一种新型芯片粘接用导电银胶的性能研究*

邹嘉佳，高　宏，周金文

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230031）



一种新型芯片粘接用导电银胶的性能研究*

邹嘉佳，高宏，周金文

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230031）

摘要：制备了一种由环氧树脂基体、咪唑类固化剂、微米级银粉和活性稀释剂体系构成的导电银胶。该导电银胶的常温体积电阻率为3.7×10(-4)Ω·cm，搁置寿命大于48 h，粘度适中，耐热散热性能良好。将该导电银胶应用在3种引线框架并考察其可靠性，结果表明导电银胶与无镀层框架的粘接性最好，但在高温时各框架的粘接性相差不大。同时考察了该导电银胶应用于LGA封装的芯片粘接效果，封装后界面无气泡和分层现象。

关键词：导电银胶；体积电阻率；粘接性；可靠性

1　前言

导电胶以其突出的环境友好性，良好的线分辨率和简单的加工操作性被广泛应用于微电子组装领域[1～3]。导电胶的粘接工艺简单，固化温度低，可以作为锡-铅焊料的替代品，并成功解决了以往焊接工艺引起的元器件变形、粘接不牢、性能下降等问题，因此导电胶的应用范围越来越广。以银粉、银片构成导电网络的导电银胶是目前导电胶中使用最广泛、最成熟的一种，已在航空航天领域占据稳定市场份额，其在集成电路封装及组装和照明领域应用最为广泛，在新兴的能源领域也逐渐占据一席之地[4～5]。在产品应用方面，导电银胶在液晶显示屏(LCD)、发光二极管(LED)、集成电路(IC)封装(DIP、QFN、QFP、SOP、SSOP、BGA)、印刷线路板组件(PCBA)、点阵块、陶瓷电容、薄膜开关、智能卡、射频识别等电子元器件及组件的封装和粘接中大量应用[6～7]。

本文新开发一款环氧树脂基体的导电银胶，使其具有较高的导热性能和导电性能，有效地散除芯片工作时释放的热，能够满足大功率器件的封装要求。材料体系采用环氧树脂、微米级的片状银粉、咪唑类固化剂和活性稀释剂，通过混合工艺制备了一款导电银胶，并研究了该导电银胶的固化后体积电阻率、粘度、粘接强度、耐热等性能，重点考察了其在不同环境条件下的粘接性能。

2　实验

2.1原材料

主要原材料有环氧树脂、咪唑类固化剂、微米级银粉、活性稀释剂、偶联剂。

2.2导电银胶的制备

将环氧树脂、咪唑类固化剂按一定比例预混合，搅拌10～30 min得到基体树脂，再将0.5～100 μm的片状银粉（75wt％左右）、偶联剂和活性稀释剂按照一定比例与基体树脂用三辊研磨机混合研磨30～90 min成为细腻的银白色均匀混合物，即导电银胶。固化条件为150℃恒温60min，固化后得到热性能和电性能待测样品。

2.3导电银胶的制备

（1）体积电阻率试样制备方法：制备样品根据ASTM D257-91标准方法，其具体过程如下：两条平行的3M Scotch810胶带（间距大约4 mm）贴在尺寸为25.4 mm×76.2 mm、清洗过的载玻片上，把制备好的少量导电胶放置到两条胶带之间的空隙处，并用手术刀把其涂覆平整，然后移走胶带。经固化和冷却到室温后，用带有四探针的Agilent 34401A万用表测试导电胶的体积电阻。

（2）粘度按照GB/T 2794-1995标准使用Brookfield CP51粘度计测试不同转速下的粘度。剪切粘度使用TA AR2000旋转粘度计在常温下测试。

（3）Tg和热膨胀系数按照ASTM D-696标准使用TMA Q400测试，热导率按照ASTM E-1461标准使用Anatech Phase11测试，热失重按照MIL-STD-883G METHOD 5011.4使用TGA Q500测试。

（4）拉伸剪切强度按照GBT7124-2008使用NSTRON微力材料试验机测试，芯片推力按照MIL-STD -883G 2019.7采用DAGE 4000完成。

（5）可靠性检测环境为：湿热老化测试：30℃/60％ RH，200 h；基板粘接力测试：30℃、150℃、250℃/60％ RH；引线框架粘接性、剪切力及T-scan测试：温度25℃，湿度50％RH～60％RH。环境实验用湿热老化箱为银河恒温恒湿箱。

3　结果与讨论

3.1导电银胶常规性能分析

将导电银胶进行中温固化流程，条件为150℃、固化1 h。固化后样品的体积电阻率测试结果列于表1。从表1中数据可以看出，导电银胶的体积电阻率为3.7×10-4Ω·cm，与市售国外同样银粉含量的导电银胶处于同一数量级。在存放48 h后进行固化，导电银胶的体积电阻率增大51.4％，这是因为导电银胶在48 h内发生部分交联，导致在受热反应时，固化密度减小，体积收缩减小，银粉搭接程度也降低。

表1　导电银胶放置48 h前后导电率变化

从表2的导电银胶粘度变化中可以看出，导电银胶的粘度适中，处于易加工的使用范围内(导电银胶的粘度控制在10 000 cps左右最适合点胶工艺)。导电银胶的搁置寿命(shelf life)是判断其加工性的重要指标之一。储存48 h后，粘度有所上升但增幅不大，低于搁置寿命上限规定的25％，换言之，此导电银胶的理论使用寿命大于48 h。考虑到48 h后的导电率，此导电银胶应在解冻后48 h内使用保证最好效果。

表2　导电银胶放置48 h前后粘度变化

触变现象是高质量分数细颗粒流体中广泛存在的一种流变特性，即流体内部颗粒絮网结构随时间变化而发生的破坏和恢复过程。在导电银胶的使用过程中，触变性反映了加工时导电银胶的流动性和加工完成后胶体形状保持特性，因此触变性是导电银胶加工性能的重要衡量标准之一。导电银胶的触变性暂无相关测试标准，行业内一般采用转速0.5 rpm/5 rpm的粘度比值作为其触变系数，其中0.5 rpm对应于静止状态下的粘度，5 rpm对应于点胶状态下的粘度。市售导电银胶的触变系数一般为5左右，本导电银胶的触变系数为4.8，即可满足市场大部分点胶设备要求。

为深入了解导电银胶48 h前后的结构变化，考察了导电银胶的流变性能，如图1所示。室温放置48 h前后，导电银胶的特性粘度曲线趋势一致，均表现为角频率增大时，粘度降低程度减缓，即剪切变稀行为。纯环氧树脂为牛顿流体，因此导电银胶的剪切变稀行为由环氧树脂中银片网络引起。48 h前后导电银胶特性粘度曲线趋势几乎一致说明，引起粘度变化的主要为环氧树脂，而环氧树脂中的银片网络结构几乎不变。放置前导电银胶在0.5 rpm时，η*=51.45 Pa·s，在5 rpm时η*=7.95 Pa·s；放置48 h后在0.5 rpm时，η*=62.97 Pa·s，在5 rpm时η*=9.72 Pa·s。计算得到放置48 h后0.5 rpm和5 rpm粘度分别增长22.4％和23.0％，触变系数均为6.5，均比Brookfield粘度计测试数据偏大，这与测试仪器流动机理不同有关。导电银胶48 h前后流变性能的趋势也在另一方面印证48 h前后体积电阻率的变化主要由环氧树脂的交联引起。

固化后该导电银胶的邵氏硬度D为72，其热性能见表3，数据表明，该导电银胶耐高温性能一般，在77.5℃以上会发生玻璃化转变，热膨胀系数增长5倍，不宜用于要求严格的高温使用环境。但其散热性能较好，热导率较高，可使用于一般要求的大功率器件封装，其最高使用温度为340℃(质量损失2％)。

表3　导电银胶热性能

图1　导电银胶放置48 h前后粘度变化

3.2导电银胶可靠性分析

通过对导电银胶粘结硅片与不同框架的粘结性可靠性的研究，得到在常温、150℃、250℃下其粘结力性能如表4所示。随着测试温度的升高，导电银胶的粘接力均大幅下降，导电银胶与镀镍钯金框架的粘接力变化最小。在常温时，导电银胶与无镀层框架的粘接力最高，在250℃时，导电银胶与3种框架的粘接力区别不大。通过与国外同样银粉含量的导电银胶性能比较，二者的差异不大。

导电银胶的剪切力随时间的变化如图2所示，测试条件为150℃(30℃/60％RH)，在3级湿气敏感性等级(Moisture Sensitivity Level 3，MSL3)条件下比较了无镀层、镀银铜、镀镍钯金3种框架。图中可见，湿热老化过程中，导电银胶与镀银铜框架的初始强度最高且最稳定，随时间变化很小。导电银胶与纯铜框架的初始强度略低，在96 h后剪切力显著下降。导电银胶与镍钯金框架的初始强度与无镀层框架相近，但在24 h后剪切力显著下降，在96 h后又有所增加。总体而言，MSL3条件下该导电银胶的可靠性较高。

栅格阵列封装LGA (Land Grid Array)不需要植球，适合轻薄短小的产品应用，被广泛用于集成电路芯片。将研制出的导电银胶用于LGA形式进行芯片粘接，将得到的元器件进行超声波T-scan扫描，结果如图3所示。图中可见，封装后导电银胶界面无气泡、分层现象，说明该导电银胶可使用成熟工艺方式用于常规产品的生产，可靠性满足使用要求。

表4　导电胶在引线框架上粘结力测试结果

图2　导电银胶的剪切力随时间的变化

4　结论

研制出一种新型具有高导热性能和导电性能的导电银胶，可用于大功率器件封装，其性能如下：

（1）导电银胶粘度适中，便于操作，搁置寿命约为48 h，48 h后粘度变化不大但导电率增加；其固化后散热性能较好，可用于一般要求的大功率器件封装。

（2）导电银胶可用于无镀层、镀银铜、镍钯金3种框架，常温下导电银胶与无镀层框架的粘接力最高；MSL3条件下该导电银胶的可靠性较高；封装后芯片粘接导电银胶中无气泡分层现象。

图3　LGA塑封元器件中导电银胶芯片粘接的T-scan扫描结果

参考文献：

[1]段国晨，齐暑华，吴新明.微电子封装用导电胶的研究进展[J].中国胶粘剂，2010，19 (2): 54-60.

[2]熊娜娜，谢辉，王悦辉.导电胶在材料学方面的研究进展[J].中国胶粘剂，2014，23 (12): 42-47.

[3]段素萍.银纳米线的制备及其在导电胶中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[4]纪乐.功率芯片高导热导电胶接技术研究[J].电子机械工程，2014，30 (3): 43-47.

[5]毛蒋莉，虞鑫海，刘万章.导电胶的应用现状[J].粘接，2009 (10): 67-69.

[6]万超，王宏，王玲.导电胶研究现状及其在LED产业中的应用[J].电子工艺技术，2011，32 (5): 268-271.

[7]薛伟锋，刘炳龙.微波芯片元件的导电胶粘接工艺与应用[J].电子工艺技术，2012，33 (3): 156-159.

邹嘉佳（1984—），女，山东济南人，毕业于四川大学，博士，工程师，现在中国电子科技集团公司第38研究所工作，主要从事基板材料和工艺研究。

Performance Study of a Novel Silver-filled Conductive Adhesive Used for Die Bonding

ZOU Jiajia, GAO Hong, ZHOU Jinwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230031, China）

Abstract：High performance conductive silver adhesive were prepared using epoxy resin, micron-scale silver flake powder, imidazole curing agent, active thinner, et el. The volume resistivity of conductive silver adhesive was 3.7×10(-4)Ω· cm. It had excellent properties such as long spot life, moderate viscosity, high thermal conductance and heat resistance. The reliabilities of that conductive silver adhesive used in three types of lead frame were studied. The results showed that the adhesive properties between conductive silver adhesive and bare Cu lead frame was best at room temperature, but the adhesive properties between conductive silver adhesive and three lead frames were the same at 250℃. Finally, there were neither large bubbles nor delamination in the LGA module used that conductive silver adhesive.

Keywords:conductive silver adhesive; volume resistivity; adhesive properties; reliability

作者简介：

*基金项目：国家自然科学基金青年基金(61204019)

收稿日期：2016-2-22

中图分类号：TM249.9

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）04-0001-03