热分析法测试芯片粘合剂的固化过程

0 2020-05-27

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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。

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）。