金屬陶瓷膠黏劑封裝工藝及可靠性研究

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王強(qiáng)翔 李文濤 苗國策 吳思宇

（南京國博電子股份有限公司）

摘要：

本文重點(diǎn)研究了金屬陶瓷功率管膠黏劑封裝工藝中膠黏劑的固化溫度、時(shí)間、壓力等主要工藝參數(shù)對(duì)黏結(jié)效果的影響。通過溫度循環(huán)、濕熱實(shí)驗(yàn)對(duì)封裝可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，并以密封性能、剪切強(qiáng)度作為量化指標(biāo)來表征，同時(shí)討論了膠黏劑封裝工藝中的常見缺陷及其改進(jìn)方法。經(jīng)研究分析得出：功率管膠黏劑封裝在適合的固化溫度、時(shí)間及壓力條件下，可以獲得優(yōu)異的封裝質(zhì)量。

電子封裝中，管殼為內(nèi)部芯片電路提供了可靠的電氣連接、機(jī)械支撐及工作環(huán)境。為了保障芯片擁有良好的工作環(huán)境，防止水汽、污染物及有害氣體對(duì)芯片造成損傷，通常需要提供相對(duì)密封的環(huán)境，即密封封裝 [1] 。目前，可以通過多種途徑實(shí)現(xiàn)密封封裝，如基于釬焊工藝的錫封、基于電阻焊工藝的平行封焊、基于熔焊工藝的激光封焊以及樹脂灌封工藝和膠黏劑封裝工藝。各種密封工藝均有著其各自的適用場(chǎng)合，其中金屬陶瓷管殼封裝、金屬LCP封裝均采用了膠黏劑封蓋的封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。相較于其他封裝結(jié)構(gòu)，這種封裝結(jié)構(gòu)的特殊之處在于內(nèi)部無填充，I/O引腳位于封裝界面。與其他封裝結(jié)構(gòu)一樣，膠黏劑封蓋工藝也需要能夠經(jīng)受老化、溫沖、震動(dòng)加速度、耐濕等可靠性試驗(yàn)的考核，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膠黏劑選用及封蓋工藝過程對(duì)封裝的整體可靠性有著重要的影響。在功率管膠黏劑封裝工藝中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些典型問題，如密封不良、強(qiáng)度低和尺寸一致性較差等，本文將針對(duì)這些常見問題進(jìn)行功率管膠黏劑封裝工藝研究。

1 膠黏劑封裝

電子元器件的封裝工藝有很多，常見有以下幾種封裝類型：（1）非填充型封裝。如中空式金屬盒體封裝、陶瓷封裝，一般在高導(dǎo)熱高可靠情況下應(yīng)用。（2）填充型封裝。如塑封，常見的DIP、QFP、QFN、BGA等器件的封裝均采用填充型塑封工藝，塑封工藝的特點(diǎn)為質(zhì)量可靠、成本低、效率高、可大規(guī)模生產(chǎn)。

目前功率管的一種封裝方式為非填充型的金屬陶瓷封裝。這種封裝方式采用金屬管殼及陶瓷蓋板，通過膠黏劑將兩種或兩種以上同質(zhì)或異質(zhì)的材料連接在一起 [2] 進(jìn)行黏結(jié)封裝，內(nèi)部無填充材料 [3-4] 。其主體結(jié)構(gòu)為陶瓷蓋板和金屬管殼，一般在陶瓷蓋板的裝配界面預(yù)涂膠黏劑，與管殼裝配后經(jīng)固化完成封裝，如圖1所示。陶瓷蓋板一般采用氧化鋁白陶瓷，金屬管殼由引線框架和導(dǎo)熱熱沉組成。下文即以該種結(jié)構(gòu)器件為樣品針對(duì)膠黏劑封裝工藝參數(shù)及封裝可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。工藝對(duì)主要材料膠黏劑的一般要求為：（1）密封性好，保證內(nèi)部器件工作環(huán)境不受外界影響；（2）無有害揮發(fā)物，不會(huì)對(duì)內(nèi)部器件造成損壞；（3）黏結(jié)強(qiáng)度高，保證封裝體整體機(jī)械強(qiáng)度；（4）可靠性高，耐溫度循環(huán)、濕熱環(huán)境等 [5-6] 。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)用封裝器件為表面鍍金的銅金屬基板（模擬管殼）、氧化鋁陶瓷蓋板，如圖2所示，其中銅金屬基板的結(jié)構(gòu)尺寸為20 mm×10 mm×1 mm，氧化鋁陶瓷蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸為19.5 mm×9.6 mm×2.5 mm。實(shí)驗(yàn)采用人工裝配，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加壓合力，使用熱臺(tái)加熱。本研究使用密封性能、剪切強(qiáng)度及封裝尺寸作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：（1）密封良率使用國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中方法112條件D進(jìn)行密封檢測(cè)，對(duì)于電子器件，密封條件可以為產(chǎn)品內(nèi)部的芯片提供良好的工作環(huán)境，避免受到外界環(huán)境或污染物影響；（2）剪切強(qiáng)度使用推拉力測(cè)試儀（Dage4000）進(jìn)行檢測(cè)，剪切強(qiáng)度是保證器件結(jié)構(gòu)完整性的最基本指標(biāo)；（3）封裝尺寸使用平面輪廓儀進(jìn)行尺寸檢測(cè)。定義以上三方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)后，理想的封裝效果為密封效果好、強(qiáng)度高、尺寸一致性好、可靠性高，封裝完成的器件如圖3所示。

2.2 封裝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)z黏劑預(yù)涂于陶瓷蓋板表面。在膠封工藝中存在預(yù)熱過程、裝配過程、固化過程。按各過程的各個(gè)階段，膠封工藝的主要參數(shù)有預(yù)熱溫度Tx、預(yù)熱時(shí)間tx、固化壓合力F、壓合時(shí)間ty、固化溫度Tz、固化時(shí)間tz。一般膠黏劑的固化溫度Tz和固化時(shí)間tz為定值推薦，本實(shí)驗(yàn)不做研究，均設(shè)定為膠體的推薦值。實(shí)驗(yàn)針對(duì)預(yù)熱溫度Tx、預(yù)熱時(shí)間tx、固化壓合力F、壓合時(shí)間ty進(jìn)行研究，參數(shù)如表1所示。采用溫度循環(huán)及濕熱加速實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)黏結(jié)可靠性，具體條件如表2所示。其中，溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)每100次抽取10只樣品進(jìn)行密封和剪切強(qiáng)度測(cè)試，濕熱加速實(shí)驗(yàn)每24 h抽取10只樣品進(jìn)行密封和剪切強(qiáng)度測(cè)試。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 預(yù)熱工藝實(shí)驗(yàn)

預(yù)熱工藝實(shí)驗(yàn)研究的工藝參數(shù)主要為Tx、tx，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，要合理地設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度和時(shí)間才能獲得較高的密封良率，溫度越高對(duì)應(yīng)的時(shí)間越短，但過高的預(yù)熱溫度會(huì)帶來較短的工藝時(shí)間窗口。在工程應(yīng)用中，可以選取適中的預(yù)熱溫度來提供充足的工藝時(shí)間窗口，如實(shí)驗(yàn)中160 ℃的預(yù)熱條件下，時(shí)間窗口為2 min，而125 ℃的預(yù)熱條件下，時(shí)間窗口有4 min以上。不充分的預(yù)熱過程和過度的預(yù)熱過程均會(huì)導(dǎo)致密封成品率下降，前者是因?yàn)槟z體固化程度過低，仍具有較高的流動(dòng)性，無法形成較穩(wěn)定的形態(tài)，在壓合過程中極易出現(xiàn)氣孔；后者是因?yàn)槟z體固化程度過高，流動(dòng)性過低，在壓合過程中對(duì)界面的潤(rùn)濕能力下降，甚至已經(jīng)固化無法潤(rùn)濕黏結(jié)界面，導(dǎo)致密封不良。需要注意的是，不充分的預(yù)熱過程僅對(duì)密封良率產(chǎn)生影響，只要壓合力合適，封裝后的器件仍具有較高的剪切強(qiáng)度，而過度的預(yù)熱過程不僅影響密封良率還會(huì)影響剪切強(qiáng)度。

2.3.2 壓合工藝實(shí)驗(yàn)

壓合工藝實(shí)驗(yàn)研究的工藝參數(shù)主要為F、ty。膠黏劑中的環(huán)氧樹脂在固化時(shí)需要施加一定的壓力，主要原因是樹脂固化時(shí)，分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自由體積縮小，在黏結(jié)界面會(huì)產(chǎn)生固化收縮現(xiàn)象，這時(shí)需要從外界施加壓力彌補(bǔ)固化收縮，確保黏結(jié)界面緊密貼合。圖4為不同壓合力固化條件下制作的樣品，從左至右壓合力逐漸增大，使用平面輪廓儀掃描蓋板可以得到其表面輪廓尺寸，通過制作截面樣品可以得出膠層厚度尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明：（1）隨著壓合力的增加膠層厚度變小，剪切強(qiáng)度提升，在壓合力達(dá)到100 g以上時(shí)，膠層厚度和剪切強(qiáng)度進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)間；（2）在較低的壓合力下，除了黏結(jié)剪切強(qiáng)度低之外，還有黏結(jié)面不平整問題；（3）表5為不同壓合時(shí)間下的樣品剪切強(qiáng)度測(cè)試表，結(jié)果表明需保持一定的壓合時(shí)間才能保持黏結(jié)狀態(tài)，若壓合時(shí)間不足，膠體固化程度很低，仍處于可流動(dòng)狀態(tài)，壓合力撤銷后，蓋板將在膠體中“浮起”，導(dǎo)致膠層厚度發(fā)生變化，最終影響剪切強(qiáng)度和表面平整度，嚴(yán)重的情況下甚至可能發(fā)生單側(cè)翹起，如圖5所示。

2.3.3 可靠性工藝實(shí)驗(yàn)

可靠性工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。結(jié)果表明：（1）濕熱對(duì)黏結(jié)質(zhì)量影響巨大，隨著濕熱實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，密封性能和剪切強(qiáng)度大幅下降，96 h濕熱實(shí)驗(yàn)后，密封成品率下降50%，剪切強(qiáng)度下降40%；（2）溫度循環(huán)對(duì)黏結(jié)質(zhì)量影響較小。封裝膠黏劑作為一種環(huán)氧樹脂，具有良好的黏結(jié)性、力學(xué)強(qiáng)度、耐化學(xué)介質(zhì)、電絕緣、尺寸穩(wěn)定性以及工藝性等優(yōu)勢(shì)，但也存在環(huán)氧樹脂的缺點(diǎn)——耐濕熱能力差。水分子由于體積小，在濕熱環(huán)境下很容易進(jìn)入環(huán)氧樹脂內(nèi)部，降低已經(jīng)固化形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如導(dǎo)致局部化學(xué)鍵斷裂，破壞分子間作用力，降低交聯(lián)度。其次水分子進(jìn)入后會(huì)對(duì)樹脂產(chǎn)生溶脹，使整個(gè)系統(tǒng)的自由體積增大，分子間距離增大，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致密封失效，強(qiáng)度大幅降低 [7] 。

2.4 常見問題

在功率管膠黏劑封裝過程中，常見問題有：（1）氣孔，造成密封不良，表現(xiàn)形式為局部位置的微小孔洞，如圖6（左）所示。其主要的產(chǎn)生原因是在固化過程中內(nèi)部氣體受熱膨脹并向外部排出進(jìn)而形成貫穿型通道，從外部觀察即為微小孔洞。設(shè)定壓合前預(yù)熱溫度為T0，壓合后固化溫度為T1，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，初始?jí)簭?qiáng)為P0，壓合后固化溫度下壓強(qiáng)為P1，隨著溫度的升高（T1＞T0），其內(nèi)部氣壓升高，當(dāng)ΔP（=P1-P0）達(dá)到一定程度時(shí)，即可突破膠層形成氣流通道，導(dǎo)致密封不良。因此，可以通過降低ΔP來降低氣孔的發(fā)生概率。設(shè)計(jì)合適的預(yù)熱溫度和時(shí)間可以減小壓合前、后過程中器件的內(nèi)外壓差，進(jìn)而降低氣孔密封不良的發(fā)生概率。（2）裂紋，造成密封不良，表現(xiàn)形式為局部區(qū)域細(xì)微裂紋，如圖6（右）所示。在溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的失效樣品中可以發(fā)現(xiàn)，其由環(huán)氧膠體固化后硬脆，在溫度交替變化的條件下與金屬、陶瓷之間產(chǎn)生應(yīng)力失配導(dǎo)致?；诖?，對(duì)不同膠層厚度的樣品進(jìn)行單獨(dú)的溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋更容易在膠層較厚的樣品中出現(xiàn)，如表8所示。（3）強(qiáng)度不足。在不考慮膠體自身材料因素的情況下，黏結(jié)強(qiáng)度低的主要原因?yàn)轲そY(jié)界面污染、膠層過厚和固化不充分，可以通過增加壓合力和優(yōu)化固化溫度曲線來保證黏結(jié)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

膠黏劑封裝具有成本低、效率高和應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，其工藝過程中的常見缺陷為密封不良和黏結(jié)強(qiáng)度低。本文通過實(shí)驗(yàn)研究得出金屬陶瓷功率管膠黏劑封裝在適合的固化溫度、時(shí)間及壓合力條件下，可以獲得優(yōu)異的封裝質(zhì)量，具備較高的黏結(jié)強(qiáng)度和密封成品率。其中，壓合力（膠層厚度）是影響剪切強(qiáng)度的主要因素；預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間是影響密封成品率的主要因素；膠黏劑封裝耐濕熱能力一般，經(jīng)過濕熱實(shí)驗(yàn)后其剪切強(qiáng)度和密封效果大幅下降，在應(yīng)用中需要充分考慮環(huán)境條件。

審核編輯 黃宇