羅杰斯, 顧家寶, 徐煥翔, 朱 剛, 劉子蓮
(工業(yè)和信息化部 電子第五研究所, 廣州 511370)
導電膠是一種固化或干燥后具有一定導電性的膠黏劑,因其具有環(huán)境友好(無鉛)、加工溫度低、成本低、靈活性高等優(yōu)點[1-4],在電子產(chǎn)品封裝和組裝方面應用廣泛,如微電子裝配中細導線與印刷線路的黏接、LED(發(fā)光二極管)封裝中芯片與金屬支架的黏接等。然而隨著電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢和服役環(huán)境的日趨復雜,對導電膠的黏接性能和導電性能提出了更高要求,其黏接質(zhì)量和退化失效情況對電子產(chǎn)品的可靠性有較大影響。導電膠常見的黏接失效模式包括:界面氧化與電化學腐蝕、裂縫與分層、導電膠開裂與蠕變、工藝缺陷和電化學遷移等[5-7]。
某儀表上的導電膠常溫放置后因黏接不良而導致電路故障。筆者對導電膠進行一系列理化檢驗與分析,研究了其失效原因和失效機理,為導電膠的應用提供了參考。
主要試驗材料包括失效儀表和正常儀表的內(nèi)部電路板與金屬骨架整體。儀表的內(nèi)部電路板與金屬骨架整體宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:接地導線(鍍銀銅材料)與骨架(超硬鋁材料)采用環(huán)氧導電膠黏接,導電膠表面覆有一層聚氨酯清漆,并用硅橡膠進行加固。
圖1 內(nèi)部電路板與金屬骨架整體宏觀形貌
對失效儀表的電路進行故障排查,電路板上未檢測出電路故障,而用1750型微歐計測試電路板接地線與骨架之間的電阻,結果為2 kΩ,大于技術規(guī)范要求(≤1 Ω),初步判定電路故障為接地線連接故障。
分別對導線與電路板的焊接、導線自身以及導線與金屬骨架黏接處進行故障排查,發(fā)現(xiàn)導線與電路板的焊盤采用的是焊錫焊接,焊點飽滿、正常,導線本身無變形損傷,電阻均無異常,排除了導線焊接故障和導線故障;導線與金屬骨架由導電膠黏接,導線與導電膠之間電阻無異常,而導電膠與骨架之間的電阻偏大。使用銅導線在另一處將電路板與金屬骨架導通,電路板導線與金屬骨架之間的電阻為0.2 Ω,故障消失;而將銅導線斷開,故障復現(xiàn)。因此,該儀表失效原因判定為導電膠與骨架互連不良。
失效儀表和正常儀表導電膠黏接處的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:失效儀表和正常儀表的導電膠均未見明顯脫離,但失效儀表的導電膠表面的聚氨酯清漆保護層存在明顯氣泡。氣泡是三防漆涂覆過程中常見的缺陷,氣泡的存在不僅影響涂覆層的外觀,當氣泡覆蓋了器件管腳、導線時,三防漆無法起到有效的防護,因此會影響產(chǎn)品的電性能和防潮性能[8-10]。
圖2 失效儀表和正常儀表導電膠黏接處的宏觀形貌
采用XD7600NT RUBY型 X射線檢測系統(tǒng)對失效儀表和正常儀表導電膠黏接處進行檢測,結果如圖3所示。由圖3可知:失效儀表導電膠內(nèi)部與金屬骨架黏接部位存在明顯孔洞,說明導線與骨架之間未填充滿導電膠;而正常儀表導電膠內(nèi)部則未見明顯孔洞。
圖3 失效儀表和正常儀表導電膠黏接處X射線檢測結果
在溫度為25 ℃,拉伸速率為100 mm/min的條件下,采用拉力機對失效儀表和正常儀表的導線進行拉伸測試,直至導線與金屬骨架分離,隨后分別觀察失效儀表和正常儀表脫落后的黏接面。發(fā)現(xiàn)失效儀表的導電膠與金屬骨架在黏接面處發(fā)生界面脫離,破壞類型屬于黏附破壞;而正常儀表在導電膠內(nèi)部發(fā)生脫離,破壞類型屬于內(nèi)聚破壞(見圖4)。失效儀表的導電膠與金屬骨架的黏接強度明顯低于正常儀表。
圖4 失效儀表和正常儀表導線拉伸試驗后宏觀形貌
2.5.1 黏接面分析
采用MIRA3型掃描電鏡(SEM)觀察失效儀表導線拉伸試驗后導電膠的黏接面,發(fā)現(xiàn)導電膠黏接面有明顯凹槽,存在較大孔洞,金屬骨架端黏接面部分區(qū)域存在腐蝕形貌(見圖5)。骨架端黏接面的能譜分析結果表明:骨架端黏接面正常區(qū)域主要有氧、銅、鋅、鎂、鋁和硅元素,而腐蝕區(qū)域除上述元素外,還存在氯元素(見圖6)。
圖5 失效儀表導線拉伸試驗后導電膠黏接面SEM形貌
圖6 骨架端黏接面的能譜分析結果
2.5.2 導電膠橫切面分析
采用SEM觀察失效儀表和正常儀表導電膠的橫切面,從圖7所示的失效儀表導電膠橫切面的SEM形貌可知:失效儀表的導線與金屬骨架之間存在一個較大空隙,導電膠與金屬骨架之間的空隙寬度為45 μm~150 μm,導線底部到金屬骨架之間導電膠填充較少,且導電膠內(nèi)部存在明顯孔洞。進一步研磨發(fā)現(xiàn),導電膠與骨架黏接處存在寬度約為0.5 μm~0.9 μm的微小間隙。在正常儀表的導電膠內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了孔洞,但導電膠與骨架黏接處不存在明顯空隙(見圖8)。
圖7 失效儀表導電膠橫切面的SEM形貌
圖8 正常儀表導電膠橫切面的SEM形貌
失效儀表和正常儀表的導電膠能譜分析結果如圖9所示,由圖9可知:失效儀表和正常儀表的導電膠主要元素組成均為碳、氧和銀元素,未見明顯異常元素。
圖9 失效儀表和正常儀表的導電膠能譜分析結果
由于導電膠黏接工藝本身存在缺陷,導電膠未將導線與金屬骨架之間填充滿,形成了較大空隙,減少了導電膠與骨架的黏接面積,導致其黏接強度下降。而導電膠在內(nèi)部存在孔洞的情況下,仍可以在很長一段時間內(nèi)保持良好的互連。然而,這種情況也存在風險,其會弱化互連的機械強度,使其對機械載荷的抵抗能力降低[1,3]。
導電膠和骨架本身均不含氯元素,骨架黏接面腐蝕處的氯元素來源于外界,結合導電膠表面覆蓋的聚氨酯清漆保護層存在大量氣泡,說明清漆未起到有效的防護作用。因此,潮濕氣體和雜質(zhì)離子容易引起金屬骨架腐蝕,進而弱化黏接界面,導致導電膠與金屬骨架之間產(chǎn)生微小空隙,導電膠與金屬骨架處于不穩(wěn)定的接觸狀態(tài),在受到外界應力后會引起導電膠與金屬骨架互連不良,進而影響導線與骨架之間的電阻。
由于導電膠的清漆保護層存在氣泡,腐蝕源侵入導電膠與骨架的黏接面并腐蝕骨架,進而弱化了黏接界面,導致微小空隙的產(chǎn)生。導線與骨架之間未填充滿導電膠,形成了較大空隙,減小了導電膠與骨架的黏接面積,導致黏接強度下降。導電膠與骨架之間存在互連不良,并導致導線與骨架之間的電阻異常。
建議優(yōu)化導電膠的黏接工藝,以增加黏結接觸面積,排除空氣;優(yōu)化清漆的涂覆和固化工藝,避免氣泡的產(chǎn)生;對骨架進行表面處理或更換骨架材料,以提高導電膠與金屬骨架的黏接性能;同時準確地設置導電膠的工藝參數(shù)(溫度、壓力、時間、用量),以避免空洞的產(chǎn)生。