基于计算机辅助技术的导电胶粘接效能与粘接强度分析评估

周振华

(西安外事学院,陕西 西安 710077)

导电胶是一种经常应用于电子组装、元器件粘接互连工艺中的粘接材料。导电胶通常由树脂基体、导电粒子、分散添加剂等制备而成,在进行电子元器件组装时,这种独特的粘胶能够在较低的操作难度、固化温度等环境下实现不同元器件的粘接。导电胶在芯片粘接、片石元件粘接方面的应用最为广泛,可以有效避免这类元器件受到焊接工艺、焊剂等的影响。然而,目前我国国产的导电胶普遍存在一些性能缺陷,例如在粘接完成并固化以后的导电率低,粘接面不够稳定导致接触电阻波动性大,粘接效果一般导致不耐冲撞等[1-3]。一般都需要对导电胶的粘接效能进行充分分析后才能决定如何使用该导电胶。针对传统导电胶粘接效能分析过程过于复杂等问题,制备了一种导电胶材料并借助计算辅助分析方法对该导电胶的粘结效能进行分析。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与设备

1.1.1实验材料

导电胶一般分为各向同性导电胶和各向异性导电胶2类。实验材料如表1所示的材料制备了一种各向同性导电胶。

表1 实验材料Tab.1 Experimental materials

1.1.2实验设备

本次实验所需的实验设备包括导电胶制备和粘接效能分析2部分,如表2所示。

表2 实验设备Tab.2 Experimental equipment

1.2 实验方法

1.2.1导电胶的制备

导电胶的组成包括树脂基体、导电粒子等[4-5]。导电胶的制备方法与流程如图1所示,主要包括树脂改性、性能表征及成分确定3个主要环节。

图1 导电胶的制备流程

制备导电胶时,按质量100份树脂基体+15份固化剂,在玛瑙研钵中进行充分的搅拌形成树脂体系;加入50 mL无水乙醇和50 mL己二酸乙醇溶液,使用固化剂、促进剂形成固化体系;加入250份4、6、9 μm银粉及25 μm低熔点SnBi合金调匀形成导电填料;加入固化促进剂、甲基六氢邻苯二甲酸、无水乙醇等助剂,经过1 500 r/min公转、1 000 r/min自转的搅拌机进行充分搅拌,t=10 min,最终制备成导电胶。

1.2.2粘接效能分析

导电胶的粘接效能主要指的是在导电胶形成固化结构、完整对电路元器件粘接以后的接触电阻、剪切强度及微观形貌等。传统的粘接效能分析需要利用复杂的测试仪器对导电胶进行详细测试,包括电阻测试、剪切强度测试及微观显微镜测试等[6-8]。还需要在不同温度、压力环境下对同类型导电胶进行反复、多次测试才能得到导电胶粘接效能是否符合粘接需求的结果。为提升导电胶粘接效能的分析效率和判断准确度,本文借助计算机和灰色关联分析方法搭建了一种导电胶粘接效能计算机辅助分析评估模型,具体如图2所示。

图2 导电胶粘接效能计算机辅助分析评估Fig.2 Principle of computer-aided analysis and evaluation of bonding effectiveness of conductive adhesives

图2所示的导电胶粘接效能计算机辅助分析评估模型是一种基于灰色关联分析方法构建的网络性能评估专家模型。

在进行导电胶粘接效能计算机辅助分析评估时,导电胶的性能参数数据将会同时录入综合评判模型和专家数据库模型[9-12],得到合理的处理结果。

2 结果与讨论

2.1 导电胶粘接效能计算机辅助分析评估程序

在设计导电胶粘接效能计算机辅助分析评估程序时,将影响导电胶粘接效能的几项指标如温度、压力和时间应力作为干扰因子,构成导电胶粘接效能干扰因子合集(S):

S=[ST,SF,SK]

(1)

式中:ST为温度干扰因子;SF为 压力干扰因子;SK为时间应力干扰因子。借助灰色关联分析方法模型,得到以环境应力为干扰因子条件下导电胶粘接效能的分布矩阵(SD):

(2)

对导电胶粘接效能的分布矩阵SD进行灰色关联度分析,假定在一定时间内对某项干扰因子进行测试可以得到一组数据,则对多项干扰因子进行测试可以得到一系列能够反应干扰因子的单参量矩阵:

(3)

取图2所示专家系统数据库中描述3项指标影响导电胶粘接效能的经验值,以协参量的形式对3项指标影响导电胶粘接效能的权重进行描述[13]。其中,除微观形貌指标为灰量外,接触电阻、剪切强度为黑量,不需要进行白化处理。对式(3)所示能够反应干扰因子权重的单参量矩阵关联分析进行处理,得到导电胶粘接效能权重模糊集:

W=[μ(e1),μ(e2),μ(e3)]

(4)

式中:e表示导电胶粘接效能单项指标;μ表示专家系统提供的粘接效能经验评估参数。

在得到导电胶粘接效能权重模糊集后,可利用计算机程序对导电胶粘接效能进行辅助分析。导电胶粘接效能计算机辅助分析评估程序流程如图3所示。

2.2 导电胶粘接效能计算机辅助分析评估结果

选取微波印制电路板与深腔型屏蔽盒体的粘接实际测试结果作为对比组,将导电胶粘接效能计算机辅助分析评估结果作为实验组进行10次重复实验,将固化温度、真空加压、固化时间分别命名为干扰因子A、干扰因子B、干扰因子C;将接触电阻、剪切强度及微观形貌分别命名为指标Ⅰ、指标Ⅱ、指标Ⅲ。

2.2.1导电胶粘接实验指标实测值

表3所示为利用传统测试方法进行9次测试得到的导电胶粘接效能接触电阻、剪切强度及微观形貌测试结果。其中,微观形貌的参考指标主要为微观粒子间排列是否集中、表面处理是否理想。根据专家评价经验得出综合评分为1～10的结果。

表3 导电胶粘接实验指标实测值Tab.3 Experimental data of conductive adhesive bonding

由表3可知,实验号4、3、7所得的导电胶粘接性能总体较为理想,接触电阻、剪切强度及微观形貌综合评分结果均较为优异。

2.2.2导电胶粘接实验指标辅助分析评估结果

表4所示为相同参数变化情况下,利用计算机辅助程序得到的导电胶粘接实验指标辅助分析评估结果。

表4 导电胶粘接实验指标辅助分析值Tab.4 Auxiliary analysis value of experimental index of conductive adhesive

由表4可知,导电胶粘接实验指标辅助分析值与表3实测值进行对比,表4中所得各项指标评分结果与表3数据差异极小,各项指标评估值已经接近实测值。

3 讨论

3.1 导电胶粘接实验结果分析

借助计算机辅助分析软件对导电胶粘接实验指标进行分析,通过对比实测值表明,实验4组所制备的导电胶接触电阻、剪切强度及微观形貌测试3项指标综合评价分别可达1.11 Ω、3.40 MPa、9.8,是9组实验组中结果最为理想的导电胶;其次为实验号3、7,这2组在3项综合指标方面的表现略低于实验号4,但较其他机组更为优秀。结果表明:辅助分析软件所得的分析结果与实测结果接近,可以很好地对导电胶粘接效能进行评价。

3.2 导电胶粘接性能差异讨论

(1)由制备的导电胶粘胶效能分析结果来看,当固化温度、真空加压、固化时间分别为165 ℃、0.10 MPa、50 min,155 ℃、0.25 MPa、150 min,175 ℃、0.10 MPa、50 min时得到的导电胶粘接效能总体最优。从数据综合来看,该种类型的导电胶在高温时的拉伸剪切强度说明,该导电胶在高温时也能保持一定的强度,保持粘接性能,从而保证载体的顺利作业;

(2)通过导电胶粘接效能实验指标辅助分析值与实测值对比结果来看,利用灰色关联度评分结果对导电胶粘接效能进行评价,可以得到与实测值极为接近的评价结果。但由于该评价方法应用了计算机与灰色关联度评分方法,其分析效率远高于传统的实验测试方法。因此,本文认为该评价分析方法可以用作导电胶粘接效能评价的重要参照方法;

(3)本文所采用的导电胶粘接效能计算机辅助分析评估软件能够直观地给出效能评估结果,并且可实现环境参数、中间结果及评估结论的实时存储,便于不同的工艺过程进行比对分析。随着分析次数的增加,专家数据库不断更新积累,使后续的评估更加准确科学。

4 结语

导电胶是一种电子元器件组装互连工艺中必需用到的粘接材料,除需具备必须的粘接功能外,还必须具备恰当的电阻和微观形貌等。研究借助计算机辅助分析软件,对制备的几种导电胶电阻、粘接效能等进行分析,认为当固化温度、真空加压、固化时间分别为165 ℃、0.10 MPa、50 min时,制得的导电胶综合性能最佳。