金屬陶瓷膠黏劑封裝工藝及可靠性研究

王強翔 李文濤 苗國策 吳思宇

（南京國博電子股份有限公司,江蘇 南京 211111）

電子封裝中，管殼為內(nèi)部芯片電路提供了可靠的電氣連接、機械支撐及工作環(huán)境。為了保障芯片擁有良好的工作環(huán)境，防止水汽、污染物及有害氣體對芯片造成損傷，通常需要提供相對密封的環(huán)境，即密封封裝[1]。目前，可以通過多種途徑實現(xiàn)密封封裝，如基于釬焊工藝的錫封、基于電阻焊工藝的平行封焊、基于熔焊工藝的激光封焊以及樹脂灌封工藝和膠黏劑封裝工藝。各種密封工藝均有著其各自的適用場合，其中金屬陶瓷管殼封裝、金屬LCP封裝均采用了膠黏劑封蓋的封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。相較于其他封裝結(jié)構(gòu)，這種封裝結(jié)構(gòu)的特殊之處在于內(nèi)部無填充，I/O引腳位于封裝界面。與其他封裝結(jié)構(gòu)一樣，膠黏劑封蓋工藝也需要能夠經(jīng)受老化、溫沖、震動加速度、耐濕等可靠性試驗的考核，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計、膠黏劑選用及封蓋工藝過程對封裝的整體可靠性有著重要的影響。在功率管膠黏劑封裝工藝中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些典型問題，如密封不良、強度低和尺寸一致性較差等，本文將針對這些常見問題進行功率管膠黏劑封裝工藝研究。

1 膠黏劑封裝

電子元器件的封裝工藝有很多，常見有以下幾種封裝類型：（1）非填充型封裝。如中空式金屬盒體封裝、陶瓷封裝，一般在高導(dǎo)熱高可靠情況下應(yīng)用。（2）填充型封裝。如塑封，常見的DIP、QFP、QFN、BGA等器件的封裝均采用填充型塑封工藝，塑封工藝的特點為質(zhì)量可靠、成本低、效率高、可大規(guī)模生產(chǎn)。

目前功率管的一種封裝方式為非填充型的金屬陶瓷封裝。這種封裝方式采用金屬管殼及陶瓷蓋板，通過膠黏劑將兩種或兩種以上同質(zhì)或異質(zhì)的材料連接在一起[2]進行黏結(jié)封裝，內(nèi)部無填充材料[3-4]。其主體結(jié)構(gòu)為陶瓷蓋板和金屬管殼，一般在陶瓷蓋板的裝配界面預(yù)涂膠黏劑，與管殼裝配后經(jīng)固化完成封裝，如圖1所示。陶瓷蓋板一般采用氧化鋁白陶瓷，金屬管殼由引線框架和導(dǎo)熱熱沉組成。下文即以該種結(jié)構(gòu)器件為樣品針對膠黏劑封裝工藝參數(shù)及封裝可靠性進行實驗研究。工藝對主要材料膠黏劑的一般要求為：（1）密封性好，保證內(nèi)部器件工作環(huán)境不受外界影響；（2）無有害揮發(fā)物，不會對內(nèi)部器件造成損壞；（3）黏結(jié)強度高，保證封裝體整體機械強度；（4）可靠性高，耐溫度循環(huán)、濕熱環(huán)境等[5-6]。

圖1 金屬陶瓷功率管膠黏劑封裝結(jié)構(gòu)圖

2 實驗研究

2.1 實驗準(zhǔn)備

實驗用封裝器件為表面鍍金的銅金屬基板（模擬管殼）、氧化鋁陶瓷蓋板，如圖2所示，其中銅金屬基板的結(jié)構(gòu)尺寸為20 mm×10 mm×1 mm，氧化鋁陶瓷蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸為19.5 mm×9.6 mm×2.5 mm。實驗采用人工裝配，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加壓合力，使用熱臺加熱。本研究使用密封性能、剪切強度及封裝尺寸作為評價標(biāo)準(zhǔn)：（1）密封良率使用國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗方法》中方法112條件D進行密封檢測，對于電子器件，密封條件可以為產(chǎn)品內(nèi)部的芯片提供良好的工作環(huán)境，避免受到外界環(huán)境或污染物影響；（2）剪切強度使用推拉力測試儀（Dage4000）進行檢測，剪切強度是保證器件結(jié)構(gòu)完整性的最基本指標(biāo)；（3）封裝尺寸使用平面輪廓儀進行尺寸檢測。定義以上三方面的評價指標(biāo)后，理想的封裝效果為密封效果好、強度高、尺寸一致性好、可靠性高，封裝完成的器件如圖3所示。

圖2 實驗陶瓷蓋板（左）和金屬基板（右）

圖3 封裝完成的器件

2.2 封裝實驗

實驗?zāi)z黏劑預(yù)涂于陶瓷蓋板表面。在膠封工藝中存在預(yù)熱過程、裝配過程、固化過程。按各過程的各個階段，膠封工藝的主要參數(shù)有預(yù)熱溫度Tx、預(yù)熱時間tx、固化壓合力F、壓合時間ty、固化溫度Tz、固化時間tz。一般膠黏劑的固化溫度Tz和固化時間tz為定值推薦，本實驗不做研究，均設(shè)定為膠體的推薦值。實驗針對預(yù)熱溫度Tx、預(yù)熱時間tx、固化壓合力F、壓合時間ty進行研究，參數(shù)如表1所示。采用溫度循環(huán)及濕熱加速實驗評價黏結(jié)可靠性，具體條件如表2所示。其中，溫度循環(huán)實驗每100次抽取10只樣品進行密封和剪切強度測試，濕熱加速實驗每24 h抽取10只樣品進行密封和剪切強度測試。

表1 工藝參數(shù)實驗表

表2 環(huán)境實驗表

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 預(yù)熱工藝實驗

預(yù)熱工藝實驗研究的工藝參數(shù)主要為Tx、tx，實驗結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，要合理地設(shè)計預(yù)熱溫度和時間才能獲得較高的密封良率，溫度越高對應(yīng)的時間越短，但過高的預(yù)熱溫度會帶來較短的工藝時間窗口。在工程應(yīng)用中，可以選取適中的預(yù)熱溫度來提供充足的工藝時間窗口，如實驗中160 ℃的預(yù)熱條件下，時間窗口為2 min，而125 ℃的預(yù)熱條件下，時間窗口有4 min以上。不充分的預(yù)熱過程和過度的預(yù)熱過程均會導(dǎo)致密封成品率下降，前者是因為膠體固化程度過低，仍具有較高的流動性，無法形成較穩(wěn)定的形態(tài)，在壓合過程中極易出現(xiàn)氣孔；后者是因為膠體固化程度過高，流動性過低，在壓合過程中對界面的潤濕能力下降，甚至已經(jīng)固化無法潤濕黏結(jié)界面，導(dǎo)致密封不良。需要注意的是，不充分的預(yù)熱過程僅對密封良率產(chǎn)生影響，只要壓合力合適，封裝后的器件仍具有較高的剪切強度，而過度的預(yù)熱過程不僅影響密封良率還會影響剪切強度。

表3 預(yù)熱溫度、時間-密封對應(yīng)表

2.3.2 壓合工藝實驗

壓合工藝實驗研究的工藝參數(shù)主要為F、ty。膠黏劑中的環(huán)氧樹脂在固化時需要施加一定的壓力，主要原因是樹脂固化時，分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自由體積縮小，在黏結(jié)界面會產(chǎn)生固化收縮現(xiàn)象，這時需要從外界施加壓力彌補固化收縮，確保黏結(jié)界面緊密貼合。圖4為不同壓合力固化條件下制作的樣品，從左至右壓合力逐漸增大，使用平面輪廓儀掃描蓋板可以得到其表面輪廓尺寸，通過制作截面樣品可以得出膠層厚度尺寸。實驗結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明：（1）隨著壓合力的增加膠層厚度變小，剪切強度提升，在壓合力達(dá)到100 g以上時，膠層厚度和剪切強度進入穩(wěn)定區(qū)間；（2）在較低的壓合力下，除了黏結(jié)剪切強度低之外，還有黏結(jié)面不平整問題；（3）表5為不同壓合時間下的樣品剪切強度測試表，結(jié)果表明需保持一定的壓合時間才能保持黏結(jié)狀態(tài)，若壓合時間不足，膠體固化程度很低，仍處于可流動狀態(tài)，壓合力撤銷后，蓋板將在膠體中“浮起”，導(dǎo)致膠層厚度發(fā)生變化，最終影響剪切強度和表面平整度，嚴(yán)重的情況下甚至可能發(fā)生單側(cè)翹起，如圖5所示。

表4 壓合力-剪切強度對應(yīng)表（壓合時間1 h）

表5 壓合時間-剪切強度對應(yīng)表（壓合力200 g）

圖4 壓合力對黏結(jié)形貌的影響

圖5 蓋板的單側(cè)翹起

2.3.3 可靠性工藝實驗

可靠性工藝實驗結(jié)果如表6和表7所示。結(jié)果表明：（1）濕熱對黏結(jié)質(zhì)量影響巨大，隨著濕熱實驗的進行，密封性能和剪切強度大幅下降，96 h濕熱實驗后，密封成品率下降50%，剪切強度下降40%；（2）溫度循環(huán)對黏結(jié)質(zhì)量影響較小。封裝膠黏劑作為一種環(huán)氧樹脂，具有良好的黏結(jié)性、力學(xué)強度、耐化學(xué)介質(zhì)、電絕緣、尺寸穩(wěn)定性以及工藝性等優(yōu)勢，但也存在環(huán)氧樹脂的缺點——耐濕熱能力差。水分子由于體積小，在濕熱環(huán)境下很容易進入環(huán)氧樹脂內(nèi)部，降低已經(jīng)固化形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如導(dǎo)致局部化學(xué)鍵斷裂，破壞分子間作用力，降低交聯(lián)度。其次水分子進入后會對樹脂產(chǎn)生溶脹，使整個系統(tǒng)的自由體積增大，分子間距離增大，進一步降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致密封失效，強度大幅降低[7]。

表6 溫循對黏結(jié)質(zhì)量的影響

表7 濕熱對黏結(jié)質(zhì)量的影響

2.4 常見問題

在功率管膠黏劑封裝過程中，常見問題有：（1）氣孔，造成密封不良，表現(xiàn)形式為局部位置的微小孔洞，如圖6（左）所示。其主要的產(chǎn)生原因是在固化過程中內(nèi)部氣體受熱膨脹并向外部排出進而形成貫穿型通道，從外部觀察即為微小孔洞。設(shè)定壓合前預(yù)熱溫度為T0，壓合后固化溫度為T1，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，初始壓強為P0，壓合后固化溫度下壓強為P1，隨著溫度的升高（T1＞T0），其內(nèi)部氣壓升高，當(dāng)ΔP（=P1-P0）達(dá)到一定程度時，即可突破膠層形成氣流通道，導(dǎo)致密封不良。因此，可以通過降低ΔP來降低氣孔的發(fā)生概率。設(shè)計合適的預(yù)熱溫度和時間可以減小壓合前、后過程中器件的內(nèi)外壓差，進而降低氣孔密封不良的發(fā)生概率。（2）裂紋，造成密封不良，表現(xiàn)形式為局部區(qū)域細(xì)微裂紋，如圖6（右）所示。在溫度循環(huán)實驗后的失效樣品中可以發(fā)現(xiàn)，其由環(huán)氧膠體固化后硬脆，在溫度交替變化的條件下與金屬、陶瓷之間產(chǎn)生應(yīng)力失配導(dǎo)致。基于此，對不同膠層厚度的樣品進行單獨的溫度循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)裂紋更容易在膠層較厚的樣品中出現(xiàn)，如表8所示。（3）強度不足。在不考慮膠體自身材料因素的情況下，黏結(jié)強度低的主要原因為黏結(jié)界面污染、膠層過厚和固化不充分，可以通過增加壓合力和優(yōu)化固化溫度曲線來保證黏結(jié)強度。

圖6 氣孔（左）和裂紋（右）

表8 不同膠層厚度下TC裂紋失效

3 結(jié)論

膠黏劑封裝具有成本低、效率高和應(yīng)用范圍廣的特點，其工藝過程中的常見缺陷為密封不良和黏結(jié)強度低。本文通過實驗研究得出金屬陶瓷功率管膠黏劑封裝在適合的固化溫度、時間及壓合力條件下，可以獲得優(yōu)異的封裝質(zhì)量，具備較高的黏結(jié)強度和密封成品率。其中，壓合力（膠層厚度）是影響剪切強度的主要因素；預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間是影響密封成品率的主要因素；膠黏劑封裝耐濕熱能力一般，經(jīng)過濕熱實驗后其剪切強度和密封效果大幅下降，在應(yīng)用中需要充分考慮環(huán)境條件。