電子互連導電膠的力學性能及膠連點跌落沖擊行為

熊 蘅，馬宇宏，司博文，肖革勝，樹學峰

（太原理工大學機械與運載工程學院應用力學研究所, 山西 太原 030024）

電子產品的無鉛化使得電子互連材料由傳統的錫鉛焊料逐漸向無鉛焊料和導電膠轉變[1-3]。導電膠具有工藝溫度低、加工成本低及導電性優良等優點[4-5]，在半導體表面封裝、印刷電路板及壓電陶瓷等領域具有廣泛的應用前景。由于電子產品在其生產運輸和日常使用過程中易受到跌落沖擊載荷作用[6]，而跌落過程中封裝芯片與基板之間的細小互連點是最容易失效破壞的關鍵部位，因此有必要開展導電膠互連點的跌落沖擊力學響應研究。

目前，已有諸多學者通過改變膠體基體、固化劑、導電填料的類型等對導電膠的性能進行了多方面的優化[7-10]。Zhan 等[8]基于自燒結銀微粉框架研究了其在低溫固化導電膠中的應用，結果表明，應用表面改性銀粉作為導電填料在較低溫度下具有良好的導電性與黏合強度；Springer 等[10]通過動態機械熱分析儀對5 種不同導電膠進行了黏彈性材料的表征測試，獲得了相關材料參數，并采用廣義麥克斯韋模型描述了導電膠的黏彈性行為。此外，對于電子封裝結構跌落沖擊時互連點的研究多集中于無鉛焊點[11-14]。楊雪霞等[11]分析了3 種不同形狀無鉛互連焊點對球柵陣列封裝板級封裝跌落沖擊載荷下可靠性的影響，結果表明，沙漏形焊點具有相對較好的抗跌落沖擊性能；He 等[13]建立了基于位錯密度的無鉛焊點在跌落沖擊下的黏塑性本構模型，并對焊點的黏塑性變形進行了數值模擬；Long 等[14]采用分離式霍普金森壓桿研究了SAC305 無鉛焊料在高應變率下的動態行為，用應變率相關的Johnson-Cook 模型對其動態行為進行了描述。目前關于較高應變率下導電膠動態力學行為的測試表征以及封裝結構跌落沖擊下膠連點動態力學響應的研究較少。

本研究將對不同應變率下電子封裝中典型各向同性導電膠（isotropic conductive adhesive，ICA）的力學性能進行測試，從而獲得其應變率相關的本構關系。鑒于實際封裝結構及其使用工況的復雜性，進一步通過數值模擬研究導電膠互連封裝結構的跌落沖擊力學行為，對導電膠互連點在同一高度不同角度、不同高度同一角度跌落沖擊下的可靠性進行分析，研究結果對于膠連電子器件封裝結構的優化設計及提高其跌落工況下的服役可靠性具有重要意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料及試樣制備

本實驗所用材料為上海安巔新材料科技有限公司加工的AS-6509B 導電銀膠（銀含量為60%）。該導電銀膠為環氧樹脂基、120 ℃中溫固化ICA，產品無溶劑，可以很大程度上減少在固化過程中產生的孔洞數量，主要成分有導電銀粉、環氧樹脂、樹脂固化劑（酸酐類）、偶聯劑等。

試樣制備前，將導電銀膠從低溫恒溫試驗箱內取出，靜置于室溫中解凍0.5 h。同時，預熱高溫恒溫試驗箱，以減緩實驗時環氧樹脂與固化劑之間的反應。使用 ?4.5 mm 的醫用注射器將導電膠注入?5 mm 的耐高溫塑料軟管中，靜置2～3 min 后將其放入高溫恒溫試驗箱中；試樣在120 ℃恒溫試驗箱中固化2 h 后自然冷卻；將固化后的導電銀膠試樣從試管中取出，進行打磨拋光處理，得到尺寸為 ?5 mm ×5 mm 的圓柱體試樣。圖1 為固化后的導電膠試樣和掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）下的微觀表面形貌。

圖1 各向同性固化導電膠試樣(a)及其SEM 圖像(b)Fig. 1 Test sample (a) and SEM image (b) of cured ICA

1.2 固化導電膠的靜動態力學性能實驗

采用萬能試驗機（ETM105D）對固化導電膠試樣進行兩種不同應變率（0.01 s?1和0.10 s?1）下的準靜態測試，每種應變率下進行3 組重復實驗，選取其中1 組代表性結果用于后續研究，得到 ICA 的準靜態真應力-應變曲線，如圖2(a)所示。

圖2 各向同性固化導電膠的準靜態(a)和動態(b)真應力-應變曲線Fig. 2 Quasi-static (a) and dynamic (b) true stress-strain curves of cured ICA

采用分離式霍普金森壓桿裝置[15]對固化導電膠進行動態壓縮測試，應變率控制在1 000～3 500 s?1范圍內。實驗在室溫下進行，每組應變率下進行3 次重復實驗，選取其中一組代表性結果用于后續研究，得到了3 種動態應變率下的真應力-應變曲線，如圖2(b)所示。應用文獻[16]中的方法確定相應的動態屈服強度，具體結果見表1。

表1 不同應變率下固化導電膠的動態屈服強度Table 1 Dynamic yield strength of cured ICA at different strain rates

2 跌落沖擊數值模擬

2.1 有限元模型和材料屬性

參照JESD22-B111 標準[17]，建立了導電膠互連封裝結構自由跌落模型。只考慮在印制電路板（printed-circuit board，PCB）中心位置安裝一塊封裝件，然后通過4 個M3 螺柱固定在剛性基座上[18]，如圖3(a)所示。PCB 板距離基座10 mm，基座下面是撞擊平臺。封裝結構模型從上到下分別為PCB 板、銅盤、導電膠膠連點、銅墊、基板、芯片和封裝樹脂，如圖3(b)、圖3(c)所示。PCB 板為132 mm×77 mm×1 mm 的均質板，共有49 個膠連點，相鄰膠連點間距為1.27 mm，膠連點為直徑0.56 mm、高度0.58 mm的圓柱體；芯片為5.08 mm×5.08 mm×0.25 mm 的正方形薄片，基板為10 mm×10 mm×0.26 mm 的均質薄板；基板一側與PCB 板一側的銅盤均為直徑0.56 mm、高度0.02 mm 的薄片，環氧樹脂厚度為0.54 mm。

圖3 導電膠互連封裝結構自由跌落模型Fig. 3 Free drop model of ICA packaging structure

基板、PCB 板屬性為橫觀各向同性[19]，相關參數見表2。其中：Ex、Ey、Ez分別為x、y、z方向的彈性模量；Gxz、Gyz、Gxy和γxz、γyz、γxy分別為xz、yz、xy面內的剪切模量和泊松比。螺柱、芯片、銅盤、環氧樹脂均視為線彈性材料，基座與撞擊平臺均視為剛體，具體參數見表3[18-19]。其中：E、γ、 ρ分別為材料的彈性模量、泊松比和密度。導電膠的相關材料力學參數見表4，其中，C和P為材料常數。

表2 基板和PCB 板的橫觀各向同性參數Table 2 Transversely isotropic parameters of substrate and PCB board

表3 各材料的力學參數Table 3 Mechanical parameters of materials

表4 ICA 的力學參數Table 4 Mechanical parameters of cured ICA

2.2 載荷條件和跌落工況

在自由跌落碰撞過程中，忽略空氣阻力和摩擦力的影響，只對模型施加重力，對撞擊平臺完全固定約束。為了節省計算時間，剛性基座與撞擊平臺直接接觸，但給模型施加相應的初始速度（4.43 m/s），相當于從1.0 m 高的地方無初始速度自由跌落。分析步長設置為10 ms。

首先，模擬導電膠互連封裝結構隨基座在同一高度（重心下降1.0 m）、0°～30°范圍內6 個不同角度跌落工況下膠連點的力學響應；然后，選取同一跌落角度（5°），研究5 種不同高度跌落工況下膠連點的力學響應。除水平跌落外，其他角度均定義為小角度跌落，且同一小角度跌落均有兩種不同跌落方式，一種為基座短邊跌落，另一種為基座長邊跌落。跌落角度為15°時兩種不同跌落方式如圖4 所示。

圖4 同一角度兩種跌落方式示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of two drop modes at the same angle

3 實驗和數值模擬結果

3.1 固化導電膠的應變率效應及本構關系

由圖2(a) 可知，選取的ICA 在準靜態低應變率下無明顯的率效應，說明其在準靜態時具有一定的韌性，同時可得到固化導電膠的彈性模量和靜態屈服強度分別為1 630 和130 MPa。由圖2(b) 可知，在動態較高應變率下ICA 的率效應明顯，整體呈現脆性破壞狀態，說明在較高應變率下表現出了明顯的韌脆轉變，且應變率越高，破壞時的應變越小。這是因為固化導電膠基體是黏性的環氧樹脂基體，高應變率加載下其黏性變形不能充分釋放，導致破壞時產生了更高的載荷和相應更低的應變。

為了描述沖擊載荷作用下導電膠膠連點的力學行為，采用理想塑性模型，選取只考慮應變率效應的Cowper-Symonds 本構進行理論表征

通過式(2)和實驗數據對固化導電膠進行本構參數擬合，如圖5 所示。通過擬合得到的直線方程求得C和P的具體值。固化導電膠密度為4 050 kg/m3，泊松比設為0.4[20]，導電膠的相關力學參數見表4。

圖5 各向同性固化導電膠的本構參數擬合結果Fig. 5 Constitutive parameters fitting curve of cured ICA

3.2 關鍵膠連點位置及 z向最大應力

關鍵膠連點是封裝結構所有膠連點中受力變形最大的位置，膠連點受力主要由PCB 板上、下彎曲引起，所以有必要研究PCB 板的彎曲變形。圖6(a)為基座從1.2 m 高度水平跌落后膠連點產生最大z向應力時PCB 板的位移云圖，圖6(b)為基座長邊5°跌落后膠連點產生最大z向應力時的位移云圖。圖6 中，S為位移，Sz表示z方向的位移。水平跌落時，由于結構具有對稱性，PCB 板的彎曲變形呈板中心對稱，關鍵膠連點位于封裝件的4 個邊角處；而小角度跌落時，PCB 板的彎曲變形則無法呈板中心對稱，關鍵膠連點會出現在某一單側的邊角處。因此，本研究中的所有跌落工況，關鍵膠連點均位于4 個邊角處的膠連點上。

圖6 PCB 板的z 向位移云圖Fig. 6 z-axis displacement contour of PCB board

不同跌落工況下關鍵膠連點的z向最大應力見表5，其中： σ0、 σ1和 σ2分別為水平跌落、基座短邊5°跌落和基座長邊5°跌落時的z向最大應力， σ11和 σ12則為1.0 m 高度小角度跌落時基座短邊跌落和基座長邊跌落時的z向最大應力。研究發現， σ0均為正值， σ2和 σ12均為負值。 σ0為正值是因為水平跌落時，PCB 板受重力等因素影響向下彎曲的幅度比向上彎曲的幅度大，所以關鍵膠連點受拉應力更大；而 σ2和 σ12為負值則是因為基座長邊跌落時，短時間內的兩次碰撞會使PCB 板形成如圖6(b)所示的彎曲變形，一側向上凸起，另一側向下凹陷，從而導致膠連點處受到更大的壓應力。

表5 不同跌落工況下的 z向最大應力Table 5 Maximum z-axis stress under different drop conditions

3.3 不同跌落角度下的應力、應變分析

圖7 給出了導電膠封裝結構隨基座在1.0 m 高度、不同角度跌落時，關鍵膠連點的最大等效應力和最大等效塑性應變（PEEQ）。水平跌落時，最大等效應力為128.7 MPa，導電膠未發生屈服，無相應的塑性應變；基座長邊跌落角度為5°、20°時，關鍵膠連點處的受力變形較大，說明這兩種跌落工況下PCB 板發生的變形相對其他工況更加劇烈；基座長邊跌落角度為25°、30°時，其最大等效應力均小于水平跌落下的等效應力，且未發生塑性變形，因為這兩個角度跌落時，碰撞后的動能大多用于結構的整體旋轉，而不是使PCB 板發生彎曲變形，所以相應膠連點處的應力和應變不大。

圖7 不同跌落角度下的最大等效應力(a)和最大等效塑性應變(b)Fig. 7 The maximum Mises stress (a) and maximum PEEQ (b) at different drop angles

從圖7 可以看出：對比水平跌落，基座短邊跌落時，5°、10°和15°跌落產生的應力、應變均更高；基座長邊跌落時，5°、15°和20°跌落產生的應力、應變也比水平跌落時大。這說明對導電膠互連封裝結構而言，水平跌落并不是最危險的工況，小角度跌落時相對更加危險。

3.4 不同跌落高度下的應力、應變分析

為了驗證小角度跌落時其他跌落高度下關鍵膠連點是否更容易被破壞，特選取5 種不同跌落高度，研究水平與5°跌落時關鍵膠連點等效應力、應變的最大值，如圖8 所示。水平跌落時，隨著高度的增加，應力基本呈線性上升，而應變則在后期上升相對較快；水平跌落時，撞擊后PCB 板的彎曲變形模式為上下周期振動，跌落高度越大，則碰撞后PCB 板的彎曲程度更大，膠連點受力變形也就越大。基座短邊跌落角度為5°時，不同跌落高度下的最大等效應力均大于水平跌落時，但在1.8 m 跌落高度下，最大PEEQ 反而比水平情況下低，這是由于水平跌落時，PCB 板周期振動過程中多次導致導電膠發生屈服，累積的應變更高。

圖8 不同跌落高度下的最大等效應力(a)和最大等效塑性應變(b)Fig. 8 The maximum Mises stress (a) and maximum PEEQ (b) at different drop heights

當基座長邊跌落角度為5°時，不同跌落高度下的最大等效應力和PEEQ 均大于水平跌落和基座短邊跌落角度為5°時，說明這3 種跌落工況中基座長邊跌落最危險。值得注意的是，基座長邊跌落角度為5°時，跌落高度為1.0 m 下的最大等效應力和PEEQ 比跌落高度為1.2 、1.5 m 下更大，這是因為跌落高度為1.0 m 時的第2 次碰撞時間滯后于另外兩種，使得PCB 板在第1 次和第2 次碰撞時產生應力波協同作用，進而導致關鍵膠連點產生了更大的應力。

4 結 論

在動態較高應變率下固化導電膠呈現脆性破壞狀態，其動態屈服應力和應變具有明顯的應變率效應。導電膠互連封裝結構跌落沖擊時，關鍵膠連點出現在4 個邊角處，同時小角度跌落比水平跌落更容易導致膠連點發生破壞。通過分析不同跌落高度下關鍵膠連點的應力和應變，可以判斷出小角度跌落時基座長邊跌落方式更危險。