导电胶应用的隐患来源及控制措施

2017-06-01宋夏林文海

电子与封装 2017年5期

关键词：导电胶组份保质期

宋夏，林文海

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）

导电胶应用的隐患来源及控制措施

宋夏，林文海

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）

导电胶是替代共晶焊料的优良材料之一，能适应军用电子小型化、便携化、批量化制造要求。它具备效率高、适应性强、污染少等优势。可能会在运输、混合、储存、使用等过程中出现问题，导致导电性和粘接强度等方面出现隐患。针对这些隐患提出通过储存领用记录、保存过程控制、同批次导电胶验证等措施来降低风险。

导电胶；导电性；粘接强度；隐患来源；控制措施

1 导电胶的作用

以雷达电子为代表的军用电子装备使用范围正在逐渐扩大，用途进一步细分至涵盖陆地、海洋、天空、大气层外等多个复杂领域，产品种类和数量的需求均大幅度增加。军用电子产品因其对机动性的需求，正向着小型化、便携化的方向发展，器件数量和集成度不断提高，对生产效率提出了很高的要求。在这样的应用背景下，以锡铅或锡银系列为代表的共晶焊料已经不足以满足微电子组装和封装技术发展的需要了。在现代集成电路、集成混合电路、多芯片模块组装过程中，导电胶公认是替代共晶焊料的优良材料之一。导电胶与共晶焊料相比有多种优势，例如操作效率高；互联工艺条件温和；界面适应性强；互联间隙小、可实现高密度互联；固化温度灵活，可适应不同温度梯度；适合挠性、应力敏感器件的连接；工艺完成后无助焊剂残留，对后续组装影响小，节约清除污染物的资源和时间[1～3]。

图1 导电胶导电密度与电阻率关系图

导电胶通常由树脂基体和填充金属粉组成，由填充金属粉实现导电性能。目前商用导电胶考虑到适用性、导电能力、成本、与树脂基体相容性等因素，通常都选用了填充银粉型。填充银粉型导电胶的导电原理可用渗透理论来解释。电阻率会随着填充银粉密度增加，超过临界密度Vc后显著降低，在该密度以下导电粒子相互接触，并形成三维稳定的网络结构；当超过该密度后，继续增加银粉密度，电阻密度的降低值将趋于平缓，如图1所示[4]。导电胶中的树脂基体由引发剂在一定温度下引发聚合反应，形成聚合物，主要提供粘接强度。因树脂基体不同，导电胶可分为热塑型和热固型两种，主要区别在于固化后热塑形导电胶再次受热超过玻璃化转变温度时，将逐渐重新恢复流动特性，而热固型导电胶一旦固化将形成不熔不溶的三维交叉网状结构，直至加热至分解温度也不可能再转换回流动态，热固型导电胶因其蠕变性更小等原因，在芯片粘接等微电子领域目前占据主导地位。

2 导电胶应用的隐患来源及影响

导电胶的应用主要围绕其实现导电性和粘接强度两方面。实际量产中选用导电胶一般都为了利用其生产效率高等优势，每天生产的组件数量较多；而微电子组件进入量产状态后，每天有成千上万的裸芯片等贵重元器件依赖导电胶粘接，一旦发生批量问题，造成的报废损失将非常惊人。以MCM组件为例，往往一只价格1万元的组件，裸芯片在其中成本会占到一半甚至更多，以每天生产200件为例（该产能更接近量产数量的下限），某天的导电胶失效没有及时发现，因芯片报废造成的损失就将高达100万元。因此在批量生产中如何通过管理方法和技术来确保导电性和粘接强度成为管理人员必须面对的问题。目前大规模商用导电胶通常有单组份和双组份两种，双组份导电胶的聚合引发剂和树脂单元基体分开存放，通常可室温运输、存放；混合前的保质期长，通常通过批次性混合可一次封装成多支导电胶，完成混合后一次用不完的可立即储存在-40℃的冰箱中，后续使用时再依次取出回温。单组份导电胶通常从运输过程开始就必须全程处于干冰低温保护状态，厂家为了确保中间状态受控会在包装中加入称为“Cube”的中间过程监控模块，该模块一旦回温后即会变色，一旦变色将不会再变回，以此来确定中间过程一直处于低温受控状态；应用方收货后存入低温冰箱，每次使用前回温，与双组份导电胶混合后进入冰箱存放的使用要求基本一致。

经过对导电胶结构组成、导电及粘接原理的分析，结合使用经验，梳理导电胶可能出现的隐患点见图2。

图2 可能的导电胶潜在隐患来源

其中采用双组份导电胶自行混合的手段，6种潜在隐患均有可能发生；采用单组份导电胶储存领用的手段，前三条由专业生产厂家控制，出现几率较低，但风险依然存在。各隐患发生的原因和可能带来的影响如下。

（1）引发剂失效。引发剂负责引发树脂聚合形成网状聚合物，如引发剂被污染或双组份混合前经历中高温导致部分分解等原因造成的失效，将会导致裸芯片粘接强度不够、粘接芯片报废的风险；同时树脂聚合不完全也会造成电阻较大等现象，严重时甚至会形成断路，造成组件报废。

（2）树脂基体被污染。树脂接受引发剂的引发，聚合形成网状聚合物，如树脂本体在封装时或开封使用时被污染，污染物可能会阻断引发聚合反应，干扰聚合过程，同样将会导致裸芯片粘接强度不够，严重时会形成断路而无法使用。

（3）混合过程失控。双组份导电胶的混合过程将决定引发剂在树脂基体的分布密度，当密度不均匀时将出现部分树脂基体缺少引发剂甚至无引发剂的现象，因绝大部分双组份导电胶均在双组份中预先混入银粉，此部分胶被挤出时外观与引发剂含量适量或过量的胶不会有太大区别，但因引发剂的缺乏而无法固化，受热后将直接导致组件报废。

采用自动搅拌设备设定程序混合，能够最大程度地避免手动混合带来的不均匀等问题，但搅拌过程的高转速决定了会有一定程度的发热，如没有适当手段处理掉这些多余的热量，导电胶升温会提高粘度、缩短保质期、甚至提前部分固化，这也将造成涂胶困难，给产品一致性和可靠性留下隐患。

（4）过保质期使用。导电胶虽然按要求在常温下引发剂和树脂本体分开，或混合后放入低温冰箱保存，但引发剂依然遵循阿仑尼乌斯方程控制的速率原理缓慢分解，分解到引发剂密度在临界密度以下即会造成固化失效、固化后电阻超标等问题，因此厂家往往规定了导电胶的保质期来确保性能满足要求。在实际使用过程中，一旦忽视过保质期的问题，使用过保质期的导电胶会带来导电性和粘接强度问题，因其属于特殊过程，一旦导电胶固化无法回到固化前的状态，造成问题归零过程查找原因非常困难。

（5）储存冰箱温度异常。日常用于导电胶储存的低温冰箱一般设定为-40℃，实验数据显示断电2 h左右即会回温至-10℃左右；冰箱门因积冰关闭不牢同样会造成温度异常上升；这些现象都会造成导电胶的实际保质期短于标注的标准保质期，同时会影响固化后电阻和粘接强度。

（6）非法反复回温。此现象属于管理问题，可能因长期以来对物料力求节约的教育因素影响，在同时遭遇极紧张计划进度、导电胶恰恰遇到短缺造成的心理压力出现时，极少数人员肆意地认为开封回温使用1次且时间较短，该支胶管内存有较多未用完导电胶可以再次放回低温冰箱，下次回温后再次使用不会有外观上的差异。实际上导电胶的树脂基体一般属于环氧树脂或丙烯酸酯类，低温回温后不可避免地会凝结空气中的少量水汽，这部分水汽中的绝大部分在固化时会受热挥发，对胶本体的影响已经在厂家设计配方时考虑过；但一旦回温后重新放入冰箱，在漫长的时间里吸入的水分作为一种慢性引发剂中毒剂会缓慢造成大量引发剂分子失效，同样可能造成严重的导电性、粘接强度、可靠性等多方面的隐患。

（7）工艺过程引起失效。在工艺过程中也有可能因使用时间超标、固化温度未达到、固化时间不充分等原因造成因工艺过程引起的失效。在这些状态下，固化后的导电胶电阻不能达到标称值，并可能存在数量级的差距；代表粘接强度的剪切力测试值也与标称值相距甚远。

3 控制措施

针对导电胶应用过程中可能出现的6类隐患来源，结合生产中的经验教训，我们引用《GJB2438A-2002混合集成电路通用规范》和《GJB548B-2005微电子器件实验方法和程序》对导电胶结产品的要求，总结了一系列技术手段和管理措施，并以正式管理规定文件的方式发布并培训，力求降低风险，提高应用水平，增强产品可靠性。具体涵盖的措施如下。

3.1 配胶过程控制措施

3.1.1 固定配胶方法及参数

导电胶混合时将厂家已分包好、比例确定的双组分胶中的其中一种组分全部转移到另一组分罐中，用专用混胶机混合。搅拌机设置A转/分、常压X秒后B转/分抽真空、Y分钟；完成后取出工装冷却后按该参数重复Z次，中途取出工装冷却。

3.1.2 配胶过程记录

双组份导电胶混合前由混合操作人员记录该日混合的导电胶盒盖上标注的保质期、批次号、混胶设备、工艺参数等信息。导电胶在混合灌封后每支需标注混合日期和胶种类。如当日不止混合一组双组份导电胶，还应分别标明混合组编号（例如有相同保质期的两罐A、B组份，则混合后分别标记为1号和2号混合组），为预防个别罐引发剂失效等问题，严禁同一支胶中灌入两个不同混合组的胶。

3.2 保存过程控制措施

3.2.1 存储要求

单组份导电胶应用前操作人员应确认同时满足混合前后各自的存储期限要求；航天等有相关记录要求的应用过程应记录该次应用的导电胶批次号、存储期限等信息备查，存储信息保存时限应满足《GJB2438A-2002混合集成电路通用规范》的要求；来料检验记录至少应保存3年，对K级电路为7年。

存储单组份导电胶和混合后双组份导电胶的-40℃冰箱由管理人员指定专人负责，冰箱上锁并由负责人掌管钥匙。混合后的导电胶或新到货导电胶分类放入过程由该专人负责并记录出入账。应优先用完（不包括本规定中结果复现要求留底的导电胶）一个批次后再启用下一批次。应用后的每批次导电胶严禁消耗完，必须保存1支或以上待结果复现时调用。该胶需单独标记，单独设与其他导电胶隔离的存储地，储存至其超出保质期后方允许废弃。

3.2.2 异常情况处理

如出现断电或积冰等不正常形貌变化时必须记录，每批次重做本文3.3节要求的导电性和粘接强度试验。

3.3 同批次导电胶实验验证措施

3.3.1 验证时机

K级组件应用时应遵照项目作业指导书要求每日验证或按相应项目工艺文件要求的周期验证。H级或以下级别组件应用时应按来料批次逐批次验证或在发生异常状态后进行验证。

3.3.2 电阻率验证

取镀金钼铜衬底X只，在阵列金焊盘的陶瓷版上按对应工艺条件清洗并固化，逐只键合连接钼铜衬底顶部与相邻陶瓷板金焊盘。用四探针法挨个测量不同位置电阻并记录。

3.3.3 剪切力试验样品制备

取1.7 mm×2.7 mm的硅芯片验证硅底层与导电胶的粘接强度，取0.7 mm×0.7 mm的砷化镓芯片，验证砷化镓金底层与导电胶的粘接强度，取0.75 mm×0.75 mm芯片电容，验证电容金底层与导电胶的粘接强度。

按《GJB548B-2005微电子器件实验方法和程序》方法2019.2《芯片剪切强度》的要求制样并做剪切力试验并判定，剪切力应满足图3的要求。

图3 芯片剪切强度标准

1.7 mm×2.7 mm硅芯片的剪切力应大于5 kg（或芯片本体推碎），0.7 mm×0.7 mm砷化镓芯片的剪切力应大于0.6 kg（或芯片本体推碎），0.75 mm×0.75 mm芯片电容的剪切力应大于0.7 kg（或芯片本体推碎）。

3.4 使用管理措施

3.4.1 使用前确认

使用前应对该管胶挤样确认流动性和外观正常，并查阅试验验证表记录的评价信息，确认该管胶状态正常。

3.4.2 使用要求

严格按导电胶胶接工艺文件中的要求应用导电胶。

3.4.3 过程记录

使用完成后当日内必须记录使用导电胶的操作人员、种类、批次、保质截止日期和相应工艺文件要求的其他信息。

3.5 SPC控制

统计过程控制（简称SPC）是一种借助数理统计方法的过程控制工具。可以在有条件的情况下利用它对导电胶的应用过程进行分析评价，根据测试结果及时发现系统性因素出现的征兆，并采取措施消除可能导致导电性和粘接强度变化的影响，使导电胶的应用工艺保持在受控状态。

应用SPC过程中应将导电胶的批次性测试数据及时绘制到控制图中，并密切观察控制图中电阻率和剪切强度的波动情况可以显示出过程受控或失控，如果发现失控，必须寻找原因并尽快消除其影响。

3.6 工艺过程控制

对于超大面积基板粘接等导电胶应用不方便测量电阻和剪切力的场合，应考虑引入X射线或声学扫描，通过对导电胶粘接工艺实际粘接面积和空洞率的测试，确保工艺过程受控。

4 总结

本文针对导电胶应用过程中可能引起导电性、粘接强度、可靠性隐患的引发剂失效、树脂基体被污染、混合过程失控、过保质期使用、储存冰箱温度异常、非法反复回温、工艺过程引起失效等7种现象，制定了相应的具体措施，通过配胶过程控制措施确保同一个封装罐中的引发剂或树脂不会混合进不同批次；通过记录和同批次导电胶实验验证措施避免引发剂失效、树脂基体被污染、混合过程失控等潜在隐患；通过保存过程控制措施避免过保质期使用、储存冰箱温度异常、非法反复回温等潜在隐患；通过同批次导电胶实验验证措施确保使用过程中的导电性、粘接强度得到验证。

[1]宋夏，林文海.微波多芯片组件中微量导电胶分配技术探讨[J].电子与封装，2014，14（1）:1-5.

[2]陈党辉，顾瑛，陈曦.国外微电子组装用导电胶的研究进展[J].电子元件与材料，2002，21（2）：34.

[3]高艳茹，李小兰.电子元器件表面组装用导电胶粘剂[J].绝缘材料通讯，2000，（1）：23.

[4]刘欣盈，向雄志，白晓军.导电胶粘剂的研究进展[J].电子元件与材料，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.

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