白皮书
导电粘合剂的失效模式
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。它们是由聚合物基质(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，它是相对容易调整粘合剂性能，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。银填充各向同性导电胶粘剂(ICAs)首次用于混合电路中的模具粘接。自引入ica以来，还出现了许多其他应用程序。各向异性导电胶粘剂(ACAs)用于将驱动电路连接到计算器的液晶显示器(lcd)上。今天，ACAs是显示行业的基石，允许使用晶片玻璃和柔性芯片技术，并实现驱动显示的快速、可靠和轻量级解决方案ICAs用于从模具连接到空间应用的各种应用。
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是非常重要的，特别是可能发生的潜在失效模式。有了这些知识，就有可能在满足可靠性目标的同时，主动地设计和构建具有成本效益的产品。明确定义可靠性目标和了解产品寿命期间的载荷是至关重要的。
导电胶类型
在本节中，讨论了两种主要类型的导电粘合剂的基本特征。
各向异性导电胶(ACA)
ACAs是由聚合物基体和导电粒子组成的复合材料。导电粒子的体积分数在0.5-5%之间变化。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，后者因其较高的粘结强度和可靠性而更受欢迎。
基体的作用是在需要的时间内将零件保持在一起，并在胶粘剂的xy平面内绝缘。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，并具有较高的玻璃化转变温度。因此，它们是流行的矩阵选择。
固化是用热压缩工艺完成的。加热降低了聚合物基体的粘度，使其在压缩下流动。此外，在这一过程中，热对固化聚合物是必不可少的。压力将导电填料颗粒推向衬垫，确保紧密的机械接触。压力对于金属涂层聚合物球至关重要，因为它们必须在过程中变形，以利用其柔顺性，在温度漂移期间保持与垫的接触。
各向同性导电粘合剂(ICA)
ica含有20 - 35%的导电填料，通常是银。银片的尺寸在20 ~ 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。胶粘剂用加热、红外线或紫外线辐射固化。固化周期时间的变化很大，很大程度上取决于温度、外壳或红外或紫外线的辐射水平以及聚合物的选择。
ICA的电导率来自于填充颗粒之间以及与待连接的衬垫之间的机械接触，如图2.4所示。尽管银氧化迅速，但其氧化物是导电的。由于聚合物基体的固化收缩而产生的压缩力保持了适当的接触。
失效模式
导电胶粘剂基本上有两种失效模式:不导电(开口)或导电方向错误(短)。
开路故障
下列事项会增加互连电阻，最终导致断路。
分层-在ica和ACAs中都发生的分层会削弱互连的机械强度。一个更突然的迹象是互连的电导率的损失，首先表现为电阻的增加。这也可能表现为在互连完全失效之前的极端温度下的间歇性性能问题。
附着力差是造成分层的原因之一。这可能是由于聚合物与基体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;未正确清洗的基材会在基材上留下油脂、汗液等残留物，使粘合剂无法良好接触。聚合物的水分进入可能通过削弱聚合物与基材之间的粘结而导致附着力损失。
机械应力可能导致胶粘剂互连层的分层。这很可能是一个更突然的失败比一个由于差的附着力。设计人员必须了解应力水平，并根据适当的安全裕度设计粘接接头。
分层的对策很简单。在处理胶粘剂互连时，洁净度极为重要。确保灰尘、液体和残留物不进入互连区域，并确保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胶粘剂互连的尺寸是很重要的。另外，胶黏剂所受的载荷应为剪切载荷。应避免拉力，特别是剥离载荷。
聚合物降解:在适当的条件下，水分会扩散到聚合物中。电动设备极有可能会在湿度达到可产生水分的水平的环境中使用。水可以通过与聚合物发生反应而降解聚合物。Liu等人已经证明了水引起ACA中酯键的水解，产生羟基和羰基端基胶粘剂的玻璃化转变温度(Tg)可能会降低，从而增加热诱导损伤的风险。此外，水可以作为增塑剂，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很重要。这并不能完全消除风险，但可以在满足可靠性要求的情况下延长使用寿命。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，连接电阻就会增加，失去接触的风险就会增加。聚合物膨胀的原因可能是:1)水分进入，2)热膨胀。在这两种情况下，导电粒子上的压缩力都会减弱。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。
水会在分子链之间的空隙中扩散到聚合物填充物中。因此，粘合剂的体积增加，压力降低，从而增加阻力。当聚合物干燥后，溶胀消失，电阻恢复到正常水平。
热膨胀可以产生类似的效果，特别是当温度漂移超过聚合物的Tg时。当温度降至Tg以下时，这种效应消失。在Tg上持续的热循环可以产生ica的永久变化。对于填充金属涂层聚合物颗粒的ACAs，如果颗粒在过程中没有被压缩到所需的水平，聚合物膨胀会导致高电阻甚至打开，如图3所示。主要因素是保持遵从性。
高度的固化是必要的，以尽量减少水分的影响，是必要的，以防止热引起的肿胀。固化过程对Tg有显著影响。此外，设计师应该了解系统的使用温度，因为这可以选择具有足够高的Tg的粘合剂。对于ACA应用，使用兼容的金属涂层聚合物颗粒将增强互连在潮湿环境和热循环中保持低电阻的能力。
在热循环测试中检测这种故障的一个挑战是，第一次故障可能发生得比室温下的测量结果早得多测试电路在极端温度下可能是开放的，但在室温下可以完美工作。因此，使用事件检测器执行测试是至关重要的，该检测器在整个循环过程中实时测量电路。
氧化:在使用银、镍或锡基合金等稀有金属的系统中，氧化会导致粘接互连的问题。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，如果衬底上的组件端子或衬垫涂有锡铅或锡银，氧化可能会影响可靠性
填料运动-据观察，如果ICA互连在其Tg上进行热循环，银薄片可能开始分离。随着时间的推移，当粒子远离另一个衬垫时，这就形成了一个开路。种族隔离的发生有两个必要条件。一个是ICA对Tg的循环。这导致ICA互连中存在高应力。第二种情况发生在刚性元件，例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，有一个非常简单的解决方案:不要设计电路或设备在ICA的Tg以上的温度下运行。如果是这种情况，请寻找适用于更高温度的ica。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ACA互连中出现大气泡的示例。这种连接可以在很长一段时间内正常工作。然而，这种陷阱也存在相关风险。它们可能会保留在使用过程中扩散到ACA中的水分。最终潮气会导致连接短路，设备会发生故障。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。如果气泡位于凸起/衬垫界面，由于缺乏导电颗粒，可能会导致裂缝。
产生气泡的主要原因是加热速率过高和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，例如在过薄的ACF的情况下，聚合物将不能像它应该的那样填充整个体积。
精心定义的工艺参数(温度、压力、时间)对于避免气泡至关重要。此外，各向异性导电膜的厚度或各向异性导电浆料的数量必须使整个互连体填充得当。
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。含银填料的各向同性导电粘合剂可能会遇到使银迁移的条件。然而，有一个因素对迁移有限制作用，如果导电粘合剂互连已经正确生产。聚合物基体应该是银离子移动的良好屏障。研究已经证明了这一点，因为它们表明，在ICA互连中需要非常高的电压和极端的条件才能诱导银迁移因此，在大多数情况下，风险是最小的。
万博Ansys发现，在某些情况下，即使在密封模块中使用相对较低的电压，也会发生迁移。假设粘合剂中的一些化合物可以诱导迁移，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在衬垫上的设计间隙，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-准确点胶或模板打印ICA对于实现可靠的互连至关重要。正确的黏合剂用量也是必须的。当焊料熔化时，典型的焊点是自动对准的。不幸的是，这不是ICAs的情况。由于ICA准确地停留在已放置的位置，因此有可能通过不正确地分配或打印ICA来创建短裤。另一方面，当元件放在ICA上时，过多的粘合剂可能会导致短路。多余的ICA可能被挤压到与相邻的衬垫、端子或ICA接触。
对于ACAs，粘接过程中的颗粒流是重要的。颗粒不应该堵塞相邻垫之间的空间，也不应该从垫流出。前者带来了做空风险，因为颗粒可能聚集到垫层相连的数量。在玻璃上的碎片或玻璃上的弯曲连接的情况下，这很容易通过观察玻璃来确认。流程开发人员的角色是确保在流程期间发生适当的流。
颗粒大小和颗粒计数-如果ACA颗粒计数过高，可能会发生短，当颗粒堵塞在垫之间，如前一节所述。另一方面，过大的粒子也会产生类似的效果。必须检查ACA的颗粒计数和大小是否适合特定的应用。此外，一些ACA厂家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在粒子上有绝缘涂层的粒子。当施加压力时，涂层破裂，并将从一个垫块传导到另一个垫块。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ACA，有两层，一层绝缘，另一层含有颗粒。这种分层结构影响颗粒的流动，优化了衬垫上的颗粒数量，并最大限度地减少了颗粒堵塞。
总结
导电胶粘剂是一种无铅材料，具有低温加工能力。各向异性粘合剂可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。了解导电粘合剂可能发生的失效机制是极其重要的。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，他们将能够选择以提供性能寿命信息的方式对胶粘剂互连施加压力的测试。
要使导电胶粘接成功，设计者必须注意三个方面。首先，了解在使用过程中会发生的预期应力，并据此选择导电胶。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粘合剂应该如何加工，并能够在适当的水平上控制工艺。
