基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的導(dǎo)電膠粘接效能與粘接強(qiáng)度分析評(píng)估

周振華

(西安外事學(xué)院,陜西 西安 710077)

導(dǎo)電膠是一種經(jīng)常應(yīng)用于電子組裝、元器件粘接互連工藝中的粘接材料。導(dǎo)電膠通常由樹脂基體、導(dǎo)電粒子、分散添加劑等制備而成,在進(jìn)行電子元器件組裝時(shí),這種獨(dú)特的粘膠能夠在較低的操作難度、固化溫度等環(huán)境下實(shí)現(xiàn)不同元器件的粘接。導(dǎo)電膠在芯片粘接、片石元件粘接方面的應(yīng)用最為廣泛,可以有效避免這類元器件受到焊接工藝、焊劑等的影響。然而,目前我國國產(chǎn)的導(dǎo)電膠普遍存在一些性能缺陷,例如在粘接完成并固化以后的導(dǎo)電率低,粘接面不夠穩(wěn)定導(dǎo)致接觸電阻波動(dòng)性大,粘接效果一般導(dǎo)致不耐沖撞等[1-3]。一般都需要對導(dǎo)電膠的粘接效能進(jìn)行充分分析后才能決定如何使用該導(dǎo)電膠。針對傳統(tǒng)導(dǎo)電膠粘接效能分析過程過于復(fù)雜等問題,制備了一種導(dǎo)電膠材料并借助計(jì)算輔助分析方法對該導(dǎo)電膠的粘結(jié)效能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

導(dǎo)電膠一般分為各向同性導(dǎo)電膠和各向異性導(dǎo)電膠2類。實(shí)驗(yàn)材料如表1所示的材料制備了一種各向同性導(dǎo)電膠。

表1 實(shí)驗(yàn)材料Tab.1 Experimental materials

1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括導(dǎo)電膠制備和粘接效能分析2部分,如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Tab.2 Experimental equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1導(dǎo)電膠的制備

導(dǎo)電膠的組成包括樹脂基體、導(dǎo)電粒子等[4-5]。導(dǎo)電膠的制備方法與流程如圖1所示,主要包括樹脂改性、性能表征及成分確定3個(gè)主要環(huán)節(jié)。

圖1 導(dǎo)電膠的制備流程

制備導(dǎo)電膠時(shí),按質(zhì)量100份樹脂基體+15份固化劑,在瑪瑙研缽中進(jìn)行充分的攪拌形成樹脂體系;加入50 mL無水乙醇和50 mL己二酸乙醇溶液,使用固化劑、促進(jìn)劑形成固化體系;加入250份4、6、9 μm銀粉及25 μm低熔點(diǎn)SnBi合金調(diào)勻形成導(dǎo)電填料;加入固化促進(jìn)劑、甲基六氫鄰苯二甲酸、無水乙醇等助劑,經(jīng)過1 500 r/min公轉(zhuǎn)、1 000 r/min自轉(zhuǎn)的攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?t=10 min,最終制備成導(dǎo)電膠。

1.2.2粘接效能分析

導(dǎo)電膠的粘接效能主要指的是在導(dǎo)電膠形成固化結(jié)構(gòu)、完整對電路元器件粘接以后的接觸電阻、剪切強(qiáng)度及微觀形貌等。傳統(tǒng)的粘接效能分析需要利用復(fù)雜的測試儀器對導(dǎo)電膠進(jìn)行詳細(xì)測試,包括電阻測試、剪切強(qiáng)度測試及微觀顯微鏡測試等[6-8]。還需要在不同溫度、壓力環(huán)境下對同類型導(dǎo)電膠進(jìn)行反復(fù)、多次測試才能得到導(dǎo)電膠粘接效能是否符合粘接需求的結(jié)果。為提升導(dǎo)電膠粘接效能的分析效率和判斷準(zhǔn)確度,本文借助計(jì)算機(jī)和灰色關(guān)聯(lián)分析方法搭建了一種導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估模型,具體如圖2所示。

圖2 導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估Fig.2 Principle of computer-aided analysis and evaluation of bonding effectiveness of conductive adhesives

圖2所示的導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估模型是一種基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估專家模型。

在進(jìn)行導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估時(shí),導(dǎo)電膠的性能參數(shù)數(shù)據(jù)將會(huì)同時(shí)錄入綜合評(píng)判模型和專家數(shù)據(jù)庫模型[9-12],得到合理的處理結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估程序

在設(shè)計(jì)導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估程序時(shí),將影響導(dǎo)電膠粘接效能的幾項(xiàng)指標(biāo)如溫度、壓力和時(shí)間應(yīng)力作為干擾因子,構(gòu)成導(dǎo)電膠粘接效能干擾因子合集(S):

S=[ST,SF,SK]

(1)

式中:ST為溫度干擾因子;SF為 壓力干擾因子;SK為時(shí)間應(yīng)力干擾因子。借助灰色關(guān)聯(lián)分析方法模型,得到以環(huán)境應(yīng)力為干擾因子條件下導(dǎo)電膠粘接效能的分布矩陣(SD):

(2)

對導(dǎo)電膠粘接效能的分布矩陣SD進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,假定在一定時(shí)間內(nèi)對某項(xiàng)干擾因子進(jìn)行測試可以得到一組數(shù)據(jù),則對多項(xiàng)干擾因子進(jìn)行測試可以得到一系列能夠反應(yīng)干擾因子的單參量矩陣:

(3)

取圖2所示專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中描述3項(xiàng)指標(biāo)影響導(dǎo)電膠粘接效能的經(jīng)驗(yàn)值,以協(xié)參量的形式對3項(xiàng)指標(biāo)影響導(dǎo)電膠粘接效能的權(quán)重進(jìn)行描述[13]。其中,除微觀形貌指標(biāo)為灰量外,接觸電阻、剪切強(qiáng)度為黑量,不需要進(jìn)行白化處理。對式(3)所示能夠反應(yīng)干擾因子權(quán)重的單參量矩陣關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行處理,得到導(dǎo)電膠粘接效能權(quán)重模糊集:

W=[μ(e1),μ(e2),μ(e3)]

(4)

式中:e表示導(dǎo)電膠粘接效能單項(xiàng)指標(biāo);μ表示專家系統(tǒng)提供的粘接效能經(jīng)驗(yàn)評(píng)估參數(shù)。

在得到導(dǎo)電膠粘接效能權(quán)重模糊集后,可利用計(jì)算機(jī)程序?qū)?dǎo)電膠粘接效能進(jìn)行輔助分析。導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估程序流程如圖3所示。

2.2 導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估結(jié)果

選取微波印制電路板與深腔型屏蔽盒體的粘接實(shí)際測試結(jié)果作為對比組,將導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn),將固化溫度、真空加壓、固化時(shí)間分別命名為干擾因子A、干擾因子B、干擾因子C;將接觸電阻、剪切強(qiáng)度及微觀形貌分別命名為指標(biāo)Ⅰ、指標(biāo)Ⅱ、指標(biāo)Ⅲ。

2.2.1導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)實(shí)測值

表3所示為利用傳統(tǒng)測試方法進(jìn)行9次測試得到的導(dǎo)電膠粘接效能接觸電阻、剪切強(qiáng)度及微觀形貌測試結(jié)果。其中,微觀形貌的參考指標(biāo)主要為微觀粒子間排列是否集中、表面處理是否理想。根據(jù)專家評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)得出綜合評(píng)分為1～10的結(jié)果。

表3 導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)實(shí)測值Tab.3 Experimental data of conductive adhesive bonding

由表3可知,實(shí)驗(yàn)號(hào)4、3、7所得的導(dǎo)電膠粘接性能總體較為理想,接觸電阻、剪切強(qiáng)度及微觀形貌綜合評(píng)分結(jié)果均較為優(yōu)異。

2.2.2導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)輔助分析評(píng)估結(jié)果

表4所示為相同參數(shù)變化情況下,利用計(jì)算機(jī)輔助程序得到的導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)輔助分析評(píng)估結(jié)果。

表4 導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)輔助分析值Tab.4 Auxiliary analysis value of experimental index of conductive adhesive

由表4可知,導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)輔助分析值與表3實(shí)測值進(jìn)行對比,表4中所得各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果與表3數(shù)據(jù)差異極小,各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估值已經(jīng)接近實(shí)測值。

3 討論

3.1 導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

借助計(jì)算機(jī)輔助分析軟件對導(dǎo)電膠粘接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析,通過對比實(shí)測值表明,實(shí)驗(yàn)4組所制備的導(dǎo)電膠接觸電阻、剪切強(qiáng)度及微觀形貌測試3項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分別可達(dá)1.11 Ω、3.40 MPa、9.8,是9組實(shí)驗(yàn)組中結(jié)果最為理想的導(dǎo)電膠;其次為實(shí)驗(yàn)號(hào)3、7,這2組在3項(xiàng)綜合指標(biāo)方面的表現(xiàn)略低于實(shí)驗(yàn)號(hào)4,但較其他機(jī)組更為優(yōu)秀。結(jié)果表明:輔助分析軟件所得的分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近,可以很好地對導(dǎo)電膠粘接效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 導(dǎo)電膠粘接性能差異討論

(1)由制備的導(dǎo)電膠粘膠效能分析結(jié)果來看,當(dāng)固化溫度、真空加壓、固化時(shí)間分別為165 ℃、0.10 MPa、50 min,155 ℃、0.25 MPa、150 min,175 ℃、0.10 MPa、50 min時(shí)得到的導(dǎo)電膠粘接效能總體最優(yōu)。從數(shù)據(jù)綜合來看,該種類型的導(dǎo)電膠在高溫時(shí)的拉伸剪切強(qiáng)度說明,該導(dǎo)電膠在高溫時(shí)也能保持一定的強(qiáng)度,保持粘接性能,從而保證載體的順利作業(yè);

(2)通過導(dǎo)電膠粘接效能實(shí)驗(yàn)指標(biāo)輔助分析值與實(shí)測值對比結(jié)果來看,利用灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)分結(jié)果對導(dǎo)電膠粘接效能進(jìn)行評(píng)價(jià),可以得到與實(shí)測值極為接近的評(píng)價(jià)結(jié)果。但由于該評(píng)價(jià)方法應(yīng)用了計(jì)算機(jī)與灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)分方法,其分析效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試方法。因此,本文認(rèn)為該評(píng)價(jià)分析方法可以用作導(dǎo)電膠粘接效能評(píng)價(jià)的重要參照方法;

(3)本文所采用的導(dǎo)電膠粘接效能計(jì)算機(jī)輔助分析評(píng)估軟件能夠直觀地給出效能評(píng)估結(jié)果,并且可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)、中間結(jié)果及評(píng)估結(jié)論的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),便于不同的工藝過程進(jìn)行比對分析。隨著分析次數(shù)的增加,專家數(shù)據(jù)庫不斷更新積累,使后續(xù)的評(píng)估更加準(zhǔn)確科學(xué)。

4 結(jié)語

導(dǎo)電膠是一種電子元器件組裝互連工藝中必需用到的粘接材料,除需具備必須的粘接功能外,還必須具備恰當(dāng)?shù)碾娮韬臀⒂^形貌等。研究借助計(jì)算機(jī)輔助分析軟件,對制備的幾種導(dǎo)電膠電阻、粘接效能等進(jìn)行分析,認(rèn)為當(dāng)固化溫度、真空加壓、固化時(shí)間分別為165 ℃、0.10 MPa、50 min時(shí),制得的導(dǎo)電膠綜合性能最佳。