罗杰斯,顾家宝,徐焕翔,朱 刚,刘子莲
(工业和信息化部 电子第五研究所,广州 511370)
摘 要:某仪表在常温下放置一段时间后其导电胶与金属骨架互连不良。采用宏观观察、电性 能测试、X射线检测、拉伸性能测试、扫描电镜及能谱分析等方法对其失效原因进行了分析。结果 表明:该仪表导电胶的清漆涂覆工艺不良,引起了金属骨架腐蚀,进而弱化了导电胶与金属骨架的 黏接界面,在外界应力的作用下,引起导电胶与骨架接触不良。
关键词:导电胶;互连不良;腐蚀;界面弱化;黏接质量
中图分类号:TQ436 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0048-05
导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的 胶黏剂,因其具有环境友好(无铅)、加工温度低、成本 低、灵活性高等优点[1-4],在电子产品封装和组装方面 应用广泛,如微电子装配中细导线与印刷线路的黏 接、LED(发光二极管)封装中芯片与金属支架的黏接 等。然而随着电子产品小型化的发展趋势和服役环 境的日趋复杂,对导电胶的黏接性能和导电性能提出 了更高要求,其黏接质量和退化失效情况对电子产品 的可靠性有较大影响。导电胶常见的黏接失效模式 包括:界面氧化与电化学腐蚀、裂缝与分层、导电胶开 裂与蠕变、工艺缺陷和电化学迁移等[5-7]。
某仪表上的导电胶常温放置后因黏接不良而导 致电路故障。笔者对导电胶进行一系列理化检验与 分析,研究了其失效原因和失效机理,为导电胶的应 用提供了参考。 图1 内部电路板与金属骨架整体宏观形貌
1 试验材料
主要试验材料包括失效仪表和正常仪表的内部 电路板与金属骨架整体。仪表的内部电路板与金属 骨架整体宏观形貌如图1所示,由图1可知:接地导 线(镀银铜材料)与骨架(超硬铝材料)采用环氧导电 胶黏接,导电胶表面覆有一层聚氨酯清漆,并用硅橡 胶进行加固。
2 理化检验
2.1 电性能测试
对失效仪表的电路进行故障排查,电路板上未检 测出电路故障,而用1750型微欧计测试电路板接地 线与骨架之间的电阻,结果为2kΩ,大于技术规范要 求(≤1Ω),初步判定电路故障为接地线连接故障。
分别对导线与电路板的焊接、导线自身以及导 线与金属骨架黏接处进行故障排查,发现导线与电 路板的焊盘采用的是焊锡焊接,焊点饱满、正常,导 线本身无变形损伤,电阻均无异常,排除了导线焊接 故障和导线故障;导线与金属骨架由导电胶黏接, 导线与导电 胶 之 间 电 阻 无 异 常,而 导 电 胶 与 骨 架 之间的电阻偏大。使用铜导线在另一处将电路板 与金属骨架 导 通,电 路 板 导 线 与 金 属 骨 架 之 间 的 电阻为0.2Ω,故障消失;而将铜导线断开,故障复 现。因此,该 仪 表 失 效 原 因 判 定 为 导 电 胶 与 骨 架 互连不良。
2.2 宏观观察
失效仪表和正常仪表导电胶黏接处的宏观形貌 如图2所示。由图2可知:失效仪表和正常仪表的 导电胶均未见明显脱离,但失效仪表的导电胶表面 的聚氨酯清漆保护层存在明显气泡。气泡是三防漆 涂覆过程中常见的缺陷,气泡的存在不仅影响涂覆 层的外观,当气泡覆盖了器件管脚、导线时,三防漆 无法起到有效的防护,因此会影响产品的电性能和 防潮性能[8-10]。
2.3 X射线检测
采用 XD7600NTRUBY 型 X射线检测系统对 失效仪表和正常仪表导电胶黏接处进行检测,结果 如图3所示。由图3可知:失效仪表导电胶内部与 金属骨架黏接部位存在明显孔洞,说明导线与骨架 之间未填充满导电胶;而正常仪表导电胶内部则未 见明显孔洞。
2.4 拉伸性能测试
在温度为25 ℃,拉伸速率为 100 mm/min的 条件下,采用拉力机对失效仪表和正常仪表的导线 进行拉伸测试,直至导线与金属骨架分离,随后分别 观察失效仪表和正常仪表脱落后的黏接面。发现失 效仪表的导电胶与金属骨架在黏接面处发生界面脱 离,破坏类型属于黏附破坏;而正常仪表在导电胶内 部发生脱离,破坏类型属于内聚破坏(见图4)。失 效仪表的导电胶与金属骨架的黏接强度明显低于正 常仪表。
2.5 扫描电镜及能谱分析
2.5.1 黏接面分析
采用 MIRA3型扫描电镜(SEM)观察失效仪表 导线拉伸试验后导电胶的黏接面,发现导电胶黏接 面有明显凹槽,存在较大孔洞,金属骨架端黏接面部 分区域存在腐蚀形貌(见图 谱分析结果表明:骨架端黏接 5) 面 。 正 骨 常 架 区 端 域 黏 主 接 要 面 有 的 氧 能 、 铜、锌、镁、铝和硅元素,而腐蚀区域除上述元素外, 还存在氯元素(见图6)
2.5.2 导电胶横切面分析
采用SEM 观察失效仪表和正常仪表导电胶的横 切面,从图7所示的失效仪表导电胶横切面的SEM 形 貌可知:失效仪表的导线与金属骨架之间存在一个较 大空隙,导电胶与金属骨架之间的空隙宽度为45μm~ 150μm,导线底部到金属骨架之间导电胶填充较少,且 导电胶内部存在明显孔洞。进一步研磨发现,导电胶 与骨架黏接处存在宽度约为0.5μm~0.9μm 的微小 间隙。在正常仪表的导电胶内部也发现了孔洞,但导 电胶与骨架黏接处不存在明显空隙(见图8)。
失效仪表和正常仪表的导电胶能谱分析结果如 图9所示,由图9可知:失效仪表和正常仪表的导电 胶主要元素组成均为碳、氧和银元素,未见明显异常 元素。
3 综合分析
由于导电胶黏接工艺本身存在缺陷,导电胶未 将导线与金属骨架之间填充满,形成了较大空隙,减 少了导电胶与骨架的黏接面积,导致其黏接强度下 降。而导电胶在内部存在孔洞的情况下,仍可以在 很长一段时间内保持良好的互连。然而,这种情况 也存在风险,其会弱化互连的机械强度,使其对机械 载荷的抵抗能力降低[1,3]。
导电胶和骨架本身均不含氯元素,骨架黏接面 腐蚀处的氯元素来源于外界,结合导电胶表面覆盖 的聚氨酯清漆保护层存在大量气泡,说明清漆未起 到有效的防护作用。因此,潮湿气体和杂质离子容 易引起金属骨架腐蚀,进而弱化黏接界面,导致导电 胶与金属骨架之间产生微小空隙,导电胶与金属骨 架处于不稳定的接触状态,在受到外界应力后会引 起导电胶与金属骨架互连不良,进而影响导线与骨 架之间的电阻。
4 结论及建议
由于导电胶的清漆保护层存在气泡,腐蚀源侵 入导电胶与骨架的黏接面并腐蚀骨架,进而弱化了 黏接界面,导致微小空隙的产生。导线与骨架之间 未填充满导电胶,形成了较大空隙,减小了导电胶与 骨架的黏接面积,导致黏接强度下降。导电胶与骨 架之间存在互连不良,并导致导线与骨架之间的电 阻异常。
建议优化导电胶的黏接工艺,以增加黏结接触 面积,排除空气;优化清漆的涂覆和固化工艺,避免 气泡的产生;对骨架进行表面处理或更换骨架材料, 以提高导电胶与金属骨架的黏接性能;同时准确地 设置导电胶的工艺参数(温度、压力、时间、用量),以 避免空洞的产生。
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