摘要：為解決導電膠粘接元件接觸電阻不穩定的問題，研究了在溫度及壓力應力條件下，導電膠在不同界面的導電性和體電阻率的變化情況，分析了導電膠接觸電阻不穩定的機理。試驗結果表明，導電膠粘接片式元件的接觸電阻的穩定性不僅與工藝加工過程有關，而且與元件端頭金屬基材表面金屬化層的電極電動勢密切相關；采用 Ａｇ基或 Ａｕ基端頭元件時，其導電膠粘接元件的接觸電阻在粘接裝配工藝過程中是最穩定的。

一、引言

近年來，導電膠（ＥＣＡ）粘接互連工藝因其操作簡單、返修容易、工藝溫度低、不需要助焊劑等特點得到了廣泛應用［１］，成為國外混合電路 元 件 互 連 應用的主流工藝。該工藝不僅用于芯片粘接，還廣 泛應用到片式元件粘接中。在應力敏感應用的 場 合，因導電膠固有的柔性，導電膠粘接互連工藝可以減小元件的應力，從而取代焊膏燒結工藝。但在國 內的高可靠應用中，導電膠粘接工藝在片式元件的互連應用方面屢屢出現問題，導電膠粘接片式元件接觸電阻的不穩定性已成為影響導電膠粘接工藝推廣應用的主要問題。本文將對各向同性導電膠（ＩＣＡ）在片式元件粘接互連工藝中接觸電阻穩定性的應用問題進行探討，提出實際的解決方法。

在導電膠粘接互連工藝的體系中，系統 電 阻 包括被粘接金屬的體電阻Ｒｍｅｔａｌ、導電膠材料的體電阻ＲＥＣＡ、導電膠和被 粘 接 金 屬 之 間 的 界 面 電 阻。金 屬的體電阻Ｒｍｅｔａｌ較 穩 定，因 此，導電 膠 粘 接 互 連 系 統電阻的穩定性與導電膠材料的體電阻 ＲＥＣＡ、導電膠和金屬之間的界面電阻的穩定性密切相關。本文將從這兩個方面進行研究。

二、導電膠電導性建立

2.1導電膠電導性的建立

導電膠是基體樹脂和導電填料的復合物，通過樹脂材料提供互連系統的機械強度，導電填料提供導電性能。在導電膠中，導電填料通過導電顆粒之間的接觸達到導電目的，當導電填料濃度增加到滲流閾值［２］時，固化后的導電顆粒互相接觸，形成一個三維網絡，從而使導電膠形成各向穩定的導電性能［３］。

2.2影響導電膠電導率穩定性的因素

影響導電膠電導率的因素較多，其中一個主要因素是導電膠的填料直徑，而填料類型是影響電導率穩定性的基本因素。填料一般采用：金、鎳、銅、碳、銀。金因價格昂貴，使用受到限制，填金導電膠在粘接電容器時，其界面處的微裂紋呈現發展的趨勢［４］；鎳、銅、碳因其氧化物不具有導電性，無法應用在對電導率穩定性要求高的場合；銀的氧化物具有導電性，成本方面具有優勢，填銀導電膠已成為應用最廣泛的導電膠。

在導電膠 粘 接 元 件 的 接 觸 電 阻 穩 定 性的 研 究中，導電膠材料自身是否具有良好的抗溫度沖擊和抗機械沖擊性能，是否在長期儲存及工作條件下具有穩定的電導率，是評價導電膠能否用于元件粘接互連 應 用 的 首 要 條 件。ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５［４］中 方 法５０１１（聚合材料的評價和驗收程序）提出了導電膠評價的所有要素。不同溫度及長期高溫作用下，材料自身體電阻率的變化情況決定了導電膠的電導率穩定性。本文對國內外多個公司的銀基進行了環氧導電膠特性分析，選擇了接觸電阻穩定性較好的Ｅ公司的Ｈ型產品，作為本試驗混合電路片式元件粘接材料樣品。

2.3導電膠體電阻率的穩定性研究

根據 ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５的要求，在２５℃，６０℃，１５０℃及１５０℃條件下，儲存１０００ｈ后，導電膠體電阻率不應大于５．０μΩ·ｍ（２５℃下測試）［４］。導電膠體電阻率的測量采用四探針法，測試原理如圖１所示。

測量時，記錄測量所得的電壓值Ｕ和電流值Ｉ，按Ｒ＝Ｕ／Ｉ計算電阻值Ｒ，然后計算出體電阻率為：

Ρ ＝Ｒ×ｄ×ｔ／Ｌ（１）

式中，Ｒ為電阻條膠層的電阻，單位為Ω；ｄ為玻璃條（導電膠樣品）寬度，單位為ｃｍ；ｔ為膠層厚度，單位為μｍ；Ｌ為膠層長度，單位為ｃｍ。

由于要測試 １５０℃，１０００ｈ后的 導 電 膠 電 阻率，填銀導電膠在空氣中放置時容易出現硫化現象，影響測試結果。需要將樣品放置到充氮的金屬外殼中，進行氣密性封裝，以避免樣品在經過長期高溫儲存后受到外界不良因素的影響，從而影響對材料自身特性的評定。

表１為不同溫度下導電膠Ｈ體電阻率與溫度的關系表。圖２為不同溫度下導電膠體電阻率變化曲線圖。

由表１和圖２看出，導電膠在不同溫度下的體電阻率非常穩定，而經過１５０℃，１０００ｈ高溫儲存后，導電膠電阻率保持相對穩定，數值略有下降。因此，在１５０℃溫度范圍內，導電膠自身體電阻率穩定，變化較小，不會引起粘接元件接觸電阻的穩定性降低。

當選用導電性能穩定的導電膠后，導電膠和金屬之間的界面電阻成為影響導電膠粘接互連系統接觸電阻穩定性的主要因素。

三、導電膠接觸電阻不穩定性機理研究

3.1元件導電膠粘接互連體系

在元件導電膠粘接互連體系中，存在２個粘 接界面，一個為元件端頭與導電膠之間形成的界面，這個界面形成的互連系統為元件端頭金屬化材料與導電膠（Ａｇ粉）之間的接觸界面；另一個為基板焊盤與導電膠之間的界面，這個界面形成的互連系統為焊盤表面金屬化材料與導電膠（Ａｇ粉）之間的接觸界面，２個粘接界面示意圖如圖３所示。

片式元件端頭金屬化層通常分為３種類型：Ａｕ端頭、Ａｇ基（Ａｇ或ＡｇＰｄ）端頭、Ｓｎ基（Ｓｎ或ＳｎＰｂ）端頭。前兩類端頭均為貴金屬，Ｓｎ基端頭為非貴金屬。而在 基 板 的 粘 接 焊 盤 端，也 分 為 Ａｕ、Ａｇ或ＳｎＰｂ等表面。導電膠接觸電阻的穩 定 性 與 導 電 膠接觸界面的金屬化層的類型密切相關。

大量實驗發現，導電膠粘接互連系統接觸電阻的升高是由于導電膠與金屬界面的接觸電阻升高所致。根據不同的界面情況，引起接觸電阻不穩定的原因是多方面的，與粘接界面材料體系及工藝加工控制相關。使用某些粘接界面材料時，接觸電阻受外界溫度、沾污物的影響增大。下面針對各類影響因素的機理及特點進行研究。

3.2粘接界面材料體系引起接觸電阻不穩定的機理

當粘接界面為２種不同的金屬材料 時，接 觸 電阻的升高是由于導電膠與非貴金屬界面之間形成的氧化物所導致。氧化物的形成有２種機理：簡單 氧化和非貴金屬電化學腐蝕，主要為非貴金屬電化學腐蝕，尤其是電偶腐蝕。

電偶腐蝕一般在２個條件滿足時會發生：１）２種具有不同電化學勢的金屬接觸，其中一種金屬電化學勢低于化學反應２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－＋Ｏ２＝４ＯＨ－所對應的勢能，一般為０．４ｅＶ；２）水溶液。非貴金屬充當陽極時，化學反應為Ｍ－ｎｅ－＝Ｍｎ＋；具有較高化學勢的貴金屬（這里為 Ａｇ）充當陰極時，化學反應為：２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－＋Ｏ２＝４ＯＨ－，Ｍｎ＋與４ＯＨ－相結合，形成金屬氫氧化物，再轉化為金屬氧化物，因此在粘接界面上形成一層薄的金屬氧化物，這一層薄氧化物的電阻遠遠高于非貴金屬本身，老化后，粘接界面的接觸電阻顯著上升。一些電極反應的正常勢壘如表２所示［５］。

由表２可以看出，Ａｕ和Ａｇ的平均勢能均高于陰極的反應勢能（０．４ｅＶ），因此，即使在液態水存在的情況下，也不會發生電化學腐蝕反應，在老化過程中，填充Ａｇ的導電膠與這些貴金屬之 間 的 接 觸 電阻可以保持穩定。而其他金屬，如Ｓｎ或Ｐｂ，具有比陰極反應低的勢能，在老化過程中容易發生電化學腐蝕反應，引起填充Ａｇ的導電膠與這 些 貴 金 屬 之間的接觸電阻大幅增加。

因此，接觸電阻的升高主要是導電膠與非貴金屬（Ｓｎ、Ｐｂ）界面之間發生電化學腐蝕所導致。電化學腐蝕的條件為２種具有不同電化學勢的金屬接觸和水溶液。在高于８５℃以上的高溫高濕環境下，電化學腐蝕的發生會加劇。

3.3試驗研究

為研究不同粘接界面類型的接觸電阻穩定性，采用厚膜陶瓷基板（粘接焊盤為ＡｇＰｄ）作為粘接載體，Ｈ型填銀導電膠作為粘接材料，分別粘接端頭金屬化層為ＡｇＰｄ，Ｓｎ和ＳｎＰｂ的３種片式陶瓷電容，并投入溫度循環及高溫儲存可靠性試驗。同時，對比３組元件粘接系統的接觸電阻穩定性，并對影響３種粘接系統接觸電阻穩定性的因素進行研究。對接觸電阻穩定性存在影響的工藝因素較多，本文對導電膠粘接裝配過程中存在的兩種因素，即壓力和溫度開展試驗研究。以下試驗中，溫度循環試驗條件為ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５中方法１０１０，條件 Ｃ；高溫儲存溫度為１５０℃，接觸電阻測試值取元件兩個端頭電阻之和，測試設備采用日本 ＴＡＫＡＹＡｃｏｒｐ公司 ＡＰＴ－７４００型基板探針自動測試系統。試驗方案１：壓力及溫度應力對不同端頭元件的導電膠粘接接觸電阻的穩定性影響對３組不同端頭的元件按照２５０ｇ（重按壓力）及２４０ｇ（輕按壓力）２種按 壓 力 進 行 導 電 膠 粘 接 裝配。為控制按壓力，采用自動粘片機進行貼片，每組采用８０只０８０５片式電容，共４８０只元件進行試驗。在模擬ＩＣ生產工藝過程及經過后續篩選考核長期溫度應力后，ＡｇＰｄ端頭及 Ｓｎ端頭元件的接觸電阻測量平均值如圖４所示。

從圖４可以看出：對于Ａｇ基端頭元件，經歷各種按壓力、加工溫度及溫循、高溫儲存后，其接觸電阻均小于１００ｍΩ，試驗前后的接觸電阻阻值無明顯變化，表現出穩定的趨勢；對于Ｓｎ端頭元件，按壓力的大小及２１５℃高溫對其接觸電阻存在一定影響，在按壓力較大的情況下進行裝配時，接觸電阻均值小于２５０ｍΩ，雖然Ｓｎ端頭元件的接觸電阻大于Ａｇ基元件的接觸電阻，但其穩定 性 滿 足 應 用 要 求；而Ｓｎ基元件在 按壓力較 小的 情況 下 進 行 裝 配 時，在２１５℃下短時間烘烤后，其接觸電阻明顯增大，超過２５０ｍΩ。

圖５為ＳｎＰｂ端頭元件的接觸電阻測量值在不同溫度應力下的曲線圖。可以看出，對于ＳｎＰｂ端頭元件，無論按壓力大小，均在２１５℃短時間烘烤后出現接觸電阻明顯增大，甚至達到歐姆級，導電膠粘接元件接觸電阻的穩定性較差。

試驗方案２：溫度對不同端頭元 件 的 導 電 膠 粘接接觸電阻的穩定性影響對３組不同端頭的元件進行導電膠粘接后，在１５０℃，１８０℃，２１０℃及更高的溫度環境中，經３０ｍｉｎ烘烤后，對 導 電 膠 粘 接 元件 的接觸電阻進 行 測試，每組采用４０個樣本，３種溫度范圍內，每種端頭元件為１２０個樣本，共計３６０個樣本。試驗結果如下。

對于 Ａｇ基端頭元件，環境溫度在２１０℃范圍內，接觸電阻無明顯變化；當溫度上升到２５０℃時，接觸電阻仍保持較好穩定性；當溫度上升到２５０℃以上時，其穩定性隨受熱時間的加長而發生變化，出現不穩定的趨勢。對于Ｓｎ端頭元件，環境溫度在２１０℃范圍內，接觸電阻無明顯變化；溫度超過２１５℃后，其穩定性隨受熱時間的加長而發生變化，出現不穩定的趨勢。對于ＳｎＰｂ端頭元件，環境溫度在１８０℃時，接觸電阻表現穩定；當溫度上升到１９０℃時，３０％的樣本接觸電阻增大４０～８０ｍΩ，但仍可保持在２５０ｍΩ 以下；當溫度上升到２００℃時，６０％的樣本接觸電阻增大７０～１４０ｍΩ，部分樣本超出２５０ｍΩ，甚至部分元件的接觸電阻增大到歐姆級。

根據試驗１及試驗２得到的結果，發現按壓力和溫度對３種元件端頭的接觸電阻穩定性的影響各不相同。按壓力大小決定了元件端頭與Ａｇ粉之間結合的緊密程度，當按壓力不足時，外界濕氣更容易進入到粘接界面，在高溫高濕的條件下加速了非貴金屬與Ａｇ之間的電偶腐蝕，造成接觸電阻不穩定。

四、導電膠接觸電阻穩定性控制方法

對于導電銀膠而言，當粘接界面采用 的 金 屬 化材料為 Ａｕ或Ａｇ基貴金屬時，這種粘接體系的穩定性較好，其接觸電阻的穩定性不易受混合電路裝配工藝加工過程的溫度或其他因素的影響，適合高可靠應用場合。

對于Ｓｎ端頭元件界面，粘接接觸電阻的穩定性與溫度及組裝加工時的工藝控制相關，特別是按壓力、后工序的工藝溫度及操作時間必須要精確控制，對工藝加工過程的控制要求較高。在按壓力的控制方面，雖然自動化粘片機可以提供一個穩定的壓力，但元件實際接受的壓力受諸多外界因素影響，如基板焊盤的厚度、元件鍍層厚度，玻璃釉設計、布線設計等。如何保持外界因素的穩定一致，在批量生 產過程中控制難度較大，如果其中一個因素變化，就會引起接觸電阻不穩定。同時，需對電路進行內部 水汽含量控制，保證電路內部水汽含量小于５×１０－３，以避免在電路儲存或工作溫度范圍內出現液態水，產生電化學腐蝕，從而引起接觸電阻不穩定。

對于ＳｎＰｂ端 頭 元 件 界 面，由 于 元 件 生 產 商 對Ｐｂ含量的控制均按大于２％（重量比）的標準，各批次之間存在差異，元件端頭熔點不一致，其耐受高溫情況存在差異。如果僅靠工藝進行控制，不易實 現粘接接觸電阻的穩定。特別是在高可靠應用 場 合，元器件二篩后存在氧化、沾污等不可控因素，如果元件在加工過程中沾污了助焊劑，會出現元件端頭與導電膠開裂的現象，不建議采用該類元件進行粘接應用。

常見的導電膠粘接元器件的接觸電阻穩定性特征如表３所示。

五、結語

對導電膠粘接元件接觸電阻的穩定性進行了研究，結果表明：導電膠粘接元件接觸電阻的穩定性不僅與工藝加工過程控制相關，更與粘接界面金屬的電動勢密切相關。為保證批量工藝過程中導電膠粘接系統接觸電阻的穩定性，采用Ａｇ基或Ａｕ基端頭是最佳的工藝方案，可有效降低工藝加工過程控制難度，從而實現批量加工過程中工藝及接觸電阻的穩定。在本文試驗中，對于Ｓｎ基端頭的元件而言，在裝配過程按壓力不足或元件傾斜的情況下，試驗過程中會出現接觸電阻明顯上升的現象，但導電膠并未發現裂紋，因此，在裝配及后續過程控制時，需要注意避免裝配過程按壓力不足或元件傾斜的情況。