某儀表用導(dǎo)電膠與金屬骨架互連不良原因

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(dǎo)電膠是一種固化或干燥后具有一定導(dǎo)電性的膠黏劑，因其具有環(huán)境友好(無(wú)鉛)、加工溫度低、成本低、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在電子產(chǎn)品封裝和組裝方面應(yīng)用廣泛，如微電子裝配中細(xì)導(dǎo)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(shì)和服役環(huán)境的日趨復(fù)雜，對(duì)導(dǎo)電膠的黏接性能和導(dǎo)電性能提出了更高要求，其黏接質(zhì)量和退化失效情況對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性有較大影響。導(dǎo)電膠常見(jiàn)的黏接失效模式包括：界面氧化與電化學(xué)腐蝕、裂縫與分層、導(dǎo)電膠開(kāi)裂與蠕變、工藝缺陷和電化學(xué)遷移等[5-7]。

某儀表上的導(dǎo)電膠常溫放置后因黏接不良而導(dǎo)致電路故障。筆者對(duì)導(dǎo)電膠進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)與分析，研究了其失效原因和失效機(jī)理，為導(dǎo)電膠的應(yīng)用提供了參考。

1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)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(dǎo)線(鍍銀銅材料)與骨架(超硬鋁材料)采用環(huán)氧導(dǎo)電膠黏接，導(dǎo)電膠表面覆有一層聚氨酯清漆，并用硅橡膠進(jìn)行加固。

圖1 內(nèi)部電路板與金屬骨架整體宏觀形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 電性能測(cè)試

對(duì)失效儀表的電路進(jìn)行故障排查，電路板上未檢測(cè)出電路故障，而用1750型微歐計(jì)測(cè)試電路板接地線與骨架之間的電阻，結(jié)果為2 kΩ，大于技術(shù)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(duì)導(dǎo)線與電路板的焊接、導(dǎo)線自身以及導(dǎo)線與金屬骨架黏接處進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線與電路板的焊盤(pán)采用的是焊錫焊接，焊點(diǎn)飽滿(mǎn)、正常，導(dǎo)線本身無(wú)變形損傷，電阻均無(wú)異常，排除了導(dǎo)線焊接故障和導(dǎo)線故障；導(dǎo)線與金屬骨架由導(dǎo)電膠黏接，導(dǎo)線與導(dǎo)電膠之間電阻無(wú)異常，而導(dǎo)電膠與骨架之間的電阻偏大。使用銅導(dǎo)線在另一處將電路板與金屬骨架導(dǎo)通，電路板導(dǎo)線與金屬骨架之間的電阻為0.2 Ω，故障消失；而將銅導(dǎo)線斷開(kāi)，故障復(fù)現(xiàn)。因此，該儀表失效原因判定為導(dǎo)電膠與骨架互連不良。

2.2 宏觀觀察

失效儀表和正常儀表導(dǎo)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(dǎo)電膠均未見(jiàn)明顯脫離，但失效儀表的導(dǎo)電膠表面的聚氨酯清漆保護(hù)層存在明顯氣泡。氣泡是三防漆涂覆過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷，氣泡的存在不僅影響涂覆層的外觀，當(dāng)氣泡覆蓋了器件管腳、導(dǎo)線時(shí)，三防漆無(wú)法起到有效的防護(hù)，因此會(huì)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(dǎo)電膠黏接處的宏觀形貌

2.3 X射線檢測(cè)

采用XD7600NT RUBY型 X射線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)失效儀表和正常儀表導(dǎo)電膠黏接處進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：失效儀表導(dǎo)電膠內(nèi)部與金屬骨架黏接部位存在明顯孔洞，說(shuō)明導(dǎo)線與骨架之間未填充滿(mǎn)導(dǎo)電膠；而正常儀表導(dǎo)電膠內(nèi)部則未見(jiàn)明顯孔洞。

圖3 失效儀表和正常儀表導(dǎo)電膠黏接處X射線檢測(cè)結(jié)果

2.4 拉伸性能測(cè)試

在溫度為25 ℃，拉伸速率為100 mm/min的條件下,采用拉力機(jī)對(duì)失效儀表和正常儀表的導(dǎo)線進(jìn)行拉伸測(cè)試，直至導(dǎo)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(dǎo)電膠與金屬骨架在黏接面處發(fā)生界面脫離，破壞類(lèi)型屬于黏附破壞；而正常儀表在導(dǎo)電膠內(nèi)部發(fā)生脫離，破壞類(lèi)型屬于內(nèi)聚破壞(見(jiàn)圖4)。失效儀表的導(dǎo)電膠與金屬骨架的黏接強(qiáng)度明顯低于正常儀表。

圖4 失效儀表和正常儀表導(dǎo)線拉伸試驗(yàn)后宏觀形貌

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 黏接面分析

采用MIRA3型掃描電鏡(SEM)觀察失效儀表導(dǎo)線拉伸試驗(yàn)后導(dǎo)電膠的黏接面，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(jiàn)圖5)。骨架端黏接面的能譜分析結(jié)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(jiàn)圖6)。

圖5 失效儀表導(dǎo)線拉伸試驗(yàn)后導(dǎo)電膠黏接面SEM形貌

圖6 骨架端黏接面的能譜分析結(jié)果

2.5.2 導(dǎo)電膠橫切面分析

采用SEM觀察失效儀表和正常儀表導(dǎo)電膠的橫切面，從圖7所示的失效儀表導(dǎo)電膠橫切面的SEM形貌可知：失效儀表的導(dǎo)線與金屬骨架之間存在一個(gè)較大空隙，導(dǎo)電膠與金屬骨架之間的空隙寬度為45 μm～150 μm，導(dǎo)線底部到金屬骨架之間導(dǎo)電膠填充較少，且導(dǎo)電膠內(nèi)部存在明顯孔洞。進(jìn)一步研磨發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)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(dǎo)電膠內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了孔洞，但導(dǎo)電膠與骨架黏接處不存在明顯空隙(見(jiàn)圖8)。

圖7 失效儀表導(dǎo)電膠橫切面的SEM形貌

圖8 正常儀表導(dǎo)電膠橫切面的SEM形貌

失效儀表和正常儀表的導(dǎo)電膠能譜分析結(jié)果如圖9所示，由圖9可知：失效儀表和正常儀表的導(dǎo)電膠主要元素組成均為碳、氧和銀元素，未見(jiàn)明顯異常元素。

圖9 失效儀表和正常儀表的導(dǎo)電膠能譜分析結(jié)果

3 綜合分析

由于導(dǎo)電膠黏接工藝本身存在缺陷，導(dǎo)電膠未將導(dǎo)線與金屬骨架之間填充滿(mǎn)，形成了較大空隙，減少了導(dǎo)電膠與骨架的黏接面積，導(dǎo)致其黏接強(qiáng)度下降。而導(dǎo)電膠在內(nèi)部存在孔洞的情況下，仍可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持良好的互連。然而，這種情況也存在風(fēng)險(xiǎn),其會(huì)弱化互連的機(jī)械強(qiáng)度，使其對(duì)機(jī)械載荷的抵抗能力降低[1,3]。

導(dǎo)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(lái)源于外界，結(jié)合導(dǎo)電膠表面覆蓋的聚氨酯清漆保護(hù)層存在大量氣泡，說(shuō)明清漆未起到有效的防護(hù)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(jìn)而弱化黏接界面，導(dǎo)致導(dǎo)電膠與金屬骨架之間產(chǎn)生微小空隙,導(dǎo)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(yīng)力后會(huì)引起導(dǎo)電膠與金屬骨架互連不良，進(jìn)而影響導(dǎo)線與骨架之間的電阻。

4 結(jié)論及建議

由于導(dǎo)電膠的清漆保護(hù)層存在氣泡，腐蝕源侵入導(dǎo)電膠與骨架的黏接面并腐蝕骨架，進(jìn)而弱化了黏接界面，導(dǎo)致微小空隙的產(chǎn)生。導(dǎo)線與骨架之間未填充滿(mǎn)導(dǎo)電膠，形成了較大空隙，減小了導(dǎo)電膠與骨架的黏接面積，導(dǎo)致黏接強(qiáng)度下降。導(dǎo)電膠與骨架之間存在互連不良，并導(dǎo)致導(dǎo)線與骨架之間的電阻異常。

建議優(yōu)化導(dǎo)電膠的黏接工藝，以增加黏結(jié)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(duì)骨架進(jìn)行表面處理或更換骨架材料，以提高導(dǎo)電膠與金屬骨架的黏接性能；同時(shí)準(zhǔn)確地設(shè)置導(dǎo)電膠的工藝參數(shù)(溫度、壓力、時(shí)間、用量)，以避免空洞的產(chǎn)生。