1 引言
导电胶粘接技术,主要应用于厚膜电路片、薄膜电路片接地等。导电胶粘接技术与其它焊、柔性印刷电路片与壳体、载板的固定接技术如钎焊、共晶焊接相比,具有独特的优越性。钎焊不能用于镀金表面,需用助焊剂和阻焊膜,且随后的加工过程中的温度不能超过其熔点;而共晶工艺一般只适用于镀金表面,并且其焊接温度高,焊后基本不能返修。而导电胶粘接具有较高的电导率,固化温度低、技术简单、具有更好的稳定性和环境适应性等特点,使其在微电子领域获得广泛研究与应用,是微组装工艺过程中是必要且十分重要的技术环节。在微组装工艺中,必然需要使用大量的导电胶。导电胶由基本粘接材料、固化剂、填充剂、催化剂、增韧剂、稀释剂、溶剂、增粘剂、稳定剂等按一定比例组成。其中基本粘接材料、固化剂、催化剂的种类和比例决定了该材料的剪切强度、固化温度、固化时间等特性。不同的导电胶使用的温度、场合都各不一样。
2 正文
2.1 导电胶粘接失效问题
随着电子产品向小型化、便携式、低成本的方向发展,新型的铝腔体也慢慢的代替了传统的铜腔体。但是由于铝材和铜材在机械性能和电气性能上的不一致,在替代中会出现其它预料之外的现象。我单位在腔体型材的替换过程中就出现过粘结界面开裂及微带片脱落问题。腔体更换成铝材后,使用原来H20E 导电胶粘结的微波件,在常温测试时,功能和性能正常,但是经过高低温冲击及温度存储试验后,发现铝腔体内的粘结界面出现裂纹及部分微带片脱落,粘结失效,导致微波件的功能及性能指标下降甚至失效。图1 为我所某微波件更改成铝体后经过温度冲击试验后的结果。
从图1 看出,在经过-40℃~80℃的温度冲击试验后,导电胶粘结界面的开裂比例在30%以上,微带片脱落比例在10%以上,即经过温度冲击试验后,微波件的总体故障率在40%以上,不具备可生产性。通过查找铝材和铜材与温度相关的性能,发现铝材铝的膨胀系数24.30ppm/℃,而铜的膨胀系数只有16.56ppm/℃,两个材料的热膨胀系数相差较大。
因此通过初步分析,裂纹形成有以下几个途径:
1 界面材料具有不同的热膨胀系数,产生的热机械疲劳导致粘接胶裂缝或分层。
2 低温时导电胶的脆性导致裂缝的形成。
3 粘接时导电胶与基板界面存在气泡。
4 工艺缺陷导致的导电胶体内裂纹扩展到界面。
因此为了解决铝腔体粘结后的脱落问题的最佳途径是找到缓解热膨胀系数失配的粘接材料。
2.2 导电胶选择及使用范围的确定
鉴于原有的H20E 不适合铝腔体的粘结技术,我们又从常用的导电胶中选择了ME8456、EPO-TEK H20S、BONDLINE 2485 三种胶用于铝腔体和微带片的粘结试验,经过温度冲击试验后,发现的使用EPO-TEK H20S粘接的微波件的失效率达到50%以上,而使用BONDLINE 2485 粘结的微波件的失效率也在20%以上,而使用ME8456 的粘结的微波件没有发现失效情况。我们将试验用的几种的导电胶几种进行性能比较,见下表1:
在导电胶的几个性能指标中,玻璃化温度(TG)指的是聚合物中发生相变的温度。聚合物在低于玻璃化温度时处于一种更刚性的类似于玻璃质状态,这时具有高强度和低热膨胀系数(CTE)。当温度超过玻璃化温度时,可以使材料转换成一种“橡胶态”。玻璃化温度的选择对于弥补热膨胀系数失配,有极其重要的意义。在几种导电胶中,ME8456 型导电胶的玻璃化温度低最低,只有-20℃。在常温及其工作温度下,ME8456 型导电胶处于类似“橡胶”的形态,可以弥补热膨胀系数不匹配带来的应力作用,避免导电胶粘结界面的开裂即微带片的脱落。
2.3.使用工艺
导电胶固化是所有导电胶使用中的一个重要环节,对导电胶的性能影响很大。如何确定导电胶的固化温度曲线对粘结后的微波件的性能有较大的影响。不同厂家、不同型号的导电胶固化对应关系不同,一般固化时间长短和温度高低成反比关系。表2 为厂家提供的ME8456 固化温度对应关系。
表2 ME8456 固化温度与时间对应关系
根据厂家给出的对应关系,我们选择了125℃固化,时间为2 小时。发现固化后在胶体内部出现很多小气泡,气泡的存在严重影响导电胶的导电性、导热性以及剪切力等指标。从理论上讲,固化温度变化率越小,固化效果越好,可以减小固化后导电胶内部应力以及减少气泡。但是固化温度低,则需要的固化时间增加,从而降低了生产效率。如何在固化温度和固定时间上找到平衡,在满足性能的同时提高生产效率。查阅了大量资料,得知挥发会在超过100℃时加剧,挥发加剧导致固化后气泡增多。根据这个理论及试验,我们总结了ME8456 的固化曲线如图2:
先经过80℃烘烤60 分钟,然后再经过120℃固化100 分钟,固化后导电胶的胶体内部没有气泡产生,胶体的导电性、导热性以及剪切力等指标也满足生产的要求,整个固化时间在160分钟,也可以满足生产率的要求。
ME8456 适用于热膨胀系数不匹配、尺寸较大的材料间的粘接。不适用于粘接管芯及器件。原因如下:
一、因为管芯及器件粘接面积小,而且这种导电胶常温下为“橡胶态”,剪切力较小,无法保证粘接可靠性;
二、如果器件需要键合,键合过程中较高的温度会导致胶体变的更软,且键合过程中劈刀随传感器伸缩前后振动,会把振动传递给管芯,使器件产生相对位移,导致键合后拉力减小,可靠性变差。
3 结论
ME8456 导电胶的选用,从根本上解决了热膨胀系数不匹配材料粘接界面存在裂纹的问题,实现了铝腔体上直接粘接微带片的工艺,对降低生产成本、减轻微波件的重量、实现仪器便携式和保证产品质量方面都起到了至关重要的作用。