)態(tài)較高應(yīng)變率下ICA 的率效應(yīng)明顯，整體呈現(xiàn)脆性破壞狀態(tài)，說明在較高應(yīng)變率下表現(xiàn)出了明顯的韌脆轉(zhuǎn)變，且應(yīng)變率越高，破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)叫?。這是因?yàn)楣袒瘜?dǎo)電膠基體是黏性的環(huán)氧樹脂基體，高應(yīng)變率加載下其黏性變形不能充分釋放，導(dǎo)致破壞時(shí)產(chǎn)生了更高的載荷和相應(yīng)更低的應(yīng)變。

為了描述沖擊載荷作用下導(dǎo)電膠膠連點(diǎn)的力學(xué)行為，采用理想塑性模型，選取只考慮應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds 本構(gòu)進(jìn)行理論表征

通過式(2)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)固化導(dǎo)電膠進(jìn)行本構(gòu)參數(shù)擬合，如圖5 所示。通過擬合得到的直線方程求得C和P的具體值。固化導(dǎo)電膠密度為4 050 kg/m3，泊松比設(shè)為0.4[20]，導(dǎo)電膠的相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表4。

圖5 各向同性固化導(dǎo)電膠的本構(gòu)參數(shù)擬合結(jié)果Fig. 5 Constitutive parameters fitting curve of cured ICA

3.2 關(guān)鍵膠連點(diǎn)位置及 z向最大應(yīng)力

關(guān)鍵膠連點(diǎn)是封裝結(jié)構(gòu)所有膠連點(diǎn)中受力變形最大的位置，膠連點(diǎn)受力主要由PCB 板上、下彎曲引起，所以有必要研究PCB 板的彎曲變形。圖6(a)為基座從1.2 m 高度水平跌落后膠連點(diǎn)產(chǎn)生最大z向應(yīng)力時(shí)PCB 板的位移云圖，圖6(b)為基座長(zhǎng)邊5°跌落后膠連點(diǎn)產(chǎn)生最大z向應(yīng)力時(shí)的位移云圖。圖6 中，S為位移，Sz表示z方向的位移。水平跌落時(shí)，由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，PCB 板的彎曲變形呈板中心對(duì)稱，關(guān)鍵膠連點(diǎn)位于封裝件的4 個(gè)邊角處；而小角度跌落時(shí)，PCB 板的彎曲變形則無(wú)法呈板中心對(duì)稱，關(guān)鍵膠連點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在某一單側(cè)的邊角處。因此，本研究中的所有跌落工況，關(guān)鍵膠連點(diǎn)均位于4 個(gè)邊角處的膠連點(diǎn)上。

圖6 PCB 板的z 向位移云圖Fig. 6 z-axis displacement contour of PCB board

不同跌落工況下關(guān)鍵膠連點(diǎn)的z向最大應(yīng)力見表5，其中： σ0、 σ1和 σ2分別為水平跌落、基座短邊5°跌落和基座長(zhǎng)邊5°跌落時(shí)的z向最大應(yīng)力， σ11和 σ12則為1.0 m 高度小角度跌落時(shí)基座短邊跌落和基座長(zhǎng)邊跌落時(shí)的z向最大應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)， σ0均為正值， σ2和 σ12均為負(fù)值。 σ0為正值是因?yàn)樗降鋾r(shí)，PCB 板受重力等因素影響向下彎曲的幅度比向上彎曲的幅度大，所以關(guān)鍵膠連點(diǎn)受拉應(yīng)力更大；而 σ2和 σ12為負(fù)值則是因?yàn)榛L(zhǎng)邊跌落時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的兩次碰撞會(huì)使PCB 板形成如圖6(b)所示的彎曲變形，一側(cè)向上凸起，另一側(cè)向下凹陷，從而導(dǎo)致膠連點(diǎn)處受到更大的壓應(yīng)力。

表5 不同跌落工況下的 z向最大應(yīng)力Table 5 Maximum z-axis stress under different drop conditions

3.3 不同跌落角度下的應(yīng)力、應(yīng)變分析

圖7 給出了導(dǎo)電膠封裝結(jié)構(gòu)隨基座在1.0 m 高度、不同角度跌落時(shí)，關(guān)鍵膠連點(diǎn)的最大等效應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變（PEEQ）。水平跌落時(shí)，最大等效應(yīng)力為128.7 MPa，導(dǎo)電膠未發(fā)生屈服，無(wú)相應(yīng)的塑性應(yīng)變；基座長(zhǎng)邊跌落角度為5°、20°時(shí)，關(guān)鍵膠連點(diǎn)處的受力變形較大，說明這兩種跌落工況下PCB 板發(fā)生的變形相對(duì)其他工況更加劇烈；基座長(zhǎng)邊跌落角度為25°、30°時(shí)，其最大等效應(yīng)力均小于水平跌落下的等效應(yīng)力，且未發(fā)生塑性變形，因?yàn)檫@兩個(gè)角度跌落時(shí)，碰撞后的動(dòng)能大多用于結(jié)構(gòu)的整體旋轉(zhuǎn)，而不是使PCB 板發(fā)生彎曲變形，所以相應(yīng)膠連點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變不大。

圖7 不同跌落角度下的最大等效應(yīng)力(a)和最大等效塑性應(yīng)變(b)Fig. 7 The maximum Mises stress (a) and maximum PEEQ (b) at different drop angles

從圖7 可以看出：對(duì)比水平跌落，基座短邊跌落時(shí)，5°、10°和15°跌落產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變均更高；基座長(zhǎng)邊跌落時(shí)，5°、15°和20°跌落產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變也比水平跌落時(shí)大。這說明對(duì)導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)而言，水平跌落并不是最危險(xiǎn)的工況，小角度跌落時(shí)相對(duì)更加危險(xiǎn)。

3.4 不同跌落高度下的應(yīng)力、應(yīng)變分析

為了驗(yàn)證小角度跌落時(shí)其他跌落高度下關(guān)鍵膠連點(diǎn)是否更容易被破壞，特選取5 種不同跌落高度，研究水平與5°跌落時(shí)關(guān)鍵膠連點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變的最大值，如圖8 所示。水平跌落時(shí)，隨著高度的增加，應(yīng)力基本呈線性上升，而應(yīng)變則在后期上升相對(duì)較快；水平跌落時(shí)，撞擊后PCB 板的彎曲變形模式為上下周期振動(dòng)，跌落高度越大，則碰撞后PCB 板的彎曲程度更大，膠連點(diǎn)受力變形也就越大?；踢叺浣嵌葹?°時(shí)，不同跌落高度下的最大等效應(yīng)力均大于水平跌落時(shí)，但在1.8 m 跌落高度下，最大PEEQ 反而比水平情況下低，這是由于水平跌落時(shí)，PCB 板周期振動(dòng)過程中多次導(dǎo)致導(dǎo)電膠發(fā)生屈服，累積的應(yīng)變更高。

圖8 不同跌落高度下的最大等效應(yīng)力(a)和最大等效塑性應(yīng)變(b)Fig. 8 The maximum Mises stress (a) and maximum PEEQ (b) at different drop heights

當(dāng)基座長(zhǎng)邊跌落角度為5°時(shí)，不同跌落高度下的最大等效應(yīng)力和PEEQ 均大于水平跌落和基座短邊跌落角度為5°時(shí)，說明這3 種跌落工況中基座長(zhǎng)邊跌落最危險(xiǎn)。值得注意的是，基座長(zhǎng)邊跌落角度為5°時(shí)，跌落高度為1.0 m 下的最大等效應(yīng)力和PEEQ 比跌落高度為1.2 、1.5 m 下更大，這是因?yàn)榈涓叨葹?.0 m 時(shí)的第2 次碰撞時(shí)間滯后于另外兩種，使得PCB 板在第1 次和第2 次碰撞時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力波協(xié)同作用，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)鍵膠連點(diǎn)產(chǎn)生了更大的應(yīng)力。

4 結(jié) 論

在動(dòng)態(tài)較高應(yīng)變率下固化導(dǎo)電膠呈現(xiàn)脆性破壞狀態(tài)，其動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和應(yīng)變具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。導(dǎo)電膠互連封裝結(jié)構(gòu)跌落沖擊時(shí)，關(guān)鍵膠連點(diǎn)出現(xiàn)在4 個(gè)邊角處，同時(shí)小角度跌落比水平跌落更容易導(dǎo)致膠連點(diǎn)發(fā)生破壞。通過分析不同跌落高度下關(guān)鍵膠連點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，可以判斷出小角度跌落時(shí)基座長(zhǎng)邊跌落方式更危險(xiǎn)。