基于計算機輔助技術的導電膠粘接效能與粘接強度分析評估

周振華

(西安外事學院,陜西 西安 710077)

導電膠是一種經常應用于電子組裝、元器件粘接互連工藝中的粘接材料。導電膠通常由樹脂基體、導電粒子、分散添加劑等制備而成,在進行電子元器件組裝時,這種獨特的粘膠能夠在較低的操作難度、固化溫度等環境下實現不同元器件的粘接。導電膠在芯片粘接、片石元件粘接方面的應用最為廣泛,可以有效避免這類元器件受到焊接工藝、焊劑等的影響。然而,目前我國國產的導電膠普遍存在一些性能缺陷,例如在粘接完成并固化以后的導電率低,粘接面不夠穩定導致接觸電阻波動性大,粘接效果一般導致不耐沖撞等[1-3]。一般都需要對導電膠的粘接效能進行充分分析后才能決定如何使用該導電膠。針對傳統導電膠粘接效能分析過程過于復雜等問題,制備了一種導電膠材料并借助計算輔助分析方法對該導電膠的粘結效能進行分析。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設備

1.1.1實驗材料

導電膠一般分為各向同性導電膠和各向異性導電膠2類。實驗材料如表1所示的材料制備了一種各向同性導電膠。

表1 實驗材料Tab.1 Experimental materials

1.1.2實驗設備

本次實驗所需的實驗設備包括導電膠制備和粘接效能分析2部分,如表2所示。

表2 實驗設備Tab.2 Experimental equipment

1.2 實驗方法

1.2.1導電膠的制備

導電膠的組成包括樹脂基體、導電粒子等[4-5]。導電膠的制備方法與流程如圖1所示,主要包括樹脂改性、性能表征及成分確定3個主要環節。

圖1 導電膠的制備流程

制備導電膠時,按質量100份樹脂基體+15份固化劑,在瑪瑙研缽中進行充分的攪拌形成樹脂體系;加入50 mL無水乙醇和50 mL己二酸乙醇溶液,使用固化劑、促進劑形成固化體系;加入250份4、6、9 μm銀粉及25 μm低熔點SnBi合金調勻形成導電填料;加入固化促進劑、甲基六氫鄰苯二甲酸、無水乙醇等助劑,經過1 500 r/min公轉、1 000 r/min自轉的攪拌機進行充分攪拌,t=10 min,最終制備成導電膠。

1.2.2粘接效能分析

導電膠的粘接效能主要指的是在導電膠形成固化結構、完整對電路元器件粘接以后的接觸電阻、剪切強度及微觀形貌等。傳統的粘接效能分析需要利用復雜的測試儀器對導電膠進行詳細測試,包括電阻測試、剪切強度測試及微觀顯微鏡測試等[6-8]。還需要在不同溫度、壓力環境下對同類型導電膠進行反復、多次測試才能得到導電膠粘接效能是否符合粘接需求的結果。為提升導電膠粘接效能的分析效率和判斷準確度,本文借助計算機和灰色關聯分析方法搭建了一種導電膠粘接效能計算機輔助分析評估模型,具體如圖2所示。

圖2 導電膠粘接效能計算機輔助分析評估Fig.2 Principle of computer-aided analysis and evaluation of bonding effectiveness of conductive adhesives

圖2所示的導電膠粘接效能計算機輔助分析評估模型是一種基于灰色關聯分析方法構建的網絡性能評估專家模型。

在進行導電膠粘接效能計算機輔助分析評估時,導電膠的性能參數數據將會同時錄入綜合評判模型和專家數據庫模型[9-12],得到合理的處理結果。

2 結果與討論

2.1 導電膠粘接效能計算機輔助分析評估程序

在設計導電膠粘接效能計算機輔助分析評估程序時,將影響導電膠粘接效能的幾項指標如溫度、壓力和時間應力作為干擾因子,構成導電膠粘接效能干擾因子合集(S):

S=[ST,SF,SK]

(1)

式中:ST為溫度干擾因子;SF為 壓力干擾因子;SK為時間應力干擾因子。借助灰色關聯分析方法模型,得到以環境應力為干擾因子條件下導電膠粘接效能的分布矩陣(SD):

(2)

對導電膠粘接效能的分布矩陣SD進行灰色關聯度分析,假定在一定時間內對某項干擾因子進行測試可以得到一組數據,則對多項干擾因子進行測試可以得到一系列能夠反應干擾因子的單參量矩陣:

(3)

取圖2所示專家系統數據庫中描述3項指標影響導電膠粘接效能的經驗值,以協參量的形式對3項指標影響導電膠粘接效能的權重進行描述[13]。其中,除微觀形貌指標為灰量外,接觸電阻、剪切強度為黑量,不需要進行白化處理。對式(3)所示能夠反應干擾因子權重的單參量矩陣關聯分析進行處理,得到導電膠粘接效能權重模糊集:

W=[μ(e1),μ(e2),μ(e3)]

(4)

式中:e表示導電膠粘接效能單項指標;μ表示專家系統提供的粘接效能經驗評估參數。

在得到導電膠粘接效能權重模糊集后,可利用計算機程序對導電膠粘接效能進行輔助分析。導電膠粘接效能計算機輔助分析評估程序流程如圖3所示。

2.2 導電膠粘接效能計算機輔助分析評估結果

選取微波印制電路板與深腔型屏蔽盒體的粘接實際測試結果作為對比組,將導電膠粘接效能計算機輔助分析評估結果作為實驗組進行10次重復實驗,將固化溫度、真空加壓、固化時間分別命名為干擾因子A、干擾因子B、干擾因子C;將接觸電阻、剪切強度及微觀形貌分別命名為指標Ⅰ、指標Ⅱ、指標Ⅲ。

2.2.1導電膠粘接實驗指標實測值

表3所示為利用傳統測試方法進行9次測試得到的導電膠粘接效能接觸電阻、剪切強度及微觀形貌測試結果。其中,微觀形貌的參考指標主要為微觀粒子間排列是否集中、表面處理是否理想。根據專家評價經驗得出綜合評分為1～10的結果。

表3 導電膠粘接實驗指標實測值Tab.3 Experimental data of conductive adhesive bonding

由表3可知,實驗號4、3、7所得的導電膠粘接性能總體較為理想,接觸電阻、剪切強度及微觀形貌綜合評分結果均較為優異。

2.2.2導電膠粘接實驗指標輔助分析評估結果

表4所示為相同參數變化情況下,利用計算機輔助程序得到的導電膠粘接實驗指標輔助分析評估結果。

表4 導電膠粘接實驗指標輔助分析值Tab.4 Auxiliary analysis value of experimental index of conductive adhesive

由表4可知,導電膠粘接實驗指標輔助分析值與表3實測值進行對比,表4中所得各項指標評分結果與表3數據差異極小,各項指標評估值已經接近實測值。

3 討論

3.1 導電膠粘接實驗結果分析

借助計算機輔助分析軟件對導電膠粘接實驗指標進行分析,通過對比實測值表明,實驗4組所制備的導電膠接觸電阻、剪切強度及微觀形貌測試3項指標綜合評價分別可達1.11 Ω、3.40 MPa、9.8,是9組實驗組中結果最為理想的導電膠;其次為實驗號3、7,這2組在3項綜合指標方面的表現略低于實驗號4,但較其他機組更為優秀。結果表明:輔助分析軟件所得的分析結果與實測結果接近,可以很好地對導電膠粘接效能進行評價。

3.2 導電膠粘接性能差異討論

(1)由制備的導電膠粘膠效能分析結果來看,當固化溫度、真空加壓、固化時間分別為165 ℃、0.10 MPa、50 min,155 ℃、0.25 MPa、150 min,175 ℃、0.10 MPa、50 min時得到的導電膠粘接效能總體最優。從數據綜合來看,該種類型的導電膠在高溫時的拉伸剪切強度說明,該導電膠在高溫時也能保持一定的強度,保持粘接性能,從而保證載體的順利作業;

(2)通過導電膠粘接效能實驗指標輔助分析值與實測值對比結果來看,利用灰色關聯度評分結果對導電膠粘接效能進行評價,可以得到與實測值極為接近的評價結果。但由于該評價方法應用了計算機與灰色關聯度評分方法,其分析效率遠高于傳統的實驗測試方法。因此,本文認為該評價分析方法可以用作導電膠粘接效能評價的重要參照方法;

(3)本文所采用的導電膠粘接效能計算機輔助分析評估軟件能夠直觀地給出效能評估結果,并且可實現環境參數、中間結果及評估結論的實時存儲,便于不同的工藝過程進行比對分析。隨著分析次數的增加,專家數據庫不斷更新積累,使后續的評估更加準確科學。

4 結語

導電膠是一種電子元器件組裝互連工藝中必需用到的粘接材料,除需具備必須的粘接功能外,還必須具備恰當的電阻和微觀形貌等。研究借助計算機輔助分析軟件,對制備的幾種導電膠電阻、粘接效能等進行分析,認為當固化溫度、真空加壓、固化時間分別為165 ℃、0.10 MPa、50 min時,制得的導電膠綜合性能最佳。