白皮书
导电胶粘剂的失效模式
作者:Petri Savolainen
导电粘合剂为各种类型的电子应用提供无铅，低温附件。它们是由聚合物基体(附着力、强度)和导电填料(导电性)组成的复合材料。由于聚合物的性质，它是相对容易定制粘合剂性能，以满足特定的要求。填料的选择取决于应用。
导电胶粘剂在电子工业中应用已久。填充银的各向同性导电胶粘剂(ICAs)首次用于混合电路的芯片粘接。自引入ICAs以来，出现了许多其他应用程序。研制了各向异性导电胶粘剂(ACAs)，用于将驱动电路粘附到计算器液晶显示器(lcd)上。今天，ACAs是显示行业的基石，允许使用晶片-玻璃和晶片-柔性技术，并为驱动显示提供快速，可靠和轻量级的解决方案ica用于各种应用，从模具连接到空间应用。
为了在应用中充分利用导电粘合剂的潜力，了解该技术的局限性，特别是可能发生的潜在失效模式是非常重要的。有了这些知识，就有可能在满足可靠性目标的同时，积极地设计和制造具有成本效益的产品。重要的是要明确可靠性目标，并了解产品寿命期间的载荷。
导电胶粘剂类型
在本节中，讨论了两种主要类型的导电胶粘剂的基本特性。
各向异性导电胶(ACA)
ACAs是由聚合物基体和导电颗粒组成的复合材料。导电颗粒的体积分数在0.5-5%之间。通常，颗粒是涂有金属的聚合物球体，但也使用固体金属颗粒和焊料颗粒图1显示了ACA互连的示意图。聚合物基体可以是热塑性或热固性聚合物，后者由于其更高的结合强度和可靠性而更受欢迎。
基体的作用是使零件在需要的时间内保持在一起，并在粘合剂的xy平面上绝缘。因此，除了绝缘性能外，还需要良好的附着力和高可靠性。环氧树脂对各种基材具有很强的附着力，并且具有很高的玻璃化转变温度。因此，它们是流行的矩阵选择。
固化是通过热压过程完成的。加热降低了聚合物基体的粘度，使其在压缩下流动。此外，在这个过程中，热对于固化聚合物是必不可少的。压力推动导电填料颗粒对垫片，确保紧密的机械接触。压力对于金属涂层聚合物球来说是至关重要的，因为它们在加工过程中必须变形，以便利用它们的柔顺性，在温度漂移期间保持与垫的接触。
各向同性导电胶(ICA)
ICAs含有20%到35%的导电填料，通常是银。银片的尺寸在20到75微米(μm)之间，较小的银片具有更好的应用(丝网印刷，点胶)性能，更均匀的成分和更大的电接触面积。纳米银是近年来提高胶粘剂粘接性能的新趋势
聚合物基体通常为环氧树脂或环氧基树脂。胶粘剂用热、红外线或紫外线固化。固化周期时间的变化很大，很大程度上取决于温度、辐照水平(红外线或紫外线)以及聚合物的选择。
ICA的导电性来自于填料颗粒之间以及与待连接的焊盘之间的机械接触，如图2.4所示。尽管银氧化速度很快，但其氧化物具有导电性。聚合物基体固化收缩产生的压缩力保持了适当的接触。
失效模式
导电胶粘剂的失效模式基本上有两种:不导电(打开)或导电方向错误(短路)。
开路故障
下列项目增加互连电阻，最终造成开路。
分层-分层发生在ica和ACAs中，削弱了互连的机械强度。一个更突然的迹象是互连电导率的损失，它首先表现为电阻的增加。在互连完全失效之前，这也可能表现为在极端温度下的间歇性性能问题。
粘连不良是造成脱层的原因之一。这可能是由于聚合物与底物的相容性选择不正确造成的。附着力差的另一个原因来自于工艺;未正确清洁的基材会在基材上留下油脂、汗水等残留物，使粘合剂无法良好接触。湿气进入聚合物可能会削弱聚合物和基材之间的键，从而导致附着力丧失。
机械应力可能导致胶粘剂互连层脱层。这可能是一个更突然的失败，而不是一个由于粘合不良。设计人员必须了解应力水平，并相应地设计具有适当安全余量的粘接接头。
分层的对策很简单。清洁度在胶粘剂互连加工中是极其重要的。确保灰尘、液体和残留物没有进入互连区域，并在使用粘合剂之前进行适当的清洁。了解预期的机械载荷对于确定粘接连接的尺寸是很重要的。此外，对胶粘剂的载荷应为剪切载荷。应避免拉扯，特别是剥离负载。
聚合物降解:在适当的条件下，水分会扩散到聚合物中。电子设备极有可能在湿度达到发生受潮的水平的环境中使用。水可以通过与聚合物反应来降解它们。Liu等人已经证明，水会导致ACA中的酯键水解，产生羟基和羰基端基胶粘剂的玻璃化转变温度(Tg)可能降低，从而增加热致损伤的风险。此外，水可能起到增塑剂的作用，从而降低粘合剂的机械强度。
适当的固化程度对于防止与水分有关的故障非常重要。这不会完全消除风险，但可以以满足可靠性要求的方式为寿命做出贡献。如果需要，可以使用额外的保护涂层来进一步降低风险。
聚合物膨胀/扩展:如果聚合物基体膨胀，互连上的电阻就会增加，失去接触的风险也会增加。聚合物的膨胀可能由以下原因引起:1)受潮;2)热膨胀。在这两种情况下，对导电颗粒的压缩力都会减弱。如果填料只起到机械接触的作用，如ICA中的银片或ACA中的镍颗粒，接触电阻很可能会增加，导致设备功能失效。
水会扩散到聚合物中，填满分子链之间的空隙。因此，粘合剂的体积会随着压力的减小而增大，从而增加了阻力。当聚合物干燥时，膨胀消失，阻力恢复到正常水平。
热膨胀可以产生类似的效果，特别是当温度偏移超过聚合物的Tg时。当温度降到Tg以下时，这种效应就消失了。在Tg上连续的热循环可以产生永久的ICAs变化。对于填充了金属包覆聚合物颗粒的ACAs，如果颗粒在过程中没有被压缩到所需的水平(如图3所示)，聚合物膨胀可能会导致高阻力甚至打开。主要的因素是保持遵从性。
高度的固化是必不可少的，以尽量减少水分的影响，是必不可少的，以防止热引起的肿胀。固化过程对Tg有显著影响。此外，设计人员应该意识到系统的使用温度，因为这允许选择具有足够高Tg的粘合剂。对于ACA应用，使用柔性金属涂层聚合物颗粒将增强互连在潮湿环境和热循环过程中保持低电阻的能力。
在热循环测试中检测这类故障的一个挑战是，第一次故障的发生可能比室温下的测量显示的要早得多测试电路在极端温度下可能会断开，但在室温下可以完美工作。因此，必须使用事件检测器执行测试，该检测器在整个循环过程中实时测量电路。
氧化:在使用银、镍或锡基合金等不太贵重的金属的系统中，氧化会导致粘合剂互连出现问题。粘合剂中的填充颗粒，例如ICA中的银或ACA中的镍，容易氧化，根据系统的不同，这可能是一个问题。另一方面，如果元件端子或衬底上的衬垫涂有锡铅或锡银，则氧化可能会影响可靠性
填料运动-已经观察到，如果ICA互连在其Tg上进行热循环，银片可能开始分离。随着时间的推移，当粒子远离另一个电极时，这就形成了一个开路。发生分离有两个必要条件。一个是ICA的Tg的循环。这将导致ICA互连中的高应力。第二种情况发生在刚性元件，如片式电阻器附着在柔性基板上时。热膨胀系数(CTE)的差异使应力水平升高，从而导致ICA发生变形。
对于这个问题存在一个非常简单的解决方案:不要将电路或设备设计在高于ICA的Tg的温度下运行。如果是这种情况，那就寻找适用于更高温度的ICAs。或者，您可以尝试重新设计以降低使用温度。
气泡-图4显示了一个在ACA互连中的大气泡的例子。这种互连在电力方面可以长期工作。然而，这种陷阱也有相关的风险。它们可以保留在使用中扩散到ACA中的水分。最终湿气会使连接处短路，造成设备故障。此外，气泡降低了粘合剂的机械强度，使其对机械载荷的抵抗力降低。如果气泡位于碰撞/垫界面，由于缺乏导电颗粒，它可能导致打开。
产生气泡的主要原因是升温速率过高和ACA用量不足。如果加热速度过快，聚合物流动可能会受到干扰，从而产生气泡。如果没有足够的聚合物，例如在太薄的ACF的情况下，聚合物将不会填充整个体积。
仔细定义的工艺参数(温度、压力、时间)对于避免产生气泡至关重要。此外，各向异性导电膜的厚度或各向异性导电膏的数量必须使整个互连体积得到适当的填充。
短路故障
在某些情况下，相邻电路之间的连接导致短路和设备故障。
电化学迁移-银、电压和水分是容易发生电化学迁移的组合。各向同性导电胶粘剂与银填料可能会遇到条件，使银迁移。然而，有一个因素，对迁移有限制作用，如果导电胶互连已经适当地产生。聚合物基体应该是银离子运动的良好屏障。研究已经证明了这一点，因为他们表明，在ICA互连中需要非常高的电压和极端的条件来诱导银迁移因此，在大多数情况下，风险是最小的。
万博Ansys发现，在某些情况下，即使在密封模块中电压相对较低的情况下，也会发生迁移。假设粘合剂中的某些化合物可用于诱导迁移，或者这些元素在密封之前进入系统。
此外，元件端子上ICA之间的绝缘间隙可能比预期的要小得多。因此，减小的间隙上的电场强度可能很高。
将银迁移风险降至最低的最佳方法是(a)完全固化ICA， (b)保持ICA与衬垫之间的设计间隙，以及(c)防止任何外来物质进入组件。换句话说，工艺参数和稳定性以及清洁度对于实现可靠的ICA互连至关重要。
过程不准确/错误-精确点胶或模板打印ICA对于实现可靠的互连至关重要。还需要适量的粘合剂。当焊料熔化时，典型的焊点是自对准的。不幸的是，ica的情况并非如此。由于ICA完全停留在放置的位置，因此由于分配或打印ICA不正确，可能会产生短裤。另一方面，当组件放置在ICA上时，过多的粘合剂可能会导致短路。多余的ICA可能会被挤压以接触邻近的pad、端子或ICA。
对于ACAs，粘接过程中的颗粒流动是重要的。颗粒不应堵塞相邻垫片之间的空间，也不应从垫片流出。前者有发生短路的风险，因为微粒聚集的数量可能会使衬垫连接起来。这是很容易确认的情况下，芯片上的玻璃或柔性上的玻璃互连仅仅通过观察玻璃。过程开发人员的角色是确保在过程中出现适当的流。
颗粒大小和颗粒数-如果ACA颗粒数过高，如上一节所述，当颗粒堵塞在垫之间时，可能会发生短路。另一方面，过大的颗粒也会产生类似的效果。必须检查ACA的颗粒数和大小是否适合特定的应用。另外，一些ACA厂商已经用不同的方式解决了这个问题。索尼化学公司开发了一种粒子，在粒子表面有一层绝缘涂层。当施加压力时，涂层会破裂，并且会从一个焊盘传导到另一个焊盘。粒子即使相互接触也能保持绝缘。日立化学公司开发了一种两层的ACA，一层是绝缘的，另一层是含颗粒的。这种分层结构影响了颗粒的流动，优化了垫层上的颗粒数量，最大限度地减少了颗粒堵塞。
总结
导电胶粘剂是无铅材料，具有低温加工能力。各向异性胶粘剂可以实现非常高的互连间距。由于其性能满足许多应用的要求，导电粘合剂为许多设计提供了解决方案。
设计团队自然对导电粘合剂的可靠性以及如何满足他们的设计目标感兴趣。了解导电胶粘剂可能发生的失效机制是非常重要的。这使设计团队能够最大限度地减少压力，并为他们的产品选择正确的粘合剂。此外，他们将能够选择测试，以一种提供性能寿命信息的方式对粘合剂互连进行应力测试。
为了使导电胶粘接成功，设计人员必须注意三个方面。首先，了解在使用中会出现的预期应力，并相应地选择导电胶。其次，在设计设备时尽量减少对导电粘合剂的压力。第三，确保生产部门了解导电胶粘剂应如何加工，并确保他们有能力将工艺控制在适当的水平。
