基于梅花形点胶的表面安装元件粘接工艺改进

吉美宁，常明超

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

随着航天与军事系统对产品功能化、模块化的要求不断提高，混合集成电路以其小型化、多功能化、高可靠性等优点，越来越多地被应用于宇航、军事系统的产品中[1-4]。相较于单片集成电路，混合集成电路组成较为复杂，内部既有半导体芯片，又有表面安装元件（如电阻、电容、电感）[5]。美军标和国军标均对混合集成电路内部元件的粘接可靠性做出重点考核要求，主要通过剪切强度和X 射线照相对内部元件的粘接可靠性做出判定[6]。

剪切强度试验是为了检查半导体芯片或元件粘附在管座或基片上所使用材料和工艺的完整性。粘附不良会导致散热不良、电特性退化，甚至器件内部芯片或元件脱落，造成器件开路失效[7]。目前在混合集成电路内对表面安装元件进行固定时，多采用单点点胶贴装方式[8-10]。但由于机器自动化贴装的精度问题，电阻贴装位置与点胶位置会存在一定偏差，造成批次内粘接强度一致性较差。同时，单点点胶面积过小导致不能完全覆盖电阻端子粘接区域，造成粘接剂未对表面安装元件端头形成完全的包裹，影响粘接强度，存在批次性失效的隐患。

本文采用梅花形点胶方式代替传统的单点点胶方式，对混合集成电路内部表面安装元件的粘接工艺进行改进，增加点胶面积，降低机器偏差对贴装精度的影响，提高粘接强度一致性，降低批次性失效风险。

2 表面安装元件粘接工艺

2.1 自动贴装工艺

机器自动化贴装电阻等元件一般分为两步：第一步，采用点胶机进行点胶，点胶时采用针筒单点点胶模式；第二步，采用贴片机贴装电阻。

对于单点点胶，点胶面积过小会导致导电胶不能完全覆盖电阻端子粘接区域，造成粘接剂未对电阻端头形成完全的包裹，影响粘接强度。同时，点胶形状受到单点点胶模式的制约，也会对电阻粘接位置和强度产生影响。

而在贴片机自动化贴装过程中，由于器件外壳本身定位点和外形尺寸存在偏差，器件在传送舟内放置会存在一定的公差。又因为对器件内部电阻的粘接是由点胶机和贴片机两台设备完成，两台设备在精度和位置重合度上也会存在一定偏差，导致最终电阻贴装精度出现偏差。采用单点点胶模式机器作业电阻贴装时，未对电阻端头形成完全包裹的点胶情况见图1。

图1 未对电阻端头形成完全包裹的点胶情况

2.2 单点点胶模式下的剪切强度试验

选取不同批次采用自动贴装加工的某型号样品电路，共计30 只进行开帽。开帽后，观察电阻粘接形貌、并对电阻进行剪切强度试验。样品电路中采用0402 型号电阻，该型号电阻粘接面积为0.25 mm2，按照GJB 548B-2005 方法2019.2 计算其剪切强度，合格判据为0.31 kgf。其中编号6#、7#、9#、11#共4 只电路电阻剪切强度不满足合格判据（最小值仅0.14 kgf）。强度不合格的4 只均为电阻贴装位置出现偏差的电路，4 只不满足合格判据的电阻贴装情况如图2 所示。而贴装位置良好的电阻剪切强度试验均合格，合格品的剪切强度最小值为0.6 kgf。

图2 剪切强度不满足合格判据的电阻贴装情况

为研究是否因电阻贴装位置偏差对电阻粘接强度造成了影响，对上述试验不合格情况进行问题复现。采用单点点胶粘接模式，贴装10 只电阻贴偏的电路，并进行剪切强度试验。用于贴装的电路电阻与导电胶接触长度小于75%的电阻宽度，经剪切强度试验后，发现电阻贴偏后的10 只电路的电阻均出现粘接强度下降的情况。10 只贴装电路的电阻剪切强度为0.28～0.58 kgf，虽然部分电阻的剪切强度值达到了合格判据0.31 kgf，但均小于此前电阻正常贴装情况下的剪切强度最小值0.6 kgf。剪切强度为0.28 kgf 的电阻贴装情况如图3 所示。

图3 剪切强度为0.28 kgf 的贴装电阻粘接情况

综上所述，在电阻贴偏后，电阻粘接强度有下降趋势。电阻贴偏主要由点胶模式和自动化贴装偏差引起。

3 粘接工艺改进方法

通过改进电阻粘接面积，提高电阻粘接强度。通过优化粘接剂的点胶形状、增大点胶面积，确保电阻端头放置在点胶范围之内。

原工艺采用单点点胶模式，现更改为梅花形多点组合点胶模式，每个电阻的粘接端由3 个点胶点进行包裹。粘接材料采用纳米银材料，纳米银材料主要为银单质颗粒，经过高温烧结后，具有较好的致密性[11]。且电路采用镀金焊盘，表面安装元件端头采用镀金或镀银工艺，银单质作为导电介质，在焊盘和元件端头都具有较好的延展性。

单点点胶和梅花形多点组合点胶模式与点胶量对比分别如图4 和表1 所示。

表1 单点点胶和多点组合点胶模式点胶量对比

图4 单点点胶和多点组合点胶模式对比

梅花形多点组合点胶模式在电阻宽度方向由点1和点2 组成，相比于单点点胶模式，其通过在电阻端面点两次胶的方式，将电阻宽度方向粘接尺寸增大，有效克服了产品尺寸公差和不同设备之间的精度偏差问题。将第3 点点在电阻端面中间位置，不仅通过增大点胶量以提高电阻的粘接强度，同时也利于粘接剂对电阻端子的包裹，使粘接剂能够完全覆盖电阻端子粘接区域。优化后的点胶效果如图5 所示，点胶面积增大50%以上。

图5 多点组合点胶模式效果

采用优化后的梅花形多点组合点胶模式对混合集成电路内部电阻进行机器自动化贴装，贴装效果如图6 所示。从图6 中的点胶模式优化前后的电阻端头包裹情况可以看出，优化后电阻端头被完全包覆在粘接剂点胶范围之内，外观形貌良好。

图6 粘接工艺改进前后效果

4 点胶模式优化后剪切强度试验

采用梅花形多点组合点胶模式，制备15 只器件（30 只电阻）。机器自动化贴装电阻后，电阻均未出现贴装位置有偏差现象，贴装工艺一致性良好。对制备器件的内部电阻进行剪切强度试验，试验结果见表2。

表2 点胶模式优化后剪切强度试验结果

由表2 可知，各电阻剪切强度均满足要求（合格判据为0.31 kgf，最低剪切强度试验值为0.61 kgf），相较于单点点胶模式，剪切强度值有了明显的增加。

电阻剪切强度随电阻粘接面积的变化情况详见表3。由表3 可知，随着电阻粘接面积增大，电阻的剪切强度值也会增大，说明增大电阻的有效粘接面积，可以起到提高电阻粘接强度的作用。

表3 电阻剪切强度随电阻粘接面积的变化情况

电阻经过剪切强度试验后粘接剂残留结果如图7所示。可以看出，经过剪切强度试验后，残留在焊盘上的粘接剂仍保持较好的粘接形态，且残留量较大，表明通过梅花形点胶粘接后的电阻具有较高的剪切强度，进一步说明了采用梅花形点胶提高了表面安装元件的粘接质量。

图7 剪切强度试验后粘接剂残留结果

对粘接工艺的点胶模式进行改进后，电阻贴装效果良好，未出现贴偏现象。而且，电阻的剪切强度值有了显著的增加。此外，对批量生产器件中电阻粘接强度数据进行统计分析，结果表明粘接工艺一致性明显改善。所以，采用梅花形多点组合点胶粘接电阻，通过优化点胶形状，增加点胶面积，有效提高了器件内部电阻粘接质量。

5 结论

本文提出梅花形点胶模式，通过优化点胶形状，点胶面积增大50%以上，不仅确保了粘接质量，而且提升了器件内部表面安装元件粘接强度的一致性，有效解决了单点自动贴装精度差及一致性无法控制的问题。该方法适用于厚膜混合集成电路、MCM、SiP 等器件内部表面安装元件的粘接工艺改进，为提高工艺参数一致性、保证器件质量起到了有效促进作用。