鄒嘉佳，高　宏，周金文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230031）

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一種新型芯片粘接用導(dǎo)電銀膠的性能研究*

鄒嘉佳，高宏，周金文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230031）

摘要：制備了一種由環(huán)氧樹(shù)脂基體、咪唑類(lèi)固化劑、微米級(jí)銀粉和活性稀釋劑體系構(gòu)成的導(dǎo)電銀膠。該導(dǎo)電銀膠的常溫體積電阻率為3.7×10(-4)Ω·cm，擱置壽命大于48 h，粘度適中，耐熱散熱性能良好。將該導(dǎo)電銀膠應(yīng)用在3種引線(xiàn)框架并考察其可靠性，結(jié)果表明導(dǎo)電銀膠與無(wú)鍍層框架的粘接性最好，但在高溫時(shí)各框架的粘接性相差不大。同時(shí)考察了該導(dǎo)電銀膠應(yīng)用于LGA封裝的芯片粘接效果，封裝后界面無(wú)氣泡和分層現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電銀膠；體積電阻率；粘接性；可靠性

1　前言

導(dǎo)電膠以其突出的環(huán)境友好性，良好的線(xiàn)分辨率和簡(jiǎn)單的加工操作性被廣泛應(yīng)用于微電子組裝領(lǐng)域[1～3]。導(dǎo)電膠的粘接工藝簡(jiǎn)單，固化溫度低，可以作為錫-鉛焊料的替代品，并成功解決了以往焊接工藝引起的元器件變形、粘接不牢、性能下降等問(wèn)題，因此導(dǎo)電膠的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。以銀粉、銀片構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電銀膠是目前導(dǎo)電膠中使用最廣泛、最成熟的一種，已在航空航天領(lǐng)域占據(jù)穩(wěn)定市場(chǎng)份額，其在集成電路封裝及組裝和照明領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，在新興的能源領(lǐng)域也逐漸占據(jù)一席之地[4～5]。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，導(dǎo)電銀膠在液晶顯示屏(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、集成電路(IC)封裝(DIP、QFN、QFP、SOP、SSOP、BGA)、印刷線(xiàn)路板組件(PCBA)、點(diǎn)陣塊、陶瓷電容、薄膜開(kāi)關(guān)、智能卡、射頻識(shí)別等電子元器件及組件的封裝和粘接中大量應(yīng)用[6～7]。

本文新開(kāi)發(fā)一款環(huán)氧樹(shù)脂基體的導(dǎo)電銀膠，使其具有較高的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，有效地散除芯片工作時(shí)釋放的熱，能夠滿(mǎn)足大功率器件的封裝要求。材料體系采用環(huán)氧樹(shù)脂、微米級(jí)的片狀銀粉、咪唑類(lèi)固化劑和活性稀釋劑，通過(guò)混合工藝制備了一款導(dǎo)電銀膠，并研究了該導(dǎo)電銀膠的固化后體積電阻率、粘度、粘接強(qiáng)度、耐熱等性能，重點(diǎn)考察了其在不同環(huán)境條件下的粘接性能。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1原材料

主要原材料有環(huán)氧樹(shù)脂、咪唑類(lèi)固化劑、微米級(jí)銀粉、活性稀釋劑、偶聯(lián)劑。

2.2導(dǎo)電銀膠的制備

將環(huán)氧樹(shù)脂、咪唑類(lèi)固化劑按一定比例預(yù)混合，攪拌10～30 min得到基體樹(shù)脂，再將0.5～100 μm的片狀銀粉（75wt％左右）、偶聯(lián)劑和活性稀釋劑按照一定比例與基體樹(shù)脂用三輥研磨機(jī)混合研磨30～90 min成為細(xì)膩的銀白色均勻混合物，即導(dǎo)電銀膠。固化條件為150℃恒溫60min，固化后得到熱性能和電性能待測(cè)樣品。

2.3導(dǎo)電銀膠的制備

（1）體積電阻率試樣制備方法：制備樣品根據(jù)ASTM D257-91標(biāo)準(zhǔn)方法，其具體過(guò)程如下：兩條平行的3M Scotch810膠帶（間距大約4 mm）貼在尺寸為25.4 mm×76.2 mm、清洗過(guò)的載玻片上，把制備好的少量導(dǎo)電膠放置到兩條膠帶之間的空隙處，并用手術(shù)刀把其涂覆平整，然后移走膠帶。經(jīng)固化和冷卻到室溫后，用帶有四探針的Agilent 34401A萬(wàn)用表測(cè)試導(dǎo)電膠的體積電阻。

（2）粘度按照GB/T 2794-1995標(biāo)準(zhǔn)使用Brookfield CP51粘度計(jì)測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下的粘度。剪切粘度使用TA AR2000旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在常溫下測(cè)試。

（3）Tg和熱膨脹系數(shù)按照ASTM D-696標(biāo)準(zhǔn)使用TMA Q400測(cè)試，熱導(dǎo)率按照ASTM E-1461標(biāo)準(zhǔn)使用Anatech Phase11測(cè)試，熱失重按照MIL-STD-883G METHOD 5011.4使用TGA Q500測(cè)試。

（4）拉伸剪切強(qiáng)度按照GBT7124-2008使用NSTRON微力材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，芯片推力按照MIL-STD -883G 2019.7采用DAGE 4000完成。

（5）可靠性檢測(cè)環(huán)境為：濕熱老化測(cè)試：30℃/60％ RH，200 h；基板粘接力測(cè)試：30℃、150℃、250℃/60％ RH；引線(xiàn)框架粘接性、剪切力及T-scan測(cè)試：溫度25℃，濕度50％RH～60％RH。環(huán)境實(shí)驗(yàn)用濕熱老化箱為銀河恒溫恒濕箱。

3　結(jié)果與討論

3.1導(dǎo)電銀膠常規(guī)性能分析

將導(dǎo)電銀膠進(jìn)行中溫固化流程，條件為150℃、固化1 h。固化后樣品的體積電阻率測(cè)試結(jié)果列于表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)電銀膠的體積電阻率為3.7×10-4Ω·cm，與市售國(guó)外同樣銀粉含量的導(dǎo)電銀膠處于同一數(shù)量級(jí)。在存放48 h后進(jìn)行固化，導(dǎo)電銀膠的體積電阻率增大51.4％，這是因?yàn)閷?dǎo)電銀膠在48 h內(nèi)發(fā)生部分交聯(lián)，導(dǎo)致在受熱反應(yīng)時(shí)，固化密度減小，體積收縮減小，銀粉搭接程度也降低。

表1　導(dǎo)電銀膠放置48 h前后導(dǎo)電率變化

從表2的導(dǎo)電銀膠粘度變化中可以看出，導(dǎo)電銀膠的粘度適中，處于易加工的使用范圍內(nèi)(導(dǎo)電銀膠的粘度控制在10 000 cps左右最適合點(diǎn)膠工藝)。導(dǎo)電銀膠的擱置壽命(shelf life)是判斷其加工性的重要指標(biāo)之一。儲(chǔ)存48 h后，粘度有所上升但增幅不大，低于擱置壽命上限規(guī)定的25％，換言之，此導(dǎo)電銀膠的理論使用壽命大于48 h?？紤]到48 h后的導(dǎo)電率，此導(dǎo)電銀膠應(yīng)在解凍后48 h內(nèi)使用保證最好效果。

表2　導(dǎo)電銀膠放置48 h前后粘度變化

觸變現(xiàn)象是高質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)顆粒流體中廣泛存在的一種流變特性，即流體內(nèi)部顆粒絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化而發(fā)生的破壞和恢復(fù)過(guò)程。在導(dǎo)電銀膠的使用過(guò)程中，觸變性反映了加工時(shí)導(dǎo)電銀膠的流動(dòng)性和加工完成后膠體形狀保持特性，因此觸變性是導(dǎo)電銀膠加工性能的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。導(dǎo)電銀膠的觸變性暫無(wú)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)一般采用轉(zhuǎn)速0.5 rpm/5 rpm的粘度比值作為其觸變系數(shù)，其中0.5 rpm對(duì)應(yīng)于靜止?fàn)顟B(tài)下的粘度，5 rpm對(duì)應(yīng)于點(diǎn)膠狀態(tài)下的粘度。市售導(dǎo)電銀膠的觸變系數(shù)一般為5左右，本導(dǎo)電銀膠的觸變系數(shù)為4.8，即可滿(mǎn)足市場(chǎng)大部分點(diǎn)膠設(shè)備要求。

為深入了解導(dǎo)電銀膠48 h前后的結(jié)構(gòu)變化，考察了導(dǎo)電銀膠的流變性能，如圖1所示。室溫放置48 h前后，導(dǎo)電銀膠的特性粘度曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為角頻率增大時(shí)，粘度降低程度減緩，即剪切變稀行為。純環(huán)氧樹(shù)脂為牛頓流體，因此導(dǎo)電銀膠的剪切變稀行為由環(huán)氧樹(shù)脂中銀片網(wǎng)絡(luò)引起。48 h前后導(dǎo)電銀膠特性粘度曲線(xiàn)趨勢(shì)幾乎一致說(shuō)明，引起粘度變化的主要為環(huán)氧樹(shù)脂，而環(huán)氧樹(shù)脂中的銀片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾乎不變。放置前導(dǎo)電銀膠在0.5 rpm時(shí)，η*=51.45 Pa·s，在5 rpm時(shí)η*=7.95 Pa·s；放置48 h后在0.5 rpm時(shí)，η*=62.97 Pa·s，在5 rpm時(shí)η*=9.72 Pa·s。計(jì)算得到放置48 h后0.5 rpm和5 rpm粘度分別增長(zhǎng)22.4％和23.0％，觸變系數(shù)均為6.5，均比Brookfield粘度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)偏大，這與測(cè)試儀器流動(dòng)機(jī)理不同有關(guān)。導(dǎo)電銀膠48 h前后流變性能的趨勢(shì)也在另一方面印證48 h前后體積電阻率的變化主要由環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)引起。

固化后該導(dǎo)電銀膠的邵氏硬度D為72，其熱性能見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)表明，該導(dǎo)電銀膠耐高溫性能一般，在77.5℃以上會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，熱膨脹系數(shù)增長(zhǎng)5倍，不宜用于要求嚴(yán)格的高溫使用環(huán)境。但其散熱性能較好，熱導(dǎo)率較高，可使用于一般要求的大功率器件封裝，其最高使用溫度為340℃(質(zhì)量損失2％)。

表3　導(dǎo)電銀膠熱性能

圖1　導(dǎo)電銀膠放置48 h前后粘度變化

3.2導(dǎo)電銀膠可靠性分析

通過(guò)對(duì)導(dǎo)電銀膠粘結(jié)硅片與不同框架的粘結(jié)性可靠性的研究，得到在常溫、150℃、250℃下其粘結(jié)力性能如表4所示。隨著測(cè)試溫度的升高，導(dǎo)電銀膠的粘接力均大幅下降，導(dǎo)電銀膠與鍍鎳鈀金框架的粘接力變化最小。在常溫時(shí)，導(dǎo)電銀膠與無(wú)鍍層框架的粘接力最高，在250℃時(shí)，導(dǎo)電銀膠與3種框架的粘接力區(qū)別不大。通過(guò)與國(guó)外同樣銀粉含量的導(dǎo)電銀膠性能比較，二者的差異不大。

導(dǎo)電銀膠的剪切力隨時(shí)間的變化如圖2所示，測(cè)試條件為150℃(30℃/60％RH)，在3級(jí)濕氣敏感性等級(jí)(Moisture Sensitivity Level 3，MSL3)條件下比較了無(wú)鍍層、鍍銀銅、鍍鎳鈀金3種框架。圖中可見(jiàn)，濕熱老化過(guò)程中，導(dǎo)電銀膠與鍍銀銅框架的初始強(qiáng)度最高且最穩(wěn)定，隨時(shí)間變化很小。導(dǎo)電銀膠與純銅框架的初始強(qiáng)度略低，在96 h后剪切力顯著下降。導(dǎo)電銀膠與鎳鈀金框架的初始強(qiáng)度與無(wú)鍍層框架相近，但在24 h后剪切力顯著下降，在96 h后又有所增加。總體而言，MSL3條件下該導(dǎo)電銀膠的可靠性較高。

柵格陣列封裝LGA (Land Grid Array)不需要植球，適合輕薄短小的產(chǎn)品應(yīng)用，被廣泛用于集成電路芯片。將研制出的導(dǎo)電銀膠用于LGA形式進(jìn)行芯片粘接，將得到的元器件進(jìn)行超聲波T-scan掃描，結(jié)果如圖3所示。圖中可見(jiàn)，封裝后導(dǎo)電銀膠界面無(wú)氣泡、分層現(xiàn)象，說(shuō)明該導(dǎo)電銀膠可使用成熟工藝方式用于常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)，可靠性滿(mǎn)足使用要求。

表4　導(dǎo)電膠在引線(xiàn)框架上粘結(jié)力測(cè)試結(jié)果

圖2　導(dǎo)電銀膠的剪切力隨時(shí)間的變化

4　結(jié)論

研制出一種新型具有高導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能的導(dǎo)電銀膠，可用于大功率器件封裝，其性能如下：

（1）導(dǎo)電銀膠粘度適中，便于操作，擱置壽命約為48 h，48 h后粘度變化不大但導(dǎo)電率增加；其固化后散熱性能較好，可用于一般要求的大功率器件封裝。

（2）導(dǎo)電銀膠可用于無(wú)鍍層、鍍銀銅、鎳鈀金3種框架，常溫下導(dǎo)電銀膠與無(wú)鍍層框架的粘接力最高；MSL3條件下該導(dǎo)電銀膠的可靠性較高；封裝后芯片粘接導(dǎo)電銀膠中無(wú)氣泡分層現(xiàn)象。

圖3　LGA塑封元器件中導(dǎo)電銀膠芯片粘接的T-scan掃描結(jié)果

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鄒嘉佳（1984—），女，山東濟(jì)南人，畢業(yè)于四川大學(xué)，博士，工程師，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所工作，主要從事基板材料和工藝研究。

Performance Study of a Novel Silver-filled Conductive Adhesive Used for Die Bonding

ZOU Jiajia, GAO Hong, ZHOU Jinwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230031, China）

Abstract：High performance conductive silver adhesive were prepared using epoxy resin, micron-scale silver flake powder, imidazole curing agent, active thinner, et el. The volume resistivity of conductive silver adhesive was 3.7×10(-4)Ω· cm. It had excellent properties such as long spot life, moderate viscosity, high thermal conductance and heat resistance. The reliabilities of that conductive silver adhesive used in three types of lead frame were studied. The results showed that the adhesive properties between conductive silver adhesive and bare Cu lead frame was best at room temperature, but the adhesive properties between conductive silver adhesive and three lead frames were the same at 250℃. Finally, there were neither large bubbles nor delamination in the LGA module used that conductive silver adhesive.

Keywords:conductive silver adhesive; volume resistivity; adhesive properties; reliability

作者簡(jiǎn)介：

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(61204019)

收稿日期：2016-2-22

中圖分類(lèi)號(hào)：TM249.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）04-0001-03