醫用設備用各向同性導電膠的研究

馬興華 岳立 孫尹晏

摘要：在粘接固化過程中，在界面處出現原子能級現象和器件老化過程是文章的主要焦點之一。討論了組裝過程的基本原子和分子水平機理以及材料化學對電阻穩定性的影響。該機制包括在粘合劑固化過程中導電路徑形成在粘合劑和金墊界面上以及界面在老化過程中是如何演變的。還討論了可能影響電阻不穩定性的粘合劑配方中的成分，以及穩定電阻的溶液空間。

關鍵詞：醫用設備;同向導電粘合劑;臨界電性能;原子能級現象;器件老化過程

中圖分類號：TN405 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0016-04

1緒論

1.1ECA分層的影響因素

用于大功率植入式醫療器械的微電子模塊通常是雙面的，以節省空間。一方面，所有的電子元件都是通過模壓連接和電線連接到印刷電路板（PCB）上，然后所有的元件都是用環氧樹脂模塑化合物轉移模塑的。本文將此工藝稱為印制線路板（PWB）組裝工藝。PWB組裝過程依次包括以下過程步驟：模具連接（DA）粘合劑分配、模具拾取和放置、粘合劑固化、線粘合（WB）、轉移模塑和轉移后模具固化（PMC）。另一方面，許多電子元件采用標準表面貼裝技術（SMT）焊接在同一塊PCB板上。此過程稱為DCA組裝過程，包括以下步驟：錫膏印刷、元件拾取和放置、焊料回流、底充（UF）分配、底充固化和焊劑殘留清洗。設計的微電子模塊如圖1所示。

由于PCB的兩側具有諸如銅跡線和阻焊開口的設計特征，所以它們相互作用并增加PCB設計的復雜性。相互作用的主要問題之一是芯片附著膠和線焊墊脫層。

1.2成型應力與分層機理

在模壓和環氧模塑復合材料（EMC）注塑過程中，構件受到各種機械應力。這些應力可以影響硅骰子和用于連接骰子到PCB的芯片連接粘合劑。如果在傳遞模塑過程中施加的應力分布超過了模具附著粘接強度（或連接界面）的分布，則可以在整個或部分發生模具附著分層。這種現象已經在不同的PCB設計上被觀察到，并且可以通過PCB設計和模塑工藝變化成功地減輕，如下面更詳細地描述的。到目前為止，這種現象僅在一些與導電芯片粘接粘接的骰子上觀察到。用于檢測芯片附著分層的主要度量是聲學成像，通過橫截面增強以積極識別界面。

在開發過程中已經發現并觀察到幾種模連接脫層引發劑。這些包括布局＼拓撲交互，應力誘發過程偏移，以及表面質量問題傳人的材料。

2實驗研究

進行了一系列的實驗研究轉移模具工藝參數對DA和WB焊盤分層的影響。表1列出了關鍵的轉移模具參數及其范圍。

第1組正交試驗（DOE）以確定上述4個轉移模參數中的重要參數。在研究范圍內，只有傳遞壓力和溫度是顯著的，其他兩個參數不顯著。在MSL2a標準濕度條件（60℃/60%RH）下浸泡模壓試樣120h，然后通過回流/UF固化熱剖面轉移試樣，測量DA和WB襯墊脫層數。請注意，跳過了PMC以使轉移模具的效果顯著。圖2顯示，較高的模具壓力和溫度導致更多的DA和WB焊盤分層。通過上述有限元建模，很好地解釋了模具壓力的影響。溫度效應似乎與CTE失配有關。較高的模具溫度可能會導致在轉移模、回流焊和超濾固化過程中出現較高的CTE失配。

第2組DOE被用來研究水分與轉移模條件相互作用對DA和WB襯墊分層的影響。注：除了控制段外，出于與上一個DOE中所述相同的目的，跳過了PMC。在60℃/60%RH濕度下，將模壓樣品分別浸泡在4個不同的浸泡時間：0h、20h、40h和120h。然后，樣品通過回流/UF固化爐，僅進行熱暴露，最后檢查是否有分層。分別對U31WB和U32DA進行分層計數。

雖然優化幾何設計和工藝參數可以減少分層，選擇正確的模具連接ECA同樣重要的是，以盡量減少分層問題。5個商業可用的模具附著粘合劑選擇粘合劑脫膠評價。2種類型的測試車輛（TV1和TV2）是使用5種粘合劑中的每一種來構建的。TV1是在模具壓力（6kN）和夾緊力（33kN）的名義設定下用優化設計的PCB i建立的，其溫度為175%。TV2是在模具壓力（10kN）和夾緊力（390kN）的極端設定下用優化設計的PCB II建立的，具有175℃的成型溫度。使用極端成型條件的目的是觀察每種粘合劑在粘合粘合界面上對不同應力水平的敏感程度。

3電氣性能研究

醫療設備中使用的導電粘合劑起到電氣互連的作用，以實現器件輸出。在圖3中，場效應晶體管（FET）的背面是FET的漏極，其使用ECA連接到芯片附著金屬墊上。FET的源極和柵極被引線鍵合到同一電路板上的其它金屬焊盤上。為了使整個器件正常工作，當澆口接通時，模具連接金屬墊到源的總電阻需要在毫歐姆范圍內，老化之前和之后的電阻變化需要小于0.5mΩ。

在研究過程中，觀察到一些設備在老化和電流浪涌期間有一個異常的電阻變化，如圖4（a）所示。顯示出兩種趨勢。一是老化過程增加了電阻，電流浪涌降低了電阻。另一種是隨著老化周期數的增加，老化引起的電阻的大小不斷減小。對于通過單元，擴展老化過程實際上導致電阻降低，如圖4（b）所示。

為了理解這種現象背后的基本機制，第1步是確定問題源在哪里。從芯片連接金屬墊到FET源，有7個可能的位置。它們是模具連接金屬墊本身，模具連接金屬墊到ECA，ECA本身，ECA到模具接口，模具本身，芯片到導線接合，以及導線本身之間的接口。密集失效分析（FA）進行，結果指向一個位置，這是模具附加金屬墊到ECA接口。

第1步是仔細檢查模具連接金屬墊到ECA接口的細節。用掃描電子顯微鏡（SEM）研究老化后的界面完整性。在銅與鎳、鎳到鈀、金與ECA之間的任何界面上沒有觀察到微觀分層。未發現其他異常。

接下來放大鈀到金和金到ECA的界面。對通過單元和失敗單元進行了比較研究。界面形貌的掃描電鏡照片如圖5所示。通過單元和失效單元的Ni-Pd界面和Pd-Au界面無明顯差異，金屬界面未見異常。在金與ECA界面上，通過單元和不通過單元有兩個區別。一是，在通過單元中觀察到的未知層比在未通過單元中觀察到的要頻繁得多。另一種情況，如圖5（B）所示，通過單元的未知層通常光滑均勻，而未通過單元的未知層中通常有空洞狀小黑點。

圖6（A）和（B）所示的800萬和1500倍放大率的SEM圖像為金—銀合金層的形成提供了線索。這一發現從根本上揭示了在ECA中金墊和銀片之間的界面導電通路的建立機制。ECA中的銀片與金成品金屬焊盤之間的導電路徑是5（B）所示，銀一金界面擴散至少涉及表面擴散和晶界擴散。擴散主要發生在模具粘接固化和隨后的高溫工藝步驟，如轉移模具（TM），模具后固化（PMC），焊料回流，底部填充固化（UC），老化過程。這種類型的擴散是通過增加溫度而積累和增強的。

四硫化硅烷在橡膠硫化中有著廣泛的應用，在ECA中使用這種物質以改善ECA和金表面之間的粘附性。一種典型的四硫化硅烷分子式如圖7所示，描述了它作為粘附偶聯劑的作用。硫化硅烷分子中的聚硫鍵在加熱到高溫時斷裂并釋放出硫原子。x的數目越高，破壞多硫化物鍵所需的溫度越低。剩余的烷氧基硅烷基硫醚通過硫原子與金、銀表面的配位作用附著在金表面，起到粘附偶聯劑的作用。釋放出的原子級硫具有很強的反應性，能迅速與銀原子反應生成硫化銀。硫化銀的電阻率為0.1～10Ω/m，比純銀的電阻率1.8x10^-8Ω/m高8個數量級。

圖8中示出了相分離背后的機制。在聚合開始時，ECA配方中的所有分子均分布均勻。隨著聚合反應的發展，分子鏈發生了二次結構（共形結構），并開始排斥硫化物硅烷分子。聚合物鏈的連續生長和增殖最終形成交聯結構，許多硫化物硅烷分子被排除在非聚合結構域如金表面和銀粒子表面。由于硫化物分子排斥過程受到熱力學和動力學因素的影響，在交聯聚合物網絡中，少量的硫化物硅烷分子被捕獲，特別是在固化過程快速時。

4結語

有限元分析被認為是研究分層機制的有用工具。它能夠演示在PCB的相對側上的表面特征如何可能導致芯片附著應力和分層。FEA模型是預測的，并且可以通過聲學成像和破壞性測試結果來驗證分層區域。最后，該模型可以用來測試潛在的設計變化，旨在減少或消除分層。實驗研究表明，模具壓力和溫度越高，DA和WB焊盤脫層越多。模具壓力的影響與有限元模擬預測符合得很好。隨著水分含量的增加，這一趨勢更加明顯。因此建議使用較低的模具溫度和壓力來降低分層速率。導電路徑是通過銀和金的表面和晶界擴散在ECA固化和隨后的工藝步驟中隨著溫度升高而產生的。銀在金上的擴散是一個累加過程。在ECA配方中經常使用硫化物硅烷偶聯劑，以增加ECA與金表面之間的粘合性。硫化硅烷偶聯劑可在ECA固化過程中釋放硫原子，硫原子與銀反應，導致不穩定的ECM金界面電阻問題。為了達到固化ECA的穩定的電氣性能，需要嚴格控制硫化硅烷的加入濃度、進入的硫化物硅烷的質量和固化粘合劑的固化動力學。