某儀表用導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，因其具有環境友好(無鉛)、加工溫度低、成本低、靈活性高等優點[1-4]，在電子產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。然而隨著電子產品小型化的發展趨勢和服役環境的日趨復雜，對導電膠的黏接性能和導電性能提出了更高要求，其黏接質量和退化失效情況對電子產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。

1 試驗材料

主要試驗材料包括失效儀表和正常儀表的內部電路板與金屬骨架整體。儀表的內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 內部電路板與金屬骨架整體宏觀形貌

2 理化檢驗

2.1 電性能測試

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，發現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。因此，該儀表失效原因判定為導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

2.3 X射線檢測

采用XD7600NT RUBY型 X射線檢測系統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

2.4 拉伸性能測試

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。發現失效儀表的導電膠與金屬骨架在黏接面處發生界面脫離，破壞類型屬于黏附破壞；而正常儀表在導電膠內部發生脫離，破壞類型屬于內聚破壞(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 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)觀察失效儀表導線拉伸試驗后導電膠的黏接面，發現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域主要有氧、銅、鋅、鎂、鋁和硅元素，而腐蝕區域除上述元素外，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，且導電膠內部存在明顯孔洞。進一步研磨發現，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部也發現了孔洞，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

3 綜合分析

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。而導電膠在內部存在孔洞的情況下，仍可以在很長一段時間內保持良好的互連。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生微小空隙,導電膠與金屬骨架處于不穩定的接觸狀態，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。

4 結論及建議

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。

建議優化導電膠的黏接工藝，以增加黏結接觸面積，排除空氣；優化清漆的涂覆和固化工藝，避免氣泡的產生；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(溫度、壓力、時間、用量)，以避免空洞的產生。