厚膜混合集成電路電容導(dǎo)電粘接技術(shù)研究及可靠性評(píng)價(jià)

李松玲 孫曉峰 飛景明 向語(yǔ)嫣 陳滔

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京市 100094）

1 引言

厚膜混合集成電路具有功率密度高、體積小、可靠性和穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)多功能微電路等特點(diǎn)，在我國(guó)軍用電子裝備中具有廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)電粘接是厚膜混合集成電路組裝的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)主要用來(lái)裝聯(lián)小功率器件與成膜基板，達(dá)到模塊的結(jié)構(gòu)要求和電氣性能要求。厚膜混合集成電路中采用該技術(shù)組裝的元器件的比例可以達(dá)到元器件總數(shù)的60%~80%，所以粘接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和電氣性能，決定產(chǎn)品的可靠性。

涉及粘接的元器件主要包括裸芯片和片式元件。其中電容導(dǎo)電粘接失效導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題最多，主要包括以下幾方面；由于端頭與基板粘接面積小，固化不良導(dǎo)致力學(xué)失效或電阻超標(biāo)；端頭之間距離小，導(dǎo)電膠不滿足絕緣間距甚至橋連；使用過(guò)程中導(dǎo)電膠老化或界面老化導(dǎo)致電阻值不穩(wěn)定或超標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究固化溫度、固化時(shí)間對(duì)混合集成電路電容導(dǎo)電粘接的電阻值及粘接強(qiáng)度的影響；設(shè)計(jì)不同加固方法，優(yōu)化組裝結(jié)構(gòu)，并對(duì)電容導(dǎo)電粘接技術(shù)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

厚膜混合集成電路產(chǎn)品為提高模塊的集成度，一般對(duì)0603及以下封裝尺寸的電容采用導(dǎo)電粘接的方式進(jìn)行電氣連接。導(dǎo)電銀膠是用于現(xiàn)代電子封裝的重要粘接材料，相比傳統(tǒng)的釬料，其操作溫度低、機(jī)械性能好、與大部分有機(jī)、無(wú)極、金屬材料濕潤(rùn)良好，且封裝工藝簡(jiǎn)單。導(dǎo)電銀膠中的導(dǎo)電填料主要是微米或者亞微米銀粉。銀作為填充料具有較高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的理化性能、價(jià)格合理以及其氧化物也具有導(dǎo)電性能等特點(diǎn)，因而已廣泛用作導(dǎo)電填料。本文選取單組份導(dǎo)電銀膠作為粘接材料，對(duì)端頭為鈀銀材料的0603封裝的電容進(jìn)行粘接試驗(yàn)。成膜基板載體選用的是高溫?zé)频?6%的AlO陶瓷基板，焊盤為鈀銀材料。

導(dǎo)電銀膠為銀粒子填充在環(huán)氧樹(shù)脂成份中，由于兩者密度差別大，常溫下處于液態(tài)的導(dǎo)電膠中的銀粒子會(huì)發(fā)生沉淀，導(dǎo)致導(dǎo)電膠分層。為防止分層，導(dǎo)電膠一般貯存在-40℃的環(huán)境中，使用前常溫下進(jìn)行回溫。分層問(wèn)題也同樣表現(xiàn)在貼裝后、固化前的液態(tài)膠體中。放置時(shí)間過(guò)短，無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率；放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致銀粒子聚集，在電容底部隨環(huán)氧膠向另一側(cè)端頭流動(dòng)，在電容周圍表現(xiàn)為透明環(huán)氧膠析出，最終導(dǎo)致兩個(gè)端頭之間的距離不滿足絕緣間距。對(duì)貼裝后的電容分別放置0h、1h、2h、3h、4h，然后進(jìn)行烘烤固化，對(duì)5組電容粘接結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析放置時(shí)間對(duì)粘接的影響。

固化條件對(duì)導(dǎo)電膠的裝接強(qiáng)度、電性能的穩(wěn)定性和抗老化性能有著重要的影響。其中固化溫度和固化時(shí)間是導(dǎo)電膠固化的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，溫度過(guò)低或固化時(shí)間不足，導(dǎo)電膠內(nèi)的有機(jī)溶劑不能充分揮發(fā)，銀粒子之間不能形成連續(xù)接觸，導(dǎo)致電阻值高，剪切力不滿足要求。固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成基板鍵合區(qū)、焊接區(qū)的氧化，影響產(chǎn)品可靠性。同時(shí)，增加固化時(shí)間相當(dāng)于給器件疊加穩(wěn)定性烘焙試驗(yàn)，一定程度上惡化了器件性能。本文所用的導(dǎo)電膠手冊(cè)推薦的固化溫度為180℃，烘烤10min或者200℃，烘烤6min。結(jié)合生產(chǎn)需要，產(chǎn)品需要在不高于150℃的烘烤條件下進(jìn)行固化，所以需要優(yōu)化烘烤條件。導(dǎo)電膠固化溫度越低所需固化時(shí)間越長(zhǎng)，綜合考慮廠家推薦的固化溫度、固化時(shí)間和產(chǎn)品內(nèi)部其它元件、材料耐溫特性，選取80℃、120℃、150℃三個(gè)固化溫度，0.5h、1h、2h三個(gè)固化時(shí)間，進(jìn)行9組試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行電阻測(cè)試及剪切力測(cè)試，試驗(yàn)矩陣如表1所示。

表1：試驗(yàn)矩陣

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 外觀評(píng)價(jià)

器件貼裝后放置1~2個(gè)小時(shí)，膠體形貌變化很小。4個(gè)小時(shí)后導(dǎo)電膠形貌發(fā)生了嚴(yán)重變化，從側(cè)面可以看到兩個(gè)端頭的導(dǎo)電膠之間的距離已經(jīng)明顯縮小，電容周圍有少量環(huán)氧膠析出。對(duì)5組樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試，從剪切后底部導(dǎo)電膠殘留可以看出，放置時(shí)間小于2小時(shí)的器件，兩端導(dǎo)電膠間距大于0.4mm；放置3小時(shí)的器件，兩端導(dǎo)電膠間距在0.3mm~0.4mm；放置4小時(shí)的器件兩端導(dǎo)電膠間距在0.2mm左右，其中1只器件兩個(gè)端頭的導(dǎo)電膠發(fā)生橋連，如圖1所示。銀粉的導(dǎo)電性能好，銀的氧化還原反應(yīng)活化能低，且銀的氧化物及中間生成物均可溶于水，使其成為遷移速率最高的金屬，銀粒子因其特定的物理和化學(xué)性質(zhì)，強(qiáng)電場(chǎng)作用下易發(fā)生遷移現(xiàn)象。因此，必須嚴(yán)格控制導(dǎo)電膠之間以及導(dǎo)電膠與其它導(dǎo)電介質(zhì)之間的距離。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，器件貼裝后應(yīng)減少放置時(shí)間，綜合考慮批量生產(chǎn)要求，貼裝后放置2h以內(nèi)進(jìn)行固化為宜。

圖1：電容端頭發(fā)生橋連

表1的9組試驗(yàn)采用的點(diǎn)膠方法和點(diǎn)膠量相同，貼片后外觀形貌一致，典型外觀如圖2、圖3所示。電容貼裝后按照GJB548B-2005方法2017.1進(jìn)行外觀檢查。電容兩端75%周界上可見(jiàn)粘接介質(zhì)溢出，導(dǎo)電膠表面無(wú)氧化變色、裂紋、損傷等問(wèn)題。

圖2：粘接正面

圖3：粘接側(cè)面

2.2.2 電阻測(cè)試

導(dǎo)電膠導(dǎo)電的原理為膠水固化后膠粘劑中的導(dǎo)電粒子之間相互接觸形成電的通路。導(dǎo)電膠在固化前，導(dǎo)電粒子在膠粘劑中是均勻分散的，相互間沒(méi)有連續(xù)接觸，因而處于絕緣狀態(tài)。導(dǎo)電膠固化后，膠粘劑揮發(fā)使導(dǎo)電粒子間呈穩(wěn)定的連續(xù)接觸，形成一個(gè)導(dǎo)電的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使導(dǎo)電膠形成各向穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。對(duì)樣品進(jìn)行電阻測(cè)試，電阻測(cè)試值取電容兩個(gè)端頭的電阻總和。第1~5分組試驗(yàn)樣本的阻值全部大于200mΩ，第6~9組試驗(yàn)樣本的阻值在35mΩ~50mΩ之間，說(shuō)明6~9分組試驗(yàn)樣本相對(duì)1~5組試驗(yàn)樣本導(dǎo)電膠固化完全。固化溫度150℃、固化時(shí)間0.5h~2h的條件下，以及固化溫度120℃、固化時(shí)間2h的條件下，導(dǎo)電粒子相互間均呈現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)接觸，形成了良好的電通路。

其中固化溫度為150℃的7~9組試驗(yàn)樣本阻值較多分布在40mΩ以下，平均阻值低于固化溫度為120℃的第6分組樣本。導(dǎo)電膠的阻值由三部分組成，包括集中電阻、隧穿電阻和導(dǎo)電粒子內(nèi)阻，其中集中電阻是指膠體內(nèi)電流流經(jīng)較小的導(dǎo)電接觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。隧穿電阻是指膠體內(nèi)電流流經(jīng)導(dǎo)電粒子間隙或?qū)щ娏Ｗ颖砻娓采w的環(huán)氧樹(shù)脂薄膜和金屬氧化物而產(chǎn)生的電阻。導(dǎo)電粒子自身內(nèi)阻對(duì)導(dǎo)電膠整體的阻值影響較小，因此導(dǎo)電膠整體阻值主要由集中電阻和隧穿電阻決定，而這兩項(xiàng)電阻主要由導(dǎo)電粒子間接觸狀態(tài)決定。導(dǎo)電膠的導(dǎo)電粒子間接觸越緊密，接觸面積越大，導(dǎo)電性能越好。固化溫度低，導(dǎo)電膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)，有利于膠黏劑對(duì)銀粒子表面進(jìn)行濕潤(rùn)包覆，導(dǎo)電粒子間接觸面積小，降低導(dǎo)電性能。固化溫度高，交聯(lián)反應(yīng)的時(shí)間縮短，導(dǎo)電膠快速固化，使膠黏劑難以對(duì)銀粒子充分濕潤(rùn)包覆，從而增加導(dǎo)電銀粒子之間相互接觸的機(jī)率，因此提高導(dǎo)電性。所以，提高固化溫度可以使銀粒子間接觸面積增大，進(jìn)而減小隧穿電阻，降低整體阻值，150℃的固化條件下獲得了更優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

圖4：剪切力測(cè)試結(jié)果

2.2.3 剪切力測(cè)試

內(nèi)部元件粘接的力學(xué)可靠性主要是通過(guò)剪切強(qiáng)度測(cè)試來(lái)判定。剪切力是給粘接在基板上的元器件施加一個(gè)平行于器件的作用力，使得器件從基板上脫落。器件脫落的失效模式主要分為以下三種：a. 斷裂發(fā)生在導(dǎo)電膠與器件或基板板粘接界面處，導(dǎo)致該失效模式的原因?yàn)榻缑嫣幷辰訌?qiáng)度較低；b. 斷裂發(fā)生在膠體內(nèi)部，導(dǎo)致該失效模式的原因?yàn)檎辰觿┍倔w強(qiáng)度低于界面粘接強(qiáng)度；c. 綜合失效模式，兼有a和b兩種模式。對(duì)9組試驗(yàn)樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試，剪切力數(shù)據(jù)如圖4所示。

結(jié)果顯示第1組參數(shù)粘接的電容剪切力最小，失效模式全部為b。從剪切后狀態(tài)分析，在100℃較低的溫度、時(shí)間30min的情況下，導(dǎo)電膠未固化完全。導(dǎo)電膠本體強(qiáng)度低，斷裂發(fā)生在導(dǎo)電膠內(nèi)部。隨著固化時(shí)間延長(zhǎng)、固化溫度升高，第2~5組試驗(yàn)樣本導(dǎo)電膠固化程度逐漸增加，剪切力逐漸增大，最大為1.16kgf。失效模式主要為b和c，此階段導(dǎo)電膠硬化并失去粘性，本體強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明導(dǎo)電膠發(fā)生了初始固化，固化并未完全結(jié)束。第6~9組試驗(yàn)的剪切力值基本在1.4kgf~1.6kgf之間，結(jié)果明顯優(yōu)于前5組試驗(yàn)，說(shuō)明導(dǎo)電膠在120℃下烘烤至少2h或150℃下烘烤0.5h~2h的條件下，膠體內(nèi)反應(yīng)基團(tuán)全部參加交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)電膠已經(jīng)得到充分的固化。

有研究已經(jīng)表明導(dǎo)電膠固化后延長(zhǎng)固化時(shí)間不能提高剪切強(qiáng)度，而固化過(guò)度容易引起固化殘余應(yīng)力，其嚴(yán)重影響導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能。對(duì)于導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能，最佳的固化工藝是固化到電阻基本沒(méi)有變化即停止固化，即不要固化過(guò)度。另外，延長(zhǎng)固化時(shí)間增加了芯片或基本表面的氧化風(fēng)險(xiǎn)，所以在保證導(dǎo)電膠固化的條件下應(yīng)盡量減少烘烤時(shí)間。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，固化溫度150℃，時(shí)間0.5h即可固化。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果分析，點(diǎn)膠后應(yīng)在2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行烘烤固化，導(dǎo)電膠在150℃下烘烤0.5h已經(jīng)得到充分的固化，電阻值小于50mΩ、剪切力大于1.4kgf，滿GJB548B-2005方法2019.2的要求。

3 電容加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)加固方法

由于電容只有端頭底部可以進(jìn)行導(dǎo)電粘接，導(dǎo)電粘接劑不能過(guò)多。電容相對(duì)芯片等平面結(jié)構(gòu)的器件，高度和重量大，所以如果只粘接端頭，電容粘接的長(zhǎng)期可靠性無(wú)法保證。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種電容加固的方法，并對(duì)每種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查及剪切力評(píng)價(jià)。

方法一：在電容本體底部中間涂絕緣膠，外觀示意圖如圖5所示。具體操作步驟為：端頭對(duì)應(yīng)的基板焊盤上點(diǎn)導(dǎo)電膠→兩焊盤中間點(diǎn)絕緣膠→貼裝電容→固化；

圖5：底部加固

方法二：導(dǎo)電膠固化后在電容本體兩側(cè)涂絕緣膠，外觀示意圖如圖6所示。具體操作步驟為：端頭對(duì)應(yīng)的基板焊盤上點(diǎn)導(dǎo)電膠→貼裝電容→固化→電容本體兩側(cè)涂絕緣膠→固化；

圖6：兩側(cè)加固

方法三：兼容以上兩種方式進(jìn)行加固，外觀示意圖如圖7所示。具體操作步驟為：端頭對(duì)應(yīng)的基板焊盤上點(diǎn)導(dǎo)電膠→兩焊盤中間點(diǎn)絕緣膠→貼裝電容→固化→電容本體兩側(cè)涂絕緣膠→固化。

圖7：底部和兩側(cè)加固

3.2 結(jié)果分析

剪切力結(jié)果如圖8所示，其中第一種底部加固方法的剪切力最小。而且，由于這種加固方式是在底部點(diǎn)環(huán)氧絕緣膠，器件擠壓的過(guò)程中，絕緣膠易與導(dǎo)電膠接觸，造成導(dǎo)電膠中金屬粒子向中間遷移，存在絕緣間距不足的隱患。第二種加固方法剪切力在2.7kgf~3kgf之間，比第一種平均剪切力高27.3%，且第二種加固方法簡(jiǎn)單，不存在端頭橋連的隱患。第三種加固方法的剪切力略高于第二種，但第三種加固方式工序步驟復(fù)雜，且同樣存在絕緣間距不足的隱患。綜合試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用情況分析，第二種加固方式更滿足產(chǎn)品要求。

圖8：加固后電容剪切力測(cè)試結(jié)果

4 粘接可靠性評(píng)價(jià)

取25只樣品依據(jù)GJB548B-2005方法1005.1中表1“穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)時(shí)間-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系”，按照溫度T=150℃進(jìn)行184h穩(wěn)定性烘焙試驗(yàn)。每間隔50h，抽樣5只進(jìn)行外觀目檢、端頭電阻測(cè)試及剪切力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，對(duì)老化試驗(yàn)50h后的樣品進(jìn)行電阻測(cè)試，樣品電阻平均值為40.5mΩ。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，電阻值隨之增加，184h試驗(yàn)后阻值增大到105mΩ，滿足器件使用要求。電阻值增大的原因一方面是老化試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)電膠內(nèi)聚合物發(fā)生蠕變或變形，使得原來(lái)相互接觸的導(dǎo)電粒子被拉開(kāi)，導(dǎo)致導(dǎo)電膠自身電阻增大。另一方面，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，界面電阻不斷增大。界面電阻增大的原因?yàn)閷?dǎo)電膠與器件端頭或基板結(jié)合強(qiáng)度降低，影響導(dǎo)電性能；另外有研究表明，導(dǎo)電膠與鈀銀焊盤或鈀銀端頭界面之間因氧化或非貴金屬電化學(xué)腐蝕形成的氧化物會(huì)導(dǎo)致電阻增大。老化試驗(yàn)過(guò)程中粘接界面處因氧化或化學(xué)反應(yīng)形成一層薄的金屬氧化物，其電阻遠(yuǎn)高于導(dǎo)電粘接的本體金屬及導(dǎo)電膠，所以老化試驗(yàn)使得粘接界面的接觸電阻顯著上升。

圖9：剪切力和電阻平均值隨老化時(shí)間的變化

剪切力平均值隨老化時(shí)間的變化如圖9所示，試驗(yàn)前剪切力平均值為2.95kgf，剪切力隨老化時(shí)間增加不斷降低，100h后剪切力平均值下降速度加快，在184h試驗(yàn)結(jié)束后剪切力平均值降為1.73kgf，下降了41.4%，但最終剪切力結(jié)果滿足GJB548B-2005方法2019.2要求。剪切力降低的主要原因?yàn)槟z體內(nèi)應(yīng)力的釋放，導(dǎo)電膠蠕變或變形形成較高的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致膠層裂縫或分層。李鳳琴等在研究高溫高濕老化試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)電粘接可靠性能時(shí)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過(guò)濕熱老化處理的試樣其斷裂面表現(xiàn)出一定的延性，隨著濕熱老化試驗(yàn)的進(jìn)行，導(dǎo)電膠膜的連接逐漸失去延性，相對(duì)平坦和光滑的斷裂面越來(lái)越明顯，尤其是當(dāng)濕熱老化時(shí)間為720和1000小時(shí)的情況，導(dǎo)電膠膜的剝落效應(yīng)十分明顯，粘接界面呈現(xiàn)脆性斷裂。本試驗(yàn)從剪切后失效模式可以看出，在1000倍金相顯微鏡下觀察沒(méi)有經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)的樣品，失效斷面高低不平，有被拉伸的跡象，說(shuō)明膠體被拉伸后才斷裂。隨著老化試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，金相顯微鏡下斷面狀態(tài)隨之變化，說(shuō)明導(dǎo)電膠膠體逐漸失去延展性。184h老化試驗(yàn)后金相照片結(jié)果顯示斷面最為清晰平直，說(shuō)明剪切力測(cè)試結(jié)果以界面裂紋高速擴(kuò)展的脆斷為主要的失效模式。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究固化溫度、固化時(shí)間對(duì)混合集成電路電容導(dǎo)電粘接的影響。結(jié)果顯示點(diǎn)膠后應(yīng)在2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行烘烤固化，導(dǎo)電膠在150℃、烘烤0.5h的固化條件已經(jīng)得到充分的固化，電阻值小于50mΩ、剪切力大于1.4kgf。設(shè)計(jì)不同電容加固結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)性能、可靠性、生產(chǎn)效率三個(gè)方面分析，最終確定導(dǎo)電膠固化后在電容本體兩側(cè)涂絕緣膠加固的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最優(yōu)。采用優(yōu)化的加固結(jié)構(gòu)和固化條件制備樣品，按照548B-2005的要求進(jìn)行溫度循環(huán)、恒定加速度、穩(wěn)定性烘焙試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著穩(wěn)定性烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)，剪切力降低，電阻增大。分析其原因?yàn)閷?dǎo)電膠蠕變或變形使得膠體內(nèi)相互接觸的導(dǎo)電粒子被拉開(kāi)、膠層形成裂縫或分層，最終導(dǎo)致剪切力降低，電阻增大。同時(shí)導(dǎo)電膠與焊盤或端頭界面之間因氧化或電化學(xué)腐蝕形成氧化物導(dǎo)致界面電阻增大。