原创 第九章 电子组件中的粘接剂、下填料和涂层

第九章 电子组件中的粘接剂、下填料和涂层

1、粘接剂在高密度表面安装组件的制造中发挥着重要的作用，粘接剂在芯片键合和表面组装点胶工艺中用来固定元器件，形成导电或导热连接，在倒装芯片和CSP的下填料工艺中科提高可靠性，甚至在组装完成后可以用保形涂层保护整个元器件。在选择某种用途所使用的粘接剂体系时，首先考察未固化材料的性能，其次是粘接剂加工、调配和涂覆的方法，第三是最终固化材料的性能（也是最重要的）；

2、粘接剂的流变性能：
a.相关定义：  应力=τ=力/面积(单位为N/m2=Pa)  剪切速率=D=速度/厚度（单位为1/s）  黏度=τ/D（单位为Pa?s），水的粘度约为1mPa?s，空气的粘度约为0.01 mPa?s；
b.流变响应和行为：牛顿流体和非牛顿流体（剪切变稀或假塑性、剪切变稠）；与时间有关的变稀行为称作触变，如果在恒定的剪切速率下一种材料的粘度随时间而降低，那么这种材料被称作触变材料；
c.流变的测量：
■布氏粘度测量法（对于非牛顿流体的任何布氏粘度测量都不是一个绝对值，它只是一个相对数值，并取决于所使用的特定转轴、转轴转速和所花费的时间；
■锥板（Haake）流变分析：剪切速率和粘度都是精确确定的、使用的试样量极小、试样的温度精确控制在几分钟内就可以达到温度平衡、剪切速率的范围很宽且能得到连续的“谱”、利用锥板系统能够完成许多复杂的测量；
■屈服点的测量：常用测量屈服点的数学模型有牛顿模型、Bingham模型、Herschel Bulkley模型、Ostwald模型和Casson模型。屈服点的值很大程度上依赖于测试条件，因此一种材料的屈服点并非是一个绝对的数值，重要的是应该在完全相同的实验条件下比较不同材料屈服点的大小；

3、粘接剂体系的固化及固化后的重要性能：
a.对于高密度电子器件组装所使用的材料来说，最常用的是热固化、紫外线固化、室温固化（RTV）和催化（双组分）固化，而固化的程度和速度一般用差示扫描量热法DSC来测量；
b.玻璃化转变温度：是指粘接剂从玻璃态转变为“高弹态”的温度，经过Tg时CTE通常有明显的增加，如果Tg在组件的工作温度以内（或附近）将会对组件的可靠性有不良影响，常用测量Tg的方法有：差示扫描量热法DSC、热机械分析TMA和动态热机械分析DMA上述方法对于同样的材料也会得到不同的数据；
c.热膨胀系数：是温度每升高1℃时测量尺寸（一般是厚度方向）变化的分数，对于微电子包封料，一般用ppm/℃来表示；此参数对微电子封装材料是一个关键指标；
d.杨氏模量：表征在拉伸和压缩状态下材料的弹性性质，与样品的几何尺寸无关，模量越小材料的弹性越大，低模量的材料可认为是弹性非常好的，在断裂前可吸收更多应力， 模量的单位是N/cm2；

4、粘接剂的应用：
a.表面安装粘接剂：又称SMA、贴片胶、贴片红胶等
■产品特性要求：填充的粘接剂必须无污染无气泡、必须有很长的保存期限、粘接剂必须能够快速涂覆、胶点轮廓和尺寸必须具有一致性、胶点轮廓要高但不要拉丝、颜色可视且能自动检测、必须有高的附着强度、能够快速固化、在固化周期不塌陷、必须有高的强度同时具有柔韧性以抗热冲击、当胶粘剂固化后需要有很好的电学性能；
■涂覆方式：注射器点涂技术（压力-时间系统、容量系统-根据阿基米德螺栓法和活塞正置换泵法）、模版印刷技术、针式转移技术；
■胶点轮廓：圆珠状、拉丝状、圆顶状、巧克力糖状、尖峰状；单胶点或双胶点的选择；
■涂覆参数：以压力-时间系统点胶为例，相关参数涵盖针头尺寸、内径、针头与PCB距离、温度、点胶时间和压力以及点胶的周期；
■常见的涂覆缺陷：拉丝（拖尾）、卫星胶点（飞溅）、胶点直径不一致、漏点；
■粘接剂的附着（未固化）强度：也称湿强度，可用“SMD粘接剂的验收”的西门子SN59651标准测量；
■吸湿性：吸湿后的胶粘剂在固化时可能导致爆米花问题，从而导致粘结强度下降、焊料桥接、元器件脱落等其他问题；
■固化速度：固化温度和速度与DSC结果有关，也有用户发现达到完全固化强度的90%对某些工艺就足够了；
■电特性：表面绝缘电阻SIR测试法，85℃和85%RH的条件下试验1000h，采用16VDC偏压测量，还有就是电解腐蚀测试，在40℃、92%RH并伴随100VDC的使用电压的条件下测试4天；
■屈服点和表面安装胶粘剂：芯片粘结包括涂覆非常小的胶点，每个胶点大约重80mg，精确布于印制电路板的两个焊盘之间，胶点的形状与屈服点有很大的关系；
b.下填料：又称为底填材料、底部填充胶、underfill等，用以消除硅器件和所要粘接的基板之间较大的CTE失配引起的应力，用于增加元器件收到物理冲击和震动时的可靠性
■毛细填充型：U型或L型或I型填充方式；
■助焊（不流动）下填料：回流过程中起助焊作用并固化形成底部填充层；
■可去除可修复下填料；
■柱或角粘接下填料（ corner bonding）；
■模塑下填料（固态的）；
■晶圆片用下填料（晶圆片切割前涂覆到倒装芯片器件的整个晶圆片上的下填料）
c.导电胶：（在两个表面之间形成化学结合和导电）
■各向同性材料：它能沿所有方向导电，代替热敏元件上的钎料，也能用于需要接地的器件；
■导电硅橡胶：它能有助于保护器件免受环境的危害如水气，而且可以屏蔽电磁和射频干扰（EMI/RFI）；
■各向异性导电聚合物：它只允许电流沿某一方向流动，提供倒装芯片器件的电连接和消除应变
d.热管理：在电子工业中，热管理正面临着越来越大的挑战，电子器件制造商依靠粘贴IC的热沉来扩散多余的热量，这些热沉使用机械紧固件、导热粘接剂、脂、带或压敏垫。在所有可用的热管理方法中，导热胶粘剂使用得最多，当正确涂覆时，粘接剂的气孔率最小，热扩散一致性最好；常用的导热填料有氧化铝（70W/m?K）、氮化铝和氮化硼（150 W/m?K）。通常以导热粘接剂树脂和相变热界面材料方式应用；
e.保形涂层：是用于防止电子组件在较长的寿命周期中受到各种污染的聚合物材料。一般传统的分类如下：AR丙烯酸、ER环氧、UR氨基甲酸乙酯、SR硅橡胶、XY对二甲苯的聚合物；这些系统主要是由单体、低聚物、消泡剂、填料和润湿剂组成；采用的涂覆方式有人工喷涂、自动喷涂、往复式喷涂、浸涂、刷涂等等，在真空环境下可以通过更多的方式在基板上涂覆聚合物薄膜，方法如下：
■通过溅射或蒸发使聚合物气化（物理气相淀积）；
■通过挥发化合物的化学反应形成聚合物（化学气相沉积）；
■通过两个或多个挥发性金属有机化合物的反应（金属有机气相沉积）；
■稳定有机化合物的等离子聚合（等离子强化的化学气相沉积）；
■稳定有机化合物的激光聚合；
真空薄膜沉积的主要优点如下：
■提供快速的工艺过程；
■基板的覆盖是保形的；
■气相可以穿透小空隙；
■基板上没有液相；
■薄膜能高度交联；
■生长速度可以控制；
■得到无菌薄膜；
■很容易沉淀多层薄膜；
■因为薄膜很容易制备，聚合物用量很少。