某仪表用导电胶与金属骨架互连不良原因

罗杰斯, 顾家宝, 徐焕翔, 朱 刚, 刘子莲

(工业和信息化部 电子第五研究所, 广州 511370)

导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶黏剂，因其具有环境友好(无铅)、加工温度低、成本低、灵活性高等优点[1-4]，在电子产品封装和组装方面应用广泛，如微电子装配中细导线与印刷线路的黏接、LED(发光二极管)封装中芯片与金属支架的黏接等。然而随着电子产品小型化的发展趋势和服役环境的日趋复杂，对导电胶的黏接性能和导电性能提出了更高要求，其黏接质量和退化失效情况对电子产品的可靠性有较大影响。导电胶常见的黏接失效模式包括：界面氧化与电化学腐蚀、裂缝与分层、导电胶开裂与蠕变、工艺缺陷和电化学迁移等[5-7]。

某仪表上的导电胶常温放置后因黏接不良而导致电路故障。笔者对导电胶进行一系列理化检验与分析，研究了其失效原因和失效机理，为导电胶的应用提供了参考。

1 试验材料

主要试验材料包括失效仪表和正常仪表的内部电路板与金属骨架整体。仪表的内部电路板与金属骨架整体宏观形貌如图1所示，由图1可知：接地导线(镀银铜材料)与骨架(超硬铝材料)采用环氧导电胶黏接，导电胶表面覆有一层聚氨酯清漆，并用硅橡胶进行加固。

图1 内部电路板与金属骨架整体宏观形貌

2 理化检验

2.1 电性能测试

对失效仪表的电路进行故障排查，电路板上未检测出电路故障，而用1750型微欧计测试电路板接地线与骨架之间的电阻，结果为2 kΩ，大于技术规范要求(≤1 Ω)，初步判定电路故障为接地线连接故障。

分别对导线与电路板的焊接、导线自身以及导线与金属骨架黏接处进行故障排查，发现导线与电路板的焊盘采用的是焊锡焊接，焊点饱满、正常，导线本身无变形损伤，电阻均无异常，排除了导线焊接故障和导线故障；导线与金属骨架由导电胶黏接，导线与导电胶之间电阻无异常，而导电胶与骨架之间的电阻偏大。使用铜导线在另一处将电路板与金属骨架导通，电路板导线与金属骨架之间的电阻为0.2 Ω，故障消失；而将铜导线断开，故障复现。因此，该仪表失效原因判定为导电胶与骨架互连不良。

2.2 宏观观察

失效仪表和正常仪表导电胶黏接处的宏观形貌如图2所示。由图2可知：失效仪表和正常仪表的导电胶均未见明显脱离，但失效仪表的导电胶表面的聚氨酯清漆保护层存在明显气泡。气泡是三防漆涂覆过程中常见的缺陷，气泡的存在不仅影响涂覆层的外观，当气泡覆盖了器件管脚、导线时，三防漆无法起到有效的防护，因此会影响产品的电性能和防潮性能[8-10]。

图2 失效仪表和正常仪表导电胶黏接处的宏观形貌

2.3 X射线检测

采用XD7600NT RUBY型 X射线检测系统对失效仪表和正常仪表导电胶黏接处进行检测，结果如图3所示。由图3可知：失效仪表导电胶内部与金属骨架黏接部位存在明显孔洞，说明导线与骨架之间未填充满导电胶；而正常仪表导电胶内部则未见明显孔洞。

图3 失效仪表和正常仪表导电胶黏接处X射线检测结果

2.4 拉伸性能测试

在温度为25 ℃，拉伸速率为100 mm/min的条件下,采用拉力机对失效仪表和正常仪表的导线进行拉伸测试，直至导线与金属骨架分离，随后分别观察失效仪表和正常仪表脱落后的黏接面。发现失效仪表的导电胶与金属骨架在黏接面处发生界面脱离，破坏类型属于黏附破坏；而正常仪表在导电胶内部发生脱离，破坏类型属于内聚破坏(见图4)。失效仪表的导电胶与金属骨架的黏接强度明显低于正常仪表。

图4 失效仪表和正常仪表导线拉伸试验后宏观形貌

2.5 扫描电镜及能谱分析

2.5.1 黏接面分析

采用MIRA3型扫描电镜(SEM)观察失效仪表导线拉伸试验后导电胶的黏接面，发现导电胶黏接面有明显凹槽，存在较大孔洞，金属骨架端黏接面部分区域存在腐蚀形貌(见图5)。骨架端黏接面的能谱分析结果表明：骨架端黏接面正常区域主要有氧、铜、锌、镁、铝和硅元素，而腐蚀区域除上述元素外，还存在氯元素(见图6)。

图5 失效仪表导线拉伸试验后导电胶黏接面SEM形貌

图6 骨架端黏接面的能谱分析结果

2.5.2 导电胶横切面分析

采用SEM观察失效仪表和正常仪表导电胶的横切面，从图7所示的失效仪表导电胶横切面的SEM形貌可知：失效仪表的导线与金属骨架之间存在一个较大空隙，导电胶与金属骨架之间的空隙宽度为45 μm～150 μm，导线底部到金属骨架之间导电胶填充较少，且导电胶内部存在明显孔洞。进一步研磨发现，导电胶与骨架黏接处存在宽度约为0.5 μm～0.9 μm的微小间隙。在正常仪表的导电胶内部也发现了孔洞，但导电胶与骨架黏接处不存在明显空隙(见图8)。

图7 失效仪表导电胶横切面的SEM形貌

图8 正常仪表导电胶横切面的SEM形貌

失效仪表和正常仪表的导电胶能谱分析结果如图9所示，由图9可知：失效仪表和正常仪表的导电胶主要元素组成均为碳、氧和银元素，未见明显异常元素。

图9 失效仪表和正常仪表的导电胶能谱分析结果

3 综合分析

由于导电胶黏接工艺本身存在缺陷，导电胶未将导线与金属骨架之间填充满，形成了较大空隙，减少了导电胶与骨架的黏接面积，导致其黏接强度下降。而导电胶在内部存在孔洞的情况下，仍可以在很长一段时间内保持良好的互连。然而，这种情况也存在风险,其会弱化互连的机械强度，使其对机械载荷的抵抗能力降低[1,3]。

导电胶和骨架本身均不含氯元素，骨架黏接面腐蚀处的氯元素来源于外界，结合导电胶表面覆盖的聚氨酯清漆保护层存在大量气泡，说明清漆未起到有效的防护作用。因此，潮湿气体和杂质离子容易引起金属骨架腐蚀，进而弱化黏接界面，导致导电胶与金属骨架之间产生微小空隙,导电胶与金属骨架处于不稳定的接触状态，在受到外界应力后会引起导电胶与金属骨架互连不良，进而影响导线与骨架之间的电阻。

4 结论及建议

由于导电胶的清漆保护层存在气泡，腐蚀源侵入导电胶与骨架的黏接面并腐蚀骨架，进而弱化了黏接界面，导致微小空隙的产生。导线与骨架之间未填充满导电胶，形成了较大空隙，减小了导电胶与骨架的黏接面积，导致黏接强度下降。导电胶与骨架之间存在互连不良，并导致导线与骨架之间的电阻异常。

建议优化导电胶的黏接工艺，以增加黏结接触面积，排除空气；优化清漆的涂覆和固化工艺，避免气泡的产生；对骨架进行表面处理或更换骨架材料，以提高导电胶与金属骨架的黏接性能；同时准确地设置导电胶的工艺参数(温度、压力、时间、用量)，以避免空洞的产生。