基于有限元建模研究導電膠熱固多工況分析

方楚

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230031）

1 引言

導電膠的微小裂縫在熱或沖擊應力的作用下將不斷擴展并延伸至界面或膠體內部分層，最后導致粘接電阻增加甚至斷路。裂紋的形成有以下途徑：

（1）導電膠與金層、陶瓷基板間材料熱膨脹系數的差異使其在溫變應力下形變程度不一，熱機械疲勞界面處產生剪切應力并沿界面擴展，產生粘接膠裂縫或分層；

（2）低溫時導電膠的脆性導致裂縫的形成；

（3）粘接時導電膠與基板界面存在氣泡，這種缺陷不但會減少接觸面積，而且有助于裂紋的萌生和傳播；

（4）工藝缺陷導致的導電膠體內裂紋擴展到界面；

（5）膠層中存有少量空氣，這些空氣在受到熱時會持續膨脹，相近的氣泡甚至出現貫通，造成膠層出現孔洞，破壞導電通路，電阻增大。

目前鮮有研究通過開展有限元建模分析導電膠在溫度載荷情況下的多工況應力失效情況，本文開展仿真模擬導電膠本體、基板與導電膠界面、芯片與導電膠界面和芯片本身四個方面的應力水平，可作為初步判斷導電膠在溫度載荷作用下的失效分析手段。

2 建模方案

依據導電膠的材料參數構型開展有限元建模，包括外側爬高和外側平整兩方案，各方案均三面溢出，同時考慮不同厚度的導電膠層（10μm 、20μm、30μm）三類模型，模型詳細如圖1-2。

圖1：導電膠外側爬高方案的有限元模型

圖2：導電膠外側平整方案的有限元模型

3 載荷邊界設定

3.1 推力載荷

依據目前實際推力試驗載荷數據，選擇最小推力11.874kgf 針對未溢出膠那面開展推力試驗，刀頭尺寸按2.5mm*0.5mm 開展推力載荷分析，評估推力作用下，導電膠體剪切應力、芯片、導電膠與基板以及導電膠與芯片間的界面剪切應力。

3.2 溫度載荷

依據實際工作溫度循環的最大溫差，選擇80 度溫差作為工程校核計算溫度載荷。

4 計算結果

4.1 推力載荷計算結果

推力分析時，選擇涂膠的中等厚度20um 開展仿真分析，應力云圖如圖3-4。

圖3：外側爬高剪切應力云圖

圖4：外側平整剪切應力云圖

根據上述有限元模擬結果，提取膠層厚度20μm 時不同工況下導電膠、芯片和基板本身和相互間的最大應力水平，詳細匯總結果如表1 所示。

表1：推力載荷下導電膠熱固多工況分析結果

針對推力載荷工況，有如下結論：

（1）外側爬高的應力水平略低于外側平整，爬高起到剛度加強作用；

（2）導電膠與基板之間的界面應力要小于導電膠與芯片之間的界面應力；

（3）因實際試驗時，導電膠與基板層之間分離，因此綜合爬高和平整狀態下提取導電膠與基板界面應力最大值中的小值為14.73 兆帕，進一步綜合該工況下失效部位應力均值為12.49 兆帕，因此，可認為導電膠與基板之間的失效應力為12.49 兆帕，并將作為導電膠與基板是否分層的評估判據；

（4）因實際試驗時，導電膠與芯片層之間未分離，因此綜合爬高和平整狀態下提取導電膠與基板界面應力最大值中的大值為48.18 兆帕，進一步綜合該工況下失效部位應力均值為42.35 兆帕，因此，可認為芯片與導電膠之間失效的界面應力應大于42.35 兆帕，并將該值作為導電膠與芯片是否分層的評估判據；

（5）芯片最大應力為271.20 兆帕，經查文獻，基礎研磨硅片的抗彎強度為190-280 兆帕[1]，經過一定表面處理其強度最高能達到500 兆帕[2]，因此可認為實際試驗時芯片安全，未發生破損。

4.2 溫度載荷計算結果

溫度分析時，選擇涂膠的三種厚度（10μm 、20μm、30μm）開展仿真分析，部分應力云圖如圖5-6。

圖5：外側平整、膠層厚度20um 的剪切應力云圖

圖6：外側平整、膠層厚度30um 的剪切應力云圖

提取各狀態下不同構型導電膠、芯片和基板本身和相互間的最大應力水平，詳細匯總結果如表2 所示。

表2：溫度載荷下導電膠熱固多工況分析結果

針對溫度載荷工況，結論如下：

（1）導電膠在外側爬高時，由于其綜合尺寸略大，剪切應力水平稍高于外側平整狀態，應力最大偏差在3%以內，最大剪切應力為18.98 兆帕；

（2）導電膠與基板的界面應力要小于導電膠與芯片間的界面應力（剪切應力）；

（3）其中導電膠與基板之間的界面應力最大為2.44 兆帕，遠小于推力計算中的12.49 兆帕，因此認為導電膠不會與基板界面分層；

（4）同時導電膠與芯片之間的界面最大應力為15.16兆帕，也小于推力計算中42.35 兆帕，因此認為導電膠不會與芯片界面分層；

（5）芯片應力最大為40.45 兆帕，位于芯片與導電膠底部連接四周區域，芯片安全，未發生破損。

5 結論

本文提出了一種基于有限元建模研究導電膠熱固多工況的分析方法，從導電膠本體、基板與導電膠界面、芯片與導電膠界面和芯片本身四個方面模擬最大應力水平，可作為初步判斷導電膠在溫度載荷作用下的失效分析手段。