導電膠粘接可伐載板工藝的仿真與優化

蔣苗苗， 李陽陽， 朱晨俊， 趙鳴霄

（中國電子科技集團公司第二十九研究所， 成都 610036）

1 引言

導電膠作為一種取代傳統錫鉛焊料的綠色環保材料[1-2]，其互連工藝具有互連間距小、操作簡單、固化溫度低、可返修、不需要助焊劑等優點，被廣泛應用于混合集成電路等微電子封裝領域[3-5]。 隨著導電膠應用的進一步深入，其使用環境也愈發苛刻，從而對導電膠的粘接可靠性提出了更高要求， 尤其是在溫度、濕度等環境應力下[6-7]。 因此，很有必要對導電膠粘接工藝進行優化，以進一步提高其粘接可靠性。

2 導電膠互連失效

環境試驗后對某種已封蓋的微波組件進行X 光檢查， 發現其內部一種采用H20E 型導電膠粘接的混頻模塊已移位，如圖1 所示，電性能測試無輸出。 隨后進行開蓋檢查，確認故障產品中混頻模塊已脫落。 此混頻模塊實物如圖2 所示，由可伐載板4J34 和粘接在其表面的4 個芯片組成， 其粘接腔體材料為LD31 鋁合金。

圖1 X 光檢查圖片

圖2 混頻模塊的構成

與其他產品相比，此種微波組件的環境試驗條件相對苛刻， 且粘接腔體LD31 與可伐載板間熱膨脹系數差異較大，常規的粘接工藝已無法滿足此種應用場景的需求。

本文將對經過不同溫度范圍溫度試驗后不同尺寸可伐載板與導電膠粘接界面處的應力分布進行仿真，并設計試驗進行驗證，最后再在試驗結果的基礎上提出可伐載板粘接工藝的優化方法，對于提高可伐載板粘接工藝的可靠性具有較高的實用價值，并為兩種熱失配材料的粘接提供了參考。

3 仿真分析

本文以采用H20E 型導電膠在鋁合金LD31 腔體上粘接可伐合金4J34 載板作為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS 建立4 種尺寸可伐載板的粘接仿真模型，對不同尺寸載板與膠體粘接界面處因材料熱膨脹系數差異產生的熱應力分布進行仿真研究。 仿真模型如圖3 所示， 模型中4 種尺寸可伐載板分別是邊長為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm 的正方形， 粘接膠層厚度設定為50 μm，模型尺寸參數如表1 所示，模型材料性能參數如表2 所示。 為提高計算效率， 對模型進行簡化處理：1）因載板形狀高度對稱，這里取1/4 的對稱模型進行分析研究；2）將粘接空洞等缺陷考慮進模型會導致網格劃分無法進行，因此模型中認為粘接工藝良好，忽略膠層中空洞等缺陷；3）假定溫度變化時，模型整體溫度分布均勻。

圖3 仿真模型

表1 模型尺寸參數

表2 模型材料參數

采用靜力學對模型經過一定范圍的溫度變化后，在低溫狀態下4 種尺寸載板與膠體粘接界面處的應力分布情況進行仿真。 經過-55～125 ℃溫度變化后剪應力仿真結果如圖4 所示，4 種尺寸可伐載板粘接面處應力分布情況大致保持一致，均為從中間位置到邊緣逐漸增大，邊緣區域應力最大。 這也表明粘接面邊緣區域最容易出現裂縫和分層。

圖5 中給出了4 種尺寸可伐載板經過-55～125 ℃或-65～150 ℃溫度變化后沿對角線方向的剪應力分布曲線。 相比-55～125 ℃溫度變化，經過-65～150 ℃溫度變化后載板粘接面處具有更大的應力值，這也表明經過更大范圍溫度變化后更容易出現載板粘接失效。 沿對角線方向載板粘接面剪應力值隨著離載板中心的距離增加而單調遞增，在離載板中心最遠處出現應力最大值。 不同溫度范圍下不同尺寸載板在對角線方向的應力最大值仿真結果如表3 所示，總體來說，溫度變化范圍及載板尺寸越大，沿對角線方向的最大應力值也就越大。

圖4 4 種尺寸可伐載板與導電膠粘接界面處剪應力云圖

圖5 4 種可伐載板對角線方向剪應力分布曲線

表3 對角線方向最大應力值（單位/MPa）

通過以上仿真分析可知， 若采用H20E 型導電膠粘接熱失配較嚴重的鋁盒體和可伐載板，載板尺寸一定時，溫度變化范圍越大，載板粘接面處應力越大，也就越容易發生開裂、分層。另外，溫度變化范圍一定時，載板尺寸越大，粘接面邊緣應力值越大，越容易發生粘接失效。

4 試驗

4.1 試驗驗證

根據ANSYS 仿真軟件的分析結果， 在確保單一變量的前提下設計2 組試驗進行驗證。 采用H20E 型導電膠分別在2 塊鍍金LD31 鋁板(長100 mm，寬60 mm，厚6 mm)上粘接邊長分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm 4 種尺寸0.8 mm 厚的正方形鍍金可伐合金4J34 載板，試驗樣件實物圖如圖6 所示。 粘接完成后再分別進行-55～125 ℃和-65～150 ℃溫度范圍的溫度循環試驗， 溫度循環試驗條件見表4。 最后再通過Dage4000 型推力測試儀(推力極限值為100 kg)對樣件進行破壞性剪切力測試，以此評價載板的粘接可靠性。

圖6 粘接樣件實物圖

表4 溫度循環試驗條件

圖7 中給出了溫度循環試驗前后4 種尺寸可伐載板的剪切力測試結果。 溫循后載板剪切力均會大幅下降， 這是由于鋁板和可伐載板熱膨脹系數差異較大，環境溫度變化時兩者形變不匹配，就會在粘接界面處產生較大應力，而H20E 型導電膠楊氏模量較大，在應力作用下其應變較小，從而在粘接界面處出現裂紋等缺陷，導致載板整體粘接強度下降。相比-55～125 ℃溫循，經過-65～150 ℃溫循后載板剪切力更低，與前面仿真結果相吻合， 這是由于經過-65～150 ℃溫循后載板粘接面處應力更大，界面處裂紋等缺陷更多，從而更容易出現失效。

圖7 溫循前后不同尺寸載板剪切力值

4.2 工藝優化

產品在裝配及使用過程中所受應力情況極為復雜， 為進一步提高可伐載板在鋁盒體上的粘接可靠性， 擬采取以下3 種方法對可伐載板粘接工藝進行優化：1）H20E 型導電膠粘接載板后， 載板四周再添加UHU-Plus 型環氧絕緣膠進行加固；2） 采用8050 型柔性導電膠粘接；3）8050 型導電膠粘接載板后， 載板四周再添加UHU-Plus 型環氧絕緣膠進行加固。 試驗材料同上， 粘接完成后先按表4 中溫循1 試驗條件進行-55～125 ℃溫循試驗， 再按照表5 試驗條件進行隨機振動試驗。 最后同樣對樣件進行破壞性剪切力測試，以此評價載板的粘接可靠性。

表5 隨機振動試驗條件

圖8 中給出了環境試驗前及經過溫循、 隨機振動兩種環境試驗后不同粘接工藝下載板的剪切力測試結果。 可以明顯看出，對于5 mm 及以下載板的粘接，H20E+絕緣膠的粘接方式最優，而對于5 mm 以上載板的粘接，8050+絕緣膠的粘接方式最優。 采用H20E粘接時，環境試驗后載板粘接強度會大幅下降，但通過絕緣膠加固可大幅提高環境試驗后的載板粘接強度。 采用8050 粘接時，環境試驗前載板粘接強度明顯低于H20E，但其粘接強度在環境試驗前后比較穩定，這是由于8050 導電膠是一款柔性膠， 楊氏模量較低，其本身粘接強度比較低， 溫度試驗中易發生形變，不會因應力聚集形成微裂紋而降低本身強度。采用8050粘接的載板，同樣可通過絕緣膠加固的方式提高其粘接強度。 但8050 膠及UHU-Plus 型環氧絕緣膠粘度較大，對于小面積粘接操作較為困難，因此，對于單邊尺寸小于3 mm 的載板仍優先考慮采用H20E 粘接。

綜合考慮試驗結果及可操作性，建議鋁腔體上可伐載板粘接工藝優化如下：1）3 mm 及以下的載板采用H20E 粘接；2）3～5 mm 之間的載板可通過H20E +絕緣膠的方式粘接；3）5 mm 及以上的載板均采用8050 粘接，且盡可能添加絕緣膠加固。 從試驗結果來看，文中所述單邊最大尺寸為3.2 mm 的混頻模塊，采取H20E+絕緣膠的方式粘接后， 環境試驗后粘接強度提高了約3 倍，粘接可靠性大幅提高。

圖8 環境試驗前后不同粘接工藝下載板的剪切力值

5 結論

本文通過仿真和試驗驗證相結合的方式，對可伐載板在LD31 鋁合金基體上的粘接工藝進行了研究。得出結論如下：溫循范圍及載板尺寸越大，載板粘接界面邊緣處應力越大， 可伐載板的粘接可靠性越差。采用環氧絕緣膠加固或柔性導電膠粘接的方式對可伐載板粘接工藝進行優化可提高粘接可靠性。