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热分析法测试芯片粘合剂的固化过程

2020.3.10


图1.  典型封装结构图。芯片通过粘结剂安装在金属引脚框架上,由内部的金线进行电气连接。

热分析方法为电子零件的分析提供了理想的工具,本实验利用介电法(DEA)和动力学方法对聚合物粘合剂的固化过程进行了分析测试,取得了良好的效果。

通常情况下,最终用户不需要直接与集成电路(IC)中的微型电子零件打交道。这些微型电子一般用于电脑的主板、电子娱乐设备、手机和车载发动机控制单元等,性能非常可靠。然而,为了满足这种可靠性,电子零件往往要经过500多步的处理步骤,涵盖了硅晶片的构建、合成与衔接,以及晶片与活性聚合物的重铸,直至焊接到印刷电路板上。


图2.  DEA 231/1 Epsilon(数据采集速率可达0.055S)。

对于如此多的处理过程,必须最大程度地减少出错几率以保证生产的成本效率。另外,这些电子零件必须符合各种可靠性标准,例如,手机中的电子零件必须能承受所谓的“跌落测试”,即集成元件必须能经受住手机跌落时所产生的压力。对于移动电子设备中的某些相关零件,还必须满足某些特殊的要求,比如能够抵抗湿度和温度变化带来的影响。

正是由于这些原因,材料的使用及生产过程显得尤为重要。特别是连接芯片与载体材料的高分子粘合剂,由于被连接的两部分(硅晶片和基体)的热机械性能(热膨胀系数、杨氏模量)差别很大,粘合剂就要承受相当大的压力。当然,粘合剂的快速处理也是同等重要的,也就是说,保持各自的流变学性质与最适宜的固化行为二者必须同时保证。由于固化过程消耗时间较长,会影响到生产效率,所以,进行合理的优化是非常有必要的。


图3.  粘合剂在一定温度程序下的固化测试。

理想工具:热分析

热分析方法为电子零件的分析提供了理想的工具,特别是利用介电法(DEA)和动力学方法对测试数据进行分析。关于介电法对固化过程进行监测,Infinion集团使用的是耐驰公司的DEA231/1 Epsilon,其数据采集时间可达55ms,这对研究快速固化体系是非常有利的。

以下测试均使用IDEX S065 梳形传感器测试。通过耐驰热动力学软件2,将测试数据导入程序进行分析,可以预测其在不同温度程序下的固化行为。


图4.  不同升温曲线下的两次测试比较。

23~220℃的固化过程(模拟真实处理条件)

这里模拟了粘合剂在123s内从23℃升至220℃的固化过程,离子粘度曲线表示的是材料的动态粘度变化。升温段的下降趋势主要是粘度的减小和电荷载体迁移率的增加。由于材料在初始阶段是软化占优势,所以,信号的最小值就表示逐渐增加的固化行为在该点可以被检测到。粘合剂的固化过程反映在离子粘度的增加。从大约90s开始,数值变为常数,表示固化已经结束。离子粘度的变化过程通常解释为固化过程的开始与结束。最小值是固化过程的开始,而固化的结束,也就是完全固化,常用切线法得到。


图5.  实验数据与动力学模型的匹配。

根据离子粘度变化的过程,可以得出在升温过程中是否固化完全的结论。这对于低温,或者快速处理固化是很有意义的。第一种情况可使产品在生产过程中具有较小的热应力。第二种情况处理时间短,可以大大提高生产量。

不同升温曲线下的两次测试比较

较高斜率的曲线导致固化过程的开始与结束提前。由此,温度的影响是显而易见的。这同时也是该方法的优点:固化过程即时地显示与比较。


图6.  借助于动力学模型对离子粘度的计算(实验数据在假设恒温条件下,由拟合获得)。

不同温度的恒温测试和动力学分析

分别在150℃、170℃和200℃温度条件下恒温测试,利用热动力学软件2进行动力学模拟与分析,匹配等级的相关系数为0.9998。因此,用一套参数设定来表征实验数据是具有可行性的。将两步反应作为反应模型,第一步为n级自催化反应,第二步为n级反应。(软件还同时提供有多种动力学模型可供选择。)

离子粘度曲线的变化可以清晰地显示,按照不同的温度,固化过程发生在大约12~25s时间范围内。对于如此快的反应,使用流变的方法进行测试是非常困难的。而借助于动力学分析,任何温度的固化反应过程均可以获得。在该分析中,恒温条件是经过模拟得到,数字数据从动力学软件2中导出,以ASCII码的形式保存,可用于更深层次的分析。例如,可以用于确定不同温度下的固化时间(见图7)。


图7.  不同温度下的固化时间(数据来自于模拟曲线)。

与预期一致,温度变化对固化时间的最大影响在温度较低时比较明显。而温度较高时,固化时间不会随意的缩短,这就使得实施快速、显著的过程优化具有可行性。从长远的发展角度来看,不同粘合剂之间的比较以及材料的选择会变得更加容易。


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