基于有限元建模研究導(dǎo)電膠熱固多工況分析

方楚

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230031）

1 引言

導(dǎo)電膠的微小裂縫在熱或沖擊應(yīng)力的作用下將不斷擴(kuò)展并延伸至界面或膠體內(nèi)部分層，最后導(dǎo)致粘接電阻增加甚至斷路。裂紋的形成有以下途徑：

（1）導(dǎo)電膠與金層、陶瓷基板間材料熱膨脹系數(shù)的差異使其在溫變應(yīng)力下形變程度不一，熱機(jī)械疲勞界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力并沿界面擴(kuò)展，產(chǎn)生粘接膠裂縫或分層；

（2）低溫時(shí)導(dǎo)電膠的脆性導(dǎo)致裂縫的形成；

（3）粘接時(shí)導(dǎo)電膠與基板界面存在氣泡，這種缺陷不但會(huì)減少接觸面積，而且有助于裂紋的萌生和傳播；

（4）工藝缺陷導(dǎo)致的導(dǎo)電膠體內(nèi)裂紋擴(kuò)展到界面；

（5）膠層中存有少量空氣，這些空氣在受到熱時(shí)會(huì)持續(xù)膨脹，相近的氣泡甚至出現(xiàn)貫通，造成膠層出現(xiàn)孔洞，破壞導(dǎo)電通路，電阻增大。

目前鮮有研究通過(guò)開(kāi)展有限元建模分析導(dǎo)電膠在溫度載荷情況下的多工況應(yīng)力失效情況，本文開(kāi)展仿真模擬導(dǎo)電膠本體、基板與導(dǎo)電膠界面、芯片與導(dǎo)電膠界面和芯片本身四個(gè)方面的應(yīng)力水平，可作為初步判斷導(dǎo)電膠在溫度載荷作用下的失效分析手段。

2 建模方案

依據(jù)導(dǎo)電膠的材料參數(shù)構(gòu)型開(kāi)展有限元建模，包括外側(cè)爬高和外側(cè)平整兩方案，各方案均三面溢出，同時(shí)考慮不同厚度的導(dǎo)電膠層（10μm 、20μm、30μm）三類(lèi)模型，模型詳細(xì)如圖1-2。

圖1：導(dǎo)電膠外側(cè)爬高方案的有限元模型

圖2：導(dǎo)電膠外側(cè)平整方案的有限元模型

3 載荷邊界設(shè)定

3.1 推力載荷

依據(jù)目前實(shí)際推力試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)，選擇最小推力11.874kgf 針對(duì)未溢出膠那面開(kāi)展推力試驗(yàn)，刀頭尺寸按2.5mm*0.5mm 開(kāi)展推力載荷分析，評(píng)估推力作用下，導(dǎo)電膠體剪切應(yīng)力、芯片、導(dǎo)電膠與基板以及導(dǎo)電膠與芯片間的界面剪切應(yīng)力。

3.2 溫度載荷

依據(jù)實(shí)際工作溫度循環(huán)的最大溫差，選擇80 度溫差作為工程校核計(jì)算溫度載荷。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 推力載荷計(jì)算結(jié)果

推力分析時(shí)，選擇涂膠的中等厚度20um 開(kāi)展仿真分析，應(yīng)力云圖如圖3-4。

圖3：外側(cè)爬高剪切應(yīng)力云圖

圖4：外側(cè)平整剪切應(yīng)力云圖

根據(jù)上述有限元模擬結(jié)果，提取膠層厚度20μm 時(shí)不同工況下導(dǎo)電膠、芯片和基板本身和相互間的最大應(yīng)力水平，詳細(xì)匯總結(jié)果如表1 所示。

表1：推力載荷下導(dǎo)電膠熱固多工況分析結(jié)果

針對(duì)推力載荷工況，有如下結(jié)論：

（1）外側(cè)爬高的應(yīng)力水平略低于外側(cè)平整，爬高起到剛度加強(qiáng)作用；

（2）導(dǎo)電膠與基板之間的界面應(yīng)力要小于導(dǎo)電膠與芯片之間的界面應(yīng)力；

（3）因?qū)嶋H試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)電膠與基板層之間分離，因此綜合爬高和平整狀態(tài)下提取導(dǎo)電膠與基板界面應(yīng)力最大值中的小值為14.73 兆帕，進(jìn)一步綜合該工況下失效部位應(yīng)力均值為12.49 兆帕，因此，可認(rèn)為導(dǎo)電膠與基板之間的失效應(yīng)力為12.49 兆帕，并將作為導(dǎo)電膠與基板是否分層的評(píng)估判據(jù)；

（4）因?qū)嶋H試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)電膠與芯片層之間未分離，因此綜合爬高和平整狀態(tài)下提取導(dǎo)電膠與基板界面應(yīng)力最大值中的大值為48.18 兆帕，進(jìn)一步綜合該工況下失效部位應(yīng)力均值為42.35 兆帕，因此，可認(rèn)為芯片與導(dǎo)電膠之間失效的界面應(yīng)力應(yīng)大于42.35 兆帕，并將該值作為導(dǎo)電膠與芯片是否分層的評(píng)估判據(jù)；

（5）芯片最大應(yīng)力為271.20 兆帕，經(jīng)查文獻(xiàn)，基礎(chǔ)研磨硅片的抗彎強(qiáng)度為190-280 兆帕[1]，經(jīng)過(guò)一定表面處理其強(qiáng)度最高能達(dá)到500 兆帕[2]，因此可認(rèn)為實(shí)際試驗(yàn)時(shí)芯片安全，未發(fā)生破損。

4.2 溫度載荷計(jì)算結(jié)果

溫度分析時(shí)，選擇涂膠的三種厚度（10μm 、20μm、30μm）開(kāi)展仿真分析，部分應(yīng)力云圖如圖5-6。

圖5：外側(cè)平整、膠層厚度20um 的剪切應(yīng)力云圖

圖6：外側(cè)平整、膠層厚度30um 的剪切應(yīng)力云圖

提取各狀態(tài)下不同構(gòu)型導(dǎo)電膠、芯片和基板本身和相互間的最大應(yīng)力水平，詳細(xì)匯總結(jié)果如表2 所示。

表2：溫度載荷下導(dǎo)電膠熱固多工況分析結(jié)果

針對(duì)溫度載荷工況，結(jié)論如下：

（1）導(dǎo)電膠在外側(cè)爬高時(shí)，由于其綜合尺寸略大，剪切應(yīng)力水平稍高于外側(cè)平整狀態(tài)，應(yīng)力最大偏差在3%以?xún)?nèi)，最大剪切應(yīng)力為18.98 兆帕；

（2）導(dǎo)電膠與基板的界面應(yīng)力要小于導(dǎo)電膠與芯片間的界面應(yīng)力（剪切應(yīng)力）；

（3）其中導(dǎo)電膠與基板之間的界面應(yīng)力最大為2.44 兆帕，遠(yuǎn)小于推力計(jì)算中的12.49 兆帕，因此認(rèn)為導(dǎo)電膠不會(huì)與基板界面分層；

（4）同時(shí)導(dǎo)電膠與芯片之間的界面最大應(yīng)力為15.16兆帕，也小于推力計(jì)算中42.35 兆帕，因此認(rèn)為導(dǎo)電膠不會(huì)與芯片界面分層；

（5）芯片應(yīng)力最大為40.45 兆帕，位于芯片與導(dǎo)電膠底部連接四周區(qū)域，芯片安全，未發(fā)生破損。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于有限元建模研究導(dǎo)電膠熱固多工況的分析方法，從導(dǎo)電膠本體、基板與導(dǎo)電膠界面、芯片與導(dǎo)電膠界面和芯片本身四個(gè)方面模擬最大應(yīng)力水平，可作為初步判斷導(dǎo)電膠在溫度載荷作用下的失效分析手段。