導電膠應用的隱患來源及控制措施

宋夏，林文海

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥230088）

導電膠應用的隱患來源及控制措施

宋夏，林文海

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥230088）

導電膠是替代共晶焊料的優良材料之一，能適應軍用電子小型化、便攜化、批量化制造要求。它具備效率高、適應性強、污染少等優勢?？赡軙谶\輸、混合、儲存、使用等過程中出現問題，導致導電性和粘接強度等方面出現隱患。針對這些隱患提出通過儲存領用記錄、保存過程控制、同批次導電膠驗證等措施來降低風險。

導電膠；導電性；粘接強度；隱患來源；控制措施

1 導電膠的作用

以雷達電子為代表的軍用電子裝備使用范圍正在逐漸擴大，用途進一步細分至涵蓋陸地、海洋、天空、大氣層外等多個復雜領域，產品種類和數量的需求均大幅度增加。軍用電子產品因其對機動性的需求，正向著小型化、便攜化的方向發展，器件數量和集成度不斷提高，對生產效率提出了很高的要求。在這樣的應用背景下，以錫鉛或錫銀系列為代表的共晶焊料已經不足以滿足微電子組裝和封裝技術發展的需要了。在現代集成電路、集成混合電路、多芯片模塊組裝過程中，導電膠公認是替代共晶焊料的優良材料之一。導電膠與共晶焊料相比有多種優勢，例如操作效率高；互聯工藝條件溫和；界面適應性強；互聯間隙小、可實現高密度互聯；固化溫度靈活，可適應不同溫度梯度；適合撓性、應力敏感器件的連接；工藝完成后無助焊劑殘留，對后續組裝影響小，節約清除污染物的資源和時間[1～3]。

圖1 導電膠導電密度與電阻率關系圖

導電膠通常由樹脂基體和填充金屬粉組成，由填充金屬粉實現導電性能。目前商用導電膠考慮到適用性、導電能力、成本、與樹脂基體相容性等因素，通常都選用了填充銀粉型。填充銀粉型導電膠的導電原理可用滲透理論來解釋。電阻率會隨著填充銀粉密度增加，超過臨界密度Vc后顯著降低，在該密度以下導電粒子相互接觸，并形成三維穩定的網絡結構；當超過該密度后，繼續增加銀粉密度，電阻密度的降低值將趨于平緩，如圖1所示[4]。導電膠中的樹脂基體由引發劑在一定溫度下引發聚合反應，形成聚合物，主要提供粘接強度。因樹脂基體不同，導電膠可分為熱塑型和熱固型兩種，主要區別在于固化后熱塑形導電膠再次受熱超過玻璃化轉變溫度時，將逐漸重新恢復流動特性，而熱固型導電膠一旦固化將形成不熔不溶的三維交叉網狀結構，直至加熱至分解溫度也不可能再轉換回流動態，熱固型導電膠因其蠕變性更小等原因，在芯片粘接等微電子領域目前占據主導地位。

2 導電膠應用的隱患來源及影響

導電膠的應用主要圍繞其實現導電性和粘接強度兩方面。實際量產中選用導電膠一般都為了利用其生產效率高等優勢，每天生產的組件數量較多；而微電子組件進入量產狀態后，每天有成千上萬的裸芯片等貴重元器件依賴導電膠粘接，一旦發生批量問題，造成的報廢損失將非常驚人。以MCM組件為例，往往一只價格1萬元的組件，裸芯片在其中成本會占到一半甚至更多，以每天生產200件為例（該產能更接近量產數量的下限），某天的導電膠失效沒有及時發現，因芯片報廢造成的損失就將高達100萬元。因此在批量生產中如何通過管理方法和技術來確保導電性和粘接強度成為管理人員必須面對的問題。目前大規模商用導電膠通常有單組份和雙組份兩種，雙組份導電膠的聚合引發劑和樹脂單元基體分開存放，通?？墒覝剡\輸、存放；混合前的保質期長，通常通過批次性混合可一次封裝成多支導電膠，完成混合后一次用不完的可立即儲存在-40℃的冰箱中，后續使用時再依次取出回溫。單組份導電膠通常從運輸過程開始就必須全程處于干冰低溫保護狀態，廠家為了確保中間狀態受控會在包裝中加入稱為“Cube”的中間過程監控模塊，該模塊一旦回溫后即會變色，一旦變色將不會再變回，以此來確定中間過程一直處于低溫受控狀態；應用方收貨后存入低溫冰箱，每次使用前回溫，與雙組份導電膠混合后進入冰箱存放的使用要求基本一致。

經過對導電膠結構組成、導電及粘接原理的分析，結合使用經驗，梳理導電膠可能出現的隱患點見圖2。

圖2 可能的導電膠潛在隱患來源

其中采用雙組份導電膠自行混合的手段，6種潛在隱患均有可能發生；采用單組份導電膠儲存領用的手段，前三條由專業生產廠家控制，出現幾率較低，但風險依然存在。各隱患發生的原因和可能帶來的影響如下。

（1）引發劑失效。引發劑負責引發樹脂聚合形成網狀聚合物，如引發劑被污染或雙組份混合前經歷中高溫導致部分分解等原因造成的失效，將會導致裸芯片粘接強度不夠、粘接芯片報廢的風險；同時樹脂聚合不完全也會造成電阻較大等現象，嚴重時甚至會形成斷路，造成組件報廢。

（2）樹脂基體被污染。樹脂接受引發劑的引發，聚合形成網狀聚合物，如樹脂本體在封裝時或開封使用時被污染，污染物可能會阻斷引發聚合反應，干擾聚合過程，同樣將會導致裸芯片粘接強度不夠，嚴重時會形成斷路而無法使用。

（3）混合過程失控。雙組份導電膠的混合過程將決定引發劑在樹脂基體的分布密度，當密度不均勻時將出現部分樹脂基體缺少引發劑甚至無引發劑的現象，因絕大部分雙組份導電膠均在雙組份中預先混入銀粉，此部分膠被擠出時外觀與引發劑含量適量或過量的膠不會有太大區別，但因引發劑的缺乏而無法固化，受熱后將直接導致組件報廢。

采用自動攪拌設備設定程序混合，能夠最大程度地避免手動混合帶來的不均勻等問題，但攪拌過程的高轉速決定了會有一定程度的發熱，如沒有適當手段處理掉這些多余的熱量，導電膠升溫會提高粘度、縮短保質期、甚至提前部分固化，這也將造成涂膠困難，給產品一致性和可靠性留下隱患。

（4）過保質期使用。導電膠雖然按要求在常溫下引發劑和樹脂本體分開，或混合后放入低溫冰箱保存，但引發劑依然遵循阿侖尼烏斯方程控制的速率原理緩慢分解，分解到引發劑密度在臨界密度以下即會造成固化失效、固化后電阻超標等問題，因此廠家往往規定了導電膠的保質期來確保性能滿足要求。在實際使用過程中，一旦忽視過保質期的問題，使用過保質期的導電膠會帶來導電性和粘接強度問題，因其屬于特殊過程，一旦導電膠固化無法回到固化前的狀態，造成問題歸零過程查找原因非常困難。

（5）儲存冰箱溫度異常。日常用于導電膠儲存的低溫冰箱一般設定為-40℃，實驗數據顯示斷電2 h左右即會回溫至-10℃左右；冰箱門因積冰關閉不牢同樣會造成溫度異常上升；這些現象都會造成導電膠的實際保質期短于標注的標準保質期，同時會影響固化后電阻和粘接強度。

（6）非法反復回溫。此現象屬于管理問題，可能因長期以來對物料力求節約的教育因素影響，在同時遭遇極緊張計劃進度、導電膠恰恰遇到短缺造成的心理壓力出現時，極少數人員肆意地認為開封回溫使用1次且時間較短，該支膠管內存有較多未用完導電膠可以再次放回低溫冰箱，下次回溫后再次使用不會有外觀上的差異。實際上導電膠的樹脂基體一般屬于環氧樹脂或丙烯酸酯類，低溫回溫后不可避免地會凝結空氣中的少量水汽，這部分水汽中的絕大部分在固化時會受熱揮發，對膠本體的影響已經在廠家設計配方時考慮過；但一旦回溫后重新放入冰箱，在漫長的時間里吸入的水分作為一種慢性引發劑中毒劑會緩慢造成大量引發劑分子失效，同樣可能造成嚴重的導電性、粘接強度、可靠性等多方面的隱患。

（7）工藝過程引起失效。在工藝過程中也有可能因使用時間超標、固化溫度未達到、固化時間不充分等原因造成因工藝過程引起的失效。在這些狀態下，固化后的導電膠電阻不能達到標稱值，并可能存在數量級的差距；代表粘接強度的剪切力測試值也與標稱值相距甚遠。

3 控制措施

針對導電膠應用過程中可能出現的6類隱患來源，結合生產中的經驗教訓，我們引用《GJB2438A-2002混合集成電路通用規范》和《GJB548B-2005微電子器件實驗方法和程序》對導電膠結產品的要求，總結了一系列技術手段和管理措施，并以正式管理規定文件的方式發布并培訓，力求降低風險，提高應用水平，增強產品可靠性。具體涵蓋的措施如下。

3.1 配膠過程控制措施

3.1.1 固定配膠方法及參數

導電膠混合時將廠家已分包好、比例確定的雙組分膠中的其中一種組分全部轉移到另一組分罐中，用專用混膠機混合。攪拌機設置A轉/分、常壓X秒后B轉/分抽真空、Y分鐘；完成后取出工裝冷卻后按該參數重復Z次，中途取出工裝冷卻。

3.1.2 配膠過程記錄

雙組份導電膠混合前由混合操作人員記錄該日混合的導電膠盒蓋上標注的保質期、批次號、混膠設備、工藝參數等信息。導電膠在混合灌封后每支需標注混合日期和膠種類。如當日不止混合一組雙組份導電膠，還應分別標明混合組編號（例如有相同保質期的兩罐A、B組份，則混合后分別標記為1號和2號混合組），為預防個別罐引發劑失效等問題，嚴禁同一支膠中灌入兩個不同混合組的膠。

3.2 保存過程控制措施

3.2.1 存儲要求

單組份導電膠應用前操作人員應確認同時滿足混合前后各自的存儲期限要求；航天等有相關記錄要求的應用過程應記錄該次應用的導電膠批次號、存儲期限等信息備查，存儲信息保存時限應滿足《GJB2438A-2002混合集成電路通用規范》的要求；來料檢驗記錄至少應保存3年，對K級電路為7年。

存儲單組份導電膠和混合后雙組份導電膠的-40℃冰箱由管理人員指定專人負責，冰箱上鎖并由負責人掌管鑰匙?；旌虾蟮膶щ娔z或新到貨導電膠分類放入過程由該專人負責并記錄出入賬。應優先用完（不包括本規定中結果復現要求留底的導電膠）一個批次后再啟用下一批次。應用后的每批次導電膠嚴禁消耗完，必須保存1支或以上待結果復現時調用。該膠需單獨標記，單獨設與其他導電膠隔離的存儲地，儲存至其超出保質期后方允許廢棄。

3.2.2 異常情況處理

如出現斷電或積冰等不正常形貌變化時必須記錄，每批次重做本文3.3節要求的導電性和粘接強度試驗。

3.3 同批次導電膠實驗驗證措施

3.3.1 驗證時機

K級組件應用時應遵照項目作業指導書要求每日驗證或按相應項目工藝文件要求的周期驗證。H級或以下級別組件應用時應按來料批次逐批次驗證或在發生異常狀態后進行驗證。

3.3.2 電阻率驗證

取鍍金鉬銅襯底X只，在陣列金焊盤的陶瓷版上按對應工藝條件清洗并固化，逐只鍵合連接鉬銅襯底頂部與相鄰陶瓷板金焊盤。用四探針法挨個測量不同位置電阻并記錄。

3.3.3 剪切力試驗樣品制備

取1.7 mm×2.7 mm的硅芯片驗證硅底層與導電膠的粘接強度，取0.7 mm×0.7 mm的砷化鎵芯片，驗證砷化鎵金底層與導電膠的粘接強度，取0.75 mm×0.75 mm芯片電容，驗證電容金底層與導電膠的粘接強度。

按《GJB548B-2005微電子器件實驗方法和程序》方法2019.2《芯片剪切強度》的要求制樣并做剪切力試驗并判定，剪切力應滿足圖3的要求。

圖3 芯片剪切強度標準

1.7 mm×2.7 mm硅芯片的剪切力應大于5 kg（或芯片本體推碎），0.7 mm×0.7 mm砷化鎵芯片的剪切力應大于0.6 kg（或芯片本體推碎），0.75 mm×0.75 mm芯片電容的剪切力應大于0.7 kg（或芯片本體推碎）。

3.4 使用管理措施

3.4.1 使用前確認

使用前應對該管膠擠樣確認流動性和外觀正常，并查閱試驗驗證表記錄的評價信息，確認該管膠狀態正常。

3.4.2 使用要求

嚴格按導電膠膠接工藝文件中的要求應用導電膠。

3.4.3 過程記錄

使用完成后當日內必須記錄使用導電膠的操作人員、種類、批次、保質截止日期和相應工藝文件要求的其他信息。

3.5 SPC控制

統計過程控制（簡稱SPC）是一種借助數理統計方法的過程控制工具?？梢栽谟袟l件的情況下利用它對導電膠的應用過程進行分析評價，根據測試結果及時發現系統性因素出現的征兆，并采取措施消除可能導致導電性和粘接強度變化的影響，使導電膠的應用工藝保持在受控狀態。

應用SPC過程中應將導電膠的批次性測試數據及時繪制到控制圖中，并密切觀察控制圖中電阻率和剪切強度的波動情況可以顯示出過程受控或失控，如果發現失控，必須尋找原因并盡快消除其影響。

3.6 工藝過程控制

對于超大面積基板粘接等導電膠應用不方便測量電阻和剪切力的場合，應考慮引入X射線或聲學掃描，通過對導電膠粘接工藝實際粘接面積和空洞率的測試，確保工藝過程受控。

4 總結

本文針對導電膠應用過程中可能引起導電性、粘接強度、可靠性隱患的引發劑失效、樹脂基體被污染、混合過程失控、過保質期使用、儲存冰箱溫度異常、非法反復回溫、工藝過程引起失效等7種現象，制定了相應的具體措施，通過配膠過程控制措施確保同一個封裝罐中的引發劑或樹脂不會混合進不同批次；通過記錄和同批次導電膠實驗驗證措施避免引發劑失效、樹脂基體被污染、混合過程失控等潛在隱患；通過保存過程控制措施避免過保質期使用、儲存冰箱溫度異常、非法反復回溫等潛在隱患；通過同批次導電膠實驗驗證措施確保使用過程中的導電性、粘接強度得到驗證。

[1]宋夏，林文海.微波多芯片組件中微量導電膠分配技術探討[J].電子與封裝，2014，14（1）:1-5.

[2]陳黨輝，顧瑛，陳曦.國外微電子組裝用導電膠的研究進展[J].電子元件與材料，2002，21（2）：34.

[3]高艷茹，李小蘭.電子元器件表面組裝用導電膠粘劑[J].絕緣材料通訊，2000，（1）：23.

[4]劉欣盈，向雄志，白曉軍.導電膠粘劑的研究進展[J].電子元件與材料，2013，32（3）：13.

Root Causes of Hidden Dangers in Conductive Adhesive and Countermeasures

SONG Xia,LIN Wenhai
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230088,China）

Conductive adhesive is one of the excelle nt materials to replace eutectic solder.It features high efficiency,strong adaptability and low pollution,thereby meeting the requirements of miniaturization, portability and mass production.However,some hidden dangers,conductivity and bonding strength,may occur during the transportation,mixing,storage,and usage.The article puts forward some measures to reduce the dangers.

conductive adhesive;conductivity;bonding strength;root causes;control measures

TN305.94

A

1681-1070（2017）05-0001-04

宋夏（1981—），男，安徽合肥人，碩士研究生，高級工程師，已公開發表論文8篇，主要從事微組裝工藝和自動化柔性生產線技術研究。

2017-2-15