導(dǎo)電膠粘接片式器件的接觸電阻試驗研究

李文，馮雪華，張信波，朱小會

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

1 引言

導(dǎo)電膠是一種固化后具備導(dǎo)電性能和粘接強度的膠黏劑[1-2]，其主要由基體樹脂、導(dǎo)電填料、分散添加劑、助劑等組成，基體樹脂決定了導(dǎo)電膠的粘接性能和力學性能，導(dǎo)電填料形成導(dǎo)電通道。相較于傳統(tǒng)的釬料焊接技術(shù)，其具有工藝溫度低、工藝操作簡單、綠色環(huán)保等特點，廣泛應(yīng)用于微電子封裝領(lǐng)域[3-6]。

導(dǎo)電膠的互連方式也存在一些不足之處。在微電子封裝中，導(dǎo)電膠與粘接界面的接觸互連方式為歐姆接觸，導(dǎo)電膠粘接片式器件在互連過程中經(jīng)常出現(xiàn)接觸電阻變大的情況，嚴重影響了電路性能。目前業(yè)界對導(dǎo)電膠粘接接觸電阻的研究較多，例如張曉波等人[7]分析了其老化過程中接觸電阻穩(wěn)定性的問題，提出了影響其穩(wěn)定性的物理機制；萬超等人[8]研究了濕熱環(huán)境下導(dǎo)電膠接觸電阻的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠本體吸濕率越大，其接觸電阻增大越明顯。以上研究大多是從理論或單因素方面探索接觸電阻變大的原因，很少有學者分析接觸電阻變大對電路的影響機理或從多因素角度去研究驗證接觸電阻變大的原因和解決措施，本文將分析接觸電阻變大對電路的影響機理，并且采用試驗的方法從多因素角度去研究接觸電阻變大的原因和解決措施，為解決導(dǎo)電膠粘接片式器件接觸電阻變大的問題提供參考和思路。

2 研究內(nèi)容及試驗方案

2.1 研究內(nèi)容

通過查閱文獻及對生產(chǎn)流程進行分析，片式器件接觸電阻變大的原因有以下幾類。

（1）電極材料的影響，主要體現(xiàn)為粘接界面不同金屬的電化學勢差異的影響。片式器件大部分電極為Sn/SnPb 材料，粘接用導(dǎo)電膠為Ag 導(dǎo)電膠，Ag 與Sn/SnPb 界面間因濕、熱等環(huán)境作用，會發(fā)生電化學腐蝕，從而形成氧化物，導(dǎo)致電阻變大。

（2）導(dǎo)電膠膠量的影響。導(dǎo)電膠粘接片式器件如圖1 所示，因?qū)щ娔z、基板、片式器件之間存在熱膨脹系數(shù)差異，側(cè)面膠量較多會導(dǎo)致導(dǎo)電膠內(nèi)部應(yīng)力變大，在高低溫過程中造成片式器件端頭粘接膠體產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致電阻變大。

圖1 導(dǎo)電膠粘接片式器件

（3）固化工藝參數(shù)的影響。固化不完全導(dǎo)致導(dǎo)電膠不致密，導(dǎo)電顆粒間存在空隙，更容易吸濕，在界面處形成氧化物，從而導(dǎo)致接觸電阻變大。

綜上所述，需從電極材料、導(dǎo)電膠膠量、固化工藝參數(shù)等方面設(shè)計試驗方案，對接觸電阻變大進行試驗驗證。

2.2 試驗方案

從電極材料、導(dǎo)電膠膠量、固化工藝參數(shù)3 個方面設(shè)計驗證試驗，方案如下。

（1）電極材料試驗方案。選用Sn/SnPb、PdAg 和Au 電極的1210 片式電容，采用薄膜陶瓷基板（粘接焊盤為Au）為粘接載體，H20E 導(dǎo)電膠作為粘接材料，分別粘接端頭金屬化層為Sn/SnPb、PdAg 和Au 的3 種片式陶瓷電容各30 只，側(cè)面膠量高度統(tǒng)一為1/2 電容高度，在125 ℃下固化45 min，然后進行168 h“雙85”試驗，試驗結(jié)束后測量電容端頭到薄膜電路Au 焊盤的電阻。

（2）導(dǎo)電膠膠量試驗方案。分別粘接端頭金屬化層為Sn/SnPb 的片式電容90 只，根據(jù)點膠量高度的不同，分為30 只/組。根據(jù)組件的實際工作環(huán)境，對電容進行溫度沖擊、振動試驗。試驗結(jié)束后，在測試顯微鏡下查看樣件的導(dǎo)電膠根部，并采用微歐計測量電容端頭到薄膜電路Au 焊盤的電阻。

（3）固化參數(shù)試驗方案。參考廠商推薦的固化溫度和時間以及業(yè)內(nèi)常使用的固化溫度和時間，設(shè)置溫度為120 ℃，選擇固化時間分別為45 min、90 min 和120 min，共3 組試驗，每組試樣采用薄膜陶瓷基板（粘接焊盤為Au）為粘接載體，H20E 導(dǎo)電膠作為粘接材料，其規(guī)格參數(shù)和推薦固化條件如表1 所示。

表1 H20E 導(dǎo)電膠規(guī)格參數(shù)及推薦固化條件

為了更加充分地驗證固化溫度、時間對接觸電阻的影響，選擇粘接端頭金屬化層為Sn/SnPb 的片式陶瓷電容60 只，對固化完成后的每組試樣測量其電容端頭到薄膜電路Au 焊盤的電阻，然后進行168 h“雙85”試驗，試驗結(jié)束后測量電容端頭到薄膜電路Au 焊盤的電阻。

對試驗過程中的所有樣件均采用微歐計測量其接觸電阻，微歐計的工作原理如圖2 所示，通過電橋原理（國外也稱為開爾文原理）四線法進行測量，即在電阻兩端施加1 個恒流電流，再通過儀器檢測其兩端的電壓，最后通過儀器自動計算后得出電阻值。在測量過程中，采用“4 端子”（電流端子、電位端子）測量法，消除引線和接觸電阻帶來的誤差。當需要測量電阻R的時候，通過單獨的電流源施加取樣電流，再通過另外的電壓測量單元進行測試。

圖2 微歐計的工作原理

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 接觸電阻對電路的影響機理

通過對粘接片式電容后接觸電阻異常導(dǎo)致互連電性能不能滿足要求的電路進行梳理，發(fā)現(xiàn)這一類電路大多屬于電源模塊，所用的電容型號都是0805、1210 這類外形體積較大的電容，且電容的電極材料都是Sn/SnPb 類金屬。在這類模塊中，接觸電阻導(dǎo)致互連電性能不能滿足要求的機理主要有以下2 種。

1）電容充電時刻的電壓可表達為式（1）：

式中Vt為某時刻電容上的電壓，E 為電源電壓，t 為充電時間，R 為電容對地電阻，C 為電容值。

接觸電阻增大導(dǎo)致電容對地電阻R 增大，電容達到某一電壓值的充電時間變長，導(dǎo)致TR 組件功率管芯漏極電壓（即Vt）上升時間延長，組件發(fā)射打開時間延長。且R 越大，時間越長，不能滿足系統(tǒng)的使用要求。

2）放大管芯漏極電壓通過電容對紋波電壓（電源附帶紋波電壓）進行濾波，接觸電阻增大導(dǎo)致電容對地電阻增加，降低了回路品質(zhì)因素，使得紋波電壓不能被過濾掉。紋波電壓通過放大器（含PNP/NPN/場效應(yīng)管）的非線性作用，產(chǎn)生一系列紋波電壓基頻率的諧波，并在射頻鏈路放大，在末級輸出一系列雜波，導(dǎo)致組件雜波一直達不到指標，不能滿足系統(tǒng)的使用要求。

3.2 電極材料試驗結(jié)果與分析

“雙85”試驗前，3 種電極材料粘接后的接觸電阻值如圖3 所示，其中Au 電極和PdAg 電極接觸電阻值最小，Sn/SnPb 電極接觸電阻值最大且穩(wěn)定性較差。導(dǎo)電膠本身存在體積電阻率，所以Au、PdAg、Sn/SnPb 電極都會表現(xiàn)出一定的電阻值；Sn/SnPb 電極固化過程中，其在少量水汽作用下與導(dǎo)電膠中的Ag 粉發(fā)生了緩慢的電化學反應(yīng)，在粘接界面生成了氧化物薄膜，增大了粘接后的界面電阻值。

圖3“雙85”試驗前3 種電極材料粘接后的接觸電阻值

如圖4 所示，“雙85”試驗后3 種不同電極材料粘接后的接觸電阻都有一定的上升，其中Sn/SnPb 電極的接觸電阻值增加幅度較大，為試驗前的35 倍左右，Au、PdAg 電極的接觸電阻值相當，且都略微減小。在濕熱環(huán)境下，導(dǎo)電膠本身所具有的吸濕率致使導(dǎo)電膠吸入水分后與其內(nèi)部電解質(zhì)混合形成一定的電子通道，從而提高了其導(dǎo)電性能。對于Sn/SnPb 電極，導(dǎo)電膠中吸入的水分加快了粘接界面處的電化學腐蝕，從而形成大量的氧化物薄膜并附著在粘接界面，導(dǎo)致接觸電阻值增加，增加的幅度遠大于由于導(dǎo)電膠吸濕、導(dǎo)電性能增強使得電阻降低的程度，故Sn/SnPb 電極的接觸電阻值大幅增加。

3.3 導(dǎo)電膠膠量試驗結(jié)果與分析

將上述樣件在－55 ℃及85 ℃試驗條件下進行60次溫沖，溫沖后在顯微鏡下觀察根部裂紋情況。導(dǎo)電膠根部開裂和側(cè)邊開裂情況如圖5 所示。其中側(cè)面膠量高度為電容高度1/4 的Sn/SnPb 電極電容根部處的導(dǎo)電膠均無開裂情況；側(cè)面膠量高度為電容高度1/2的Sn/SnPb 電極電容根部處導(dǎo)電膠有4 處開裂，導(dǎo)電膠與電容側(cè)邊開裂有9 處；側(cè)面膠量高度為電容高度3/4 的Sn/Pb 電極電容根部處導(dǎo)電膠有7 處開裂，導(dǎo)電膠與電容側(cè)邊開裂有15 處。

圖4“雙85”試驗后3 種電極材料粘接后的接觸電阻值

圖5 導(dǎo)電膠根部開裂和側(cè)邊開裂情況

對根部和側(cè)邊有裂紋的樣件進行接觸電阻測試，開裂與未開裂樣件的接觸電阻測試結(jié)果如圖6 所示。從測試結(jié)果可以看出，開裂樣件的接觸電阻值相較于正常樣件并沒有明顯變化。對開裂樣件進行切片分析，發(fā)現(xiàn)裂紋并未擴展到整個粘接界面處，只是存在于邊緣局部位置，這與李文等人[1]的仿真研究相符，不管是底面還是側(cè)面，邊緣位置應(yīng)力最大，最容易發(fā)生開裂。因此，因?qū)щ娔z膠量而產(chǎn)生的開裂只存在于邊緣局部位置，并未擴展到整個粘接界面，對接觸電阻無影響。

圖6 開裂與未開裂樣件的接觸電阻測試結(jié)果

3.4 固化參數(shù)試驗結(jié)果與分析

對不同固化時間的樣件進行“雙85”試驗，試驗后的界面電阻值如圖7 所示。固化45 min 后樣件阻值的測試結(jié)果在0.2～0.8 Ω，大部分阻值位于0.3～0.6 Ω；固化90 min 樣件阻值的測試結(jié)果在0.15～0.6 Ω，大部分阻值位于0.3～0.6 Ω；固化120 min 樣件阻值的測試結(jié)果在0.1～0.5 Ω，大部分阻值位于0.1～0.3 Ω 區(qū)間?！半p85”試驗后接觸電阻整體出現(xiàn)變小的趨勢，說明固化時間對接觸電阻有一定的影響。固化時間短，導(dǎo)電膠內(nèi)部的膠黏劑未發(fā)生完全固化，導(dǎo)電膠不致密，導(dǎo)電顆粒間存在空隙通道，在“雙85”試驗過程中更容易吸濕，水汽更容易擴散到導(dǎo)電膠與Sn/SnPb 電極的粘接界面，在界面處發(fā)生電化學腐蝕、形成氧化物，從而導(dǎo)致接觸電阻變大。

4 改進方法和措施

4.1 更換電極材料和增加固化時間

試驗結(jié)果表明電極材料是影響片式器件粘接接觸電阻的主要原因，固化時間對接觸電阻有一定影響，因此在后續(xù)片式器件粘接中可以通過采用Au/Ag電極材料和適當增加固化時間的方法來減小接觸電阻，提高電路性能。

4.2 壓接金帶

金帶焊接如圖8 所示，將金帶一端壓焊到電容電極端頭上，另一端壓焊到基板的焊盤上。采用薄膜陶瓷基板（粘接焊盤材料為Au）為粘接載體，H20E 導(dǎo)電膠作為粘接材料，30 只片式陶瓷電容的粘接端頭金屬化層為Sn/SnPb，側(cè)面膠量高度統(tǒng)一為1/2 電容高度，在125 ℃下固化45 min，固化后在器件端頭與焊盤間壓焊金帶，并采用微歐計測量電容端頭到薄膜電路Au焊盤的電阻。

圖8 金帶焊接

然后將樣件進行環(huán)境試驗，包括溫沖、振動、“雙85”試驗。環(huán)境試驗完成后，采用微歐計測量電容端頭到薄膜電路Au 焊盤的電阻。壓接金帶焊接的樣件在環(huán)境試驗前后的界面電阻值如圖9 所示，壓接金帶確實能夠在很大程度上降低接觸電阻，在經(jīng)過溫沖、振動、“雙85”環(huán)境試驗后，接觸電阻的測試值幾乎無變化，這說明壓接金帶方案雖然增加了額外的工藝和成本，但確實能夠很好地解決接觸電阻變大的問題，提升微波組件的可靠性，后續(xù)可以通過采用鍍金銅帶代替金帶的方式降低成本。

圖9 壓接金帶焊接的樣件在環(huán)境試驗前后的界面電阻值

5 結(jié)論

本文分析了采用導(dǎo)電膠粘接的片式器件接觸電阻變大對電路性能的影響，主要是組件的延時和雜波達不到指標。試驗結(jié)果表明，電極材料是影響片式器件粘接接觸電阻的主要原因，固化時間對接觸電阻有一定影響，因?qū)щ娔z膠量而產(chǎn)生的開裂對接觸電阻無影響；在后續(xù)采用導(dǎo)電膠粘接片式器件的工藝中可以通過采用Au/Ag 電極材料、適當增加固化時間、在器件電極端頭與基板焊盤之間壓接金帶來減小接觸電阻，提高電路性能。