声表器件粘片工艺原理.doc

声表器件粘片工艺原理（一）粘结机理：粘片的实现是粘合剂分子和芯片表面分子及底座（或支架）表面分子、以及粘合剂内部分子间相互作用的结果。粘片的强度取决于粘合剂本身的内聚力（抗拉断能力）和粘合剂与被粘物之间的粘附力。粘附力存在于两种材料接触面之间，通过范德华力实现吸引或吸附，同一种（不同）粘合剂与不同（同一种）材料之间的粘附力不同。当我们把芯片加压放置于涂敷在底座（或支架）的胶面上时，粘合剂会润湿芯片和底座表面，并渗入芯片和底座表面空隙；胶分子和芯片及底座分子通过接触产生分子引力，使芯片和底座粘合在一起。粘附力一方面取决于表面分子间引力，同时也取决于润湿的渗透度；粘合剂必须渗入表面粗糙处并完全润湿表面，才能得到最完全的分子间交换；在粘合剂的表面张力已经确定的条件下，润湿取决于被粘结物的表面能及粘合剂的黏度；只有当粘合剂的表面能小于被粘物的表面能时，粘合剂才能较好的润湿固体表面；如果存在污染物，湿润程度将降低，会影响粘附力。当我们进行光（热）固化时，线状结构的粘合剂分子会反应聚合为立体网状大分子，粘合剂的形态也由黏液状变为固态，极大的增强了粘合剂本身的机械强度（即内聚力）。同时粘合剂与被粘物之间的结合也由线状小分子与被粘物分子间的结合转变为网状大分子与被粘物分子间的结合，使粘附力极大增强。（二） 粘片质量要求：粘片是把划片后的芯片用粘合剂粘附在管座（金属、陶瓷管座或塑封支架）上，通过热固化（或光固化）使芯片和管座牢牢粘合在一起。对声表器件不仅要求粘片位置准确、粘结牢固、不裂片、不掉片、不粘污晶片表面和支架压点。同时还要求粘片胶有良好的高温性能，固化后其形变不影响压焊效果，及粘片胶要有良好的吸声效果。（3） 对与粘片有关材料的介绍：1， 粘合剂（适用于粘片和封装）：对电子元器件装配用粘合剂的要求是：在机械性能方面要有较好的抗拉、抗剪、抗压、抗弯强度及适宜的硬度；在物理性能方面，要有良好的耐热、耐湿、耐溶剂、耐高低温冲击等性能，并且要有合适的热膨胀系数，高的绝缘性；此外，还必须在高温和低气压下，没有挥发物出现；对声表器件而言，粘合剂还要有良好的吸声效果等。按固化分类，粘合剂主要分为室温固化、热固化、光固化。其中热固化（室温固化）粘合剂主要成分是环氧树脂或硅橡胶，光固化粘合剂的主要成分是丙烯酸脂。1） 光固化粘合剂：主要成分是低聚物的丙烯酸脂及改性丙烯酸类，再加入配合剂主要有交联剂（如丙烯酸）、光敏剂、增塑剂等。经 UV 固化，使线性树脂聚合为三维网状结构；有较好的耐振动和抗冲击性能，坚韧易弯曲，有强的粘结力，好的吸声效果。但由于其热膨胀系数较大，与芯片及金属支架会出现热不匹配。以3781胶为例，使用中易出现裂片现象，并有实验显示，当温度300时，胶变深黄色，粘结力和吸声效果开始下降。光固化厌氧粘合剂：光固化粘合剂和厌氧粘合剂的主要成分都是低聚物的丙烯酸脂，再分别加入各种配合剂即分别组成光固化粘合剂和厌氧粘合剂。厌氧配合剂主要有交联剂（如丙烯酸）、引发剂、促进剂、稳定剂和表面处理剂等，厌氧胶的固化是按游离基聚合反应进行，微量空气存在有利于促进聚合反应，大量空气存在起阻聚作用。厌氧胶为单组分、无溶剂，具有固化速度快，耐油、耐酸碱，能与油污面进行粘结等优点，缺点是接触空气的胶不固化。光固化厌氧粘合剂是在光固化粘合剂中再加入厌氧配合剂而成，具有固化速度快、粘结力强、耐油、耐酸碱等优点。是目前生产在用的粘合剂。2） 热固化粘合剂：环氧树脂有优异的物理、机械和电气性能及良好的吸声效果。固化过程无副产物生成，固化后的收缩率在热固化树脂中为最小（2%），有较低的吸水率（0.5%）。因环氧树脂性能的优劣，在很大程度上与采用的固化剂有关，所以为获得良好的粘结剂性能，常采用低熔点、耐高温的液体酸酐（如 647#酸酐）作固化剂；所得产物的耐热性、机械强度及高温电气性能比用其它固化剂优越。另外，常在配方中加入活性增韧剂（如聚酰胺树脂等），能提高固化产物的韧性、抗冲击强度，减小固化收缩率及克服温度循环时的开裂现象。加入无机填料（如晶态石英粉等），能提高粘结剂的强度和耐热性，尤其在改善内应力，减少开裂，降低热膨胀系数等方面，作用明显（填料的加入量要根据树脂黏度、及树脂的润湿程度和工艺要求决定，一般情况，轻质填料为树脂重量的25%以下，重质填料可加到200-300%不等）。此外，为提高粘合剂的粘结强度还常加入偶合剂（如南大-42#），为改善其工艺性，常加入活性稀释剂（如 501#稀释剂）等。3） 硅橡胶粘结剂：应用最多的是单组分室温固化硅橡胶粘结剂，它是以端羟基硅橡胶为主体，配以交联剂、补强填料、有机硅偶联剂等，在干燥条件下反应后，装入密封软管保存；使用时，在室温遇空气中潮气即交联固化，固化会释放醋酸、醇等低分子化合物，影响器件稳定性；因此封装前，须充分固化；可提高温度、湿度使固化加速。该粘结剂具有良好的高低温性能（-200200）、电气性能、防潮性能，缺点是吸声效果稍差，粘结力和内聚力较低，良好的弹性又常会引起键合虚焊（可在其中加入少量环氧树脂予以克服）。2，与粘片质量有关的金属材料：主要用作底座、引线、管帽（盖板）、塑封引线框架等。要求：有良好的塑性、延展性，便于冲压、加工；有良好的导电性、导热性、气密性、可焊性；与陶瓷、玻璃、塑料的热膨胀系数相匹配，且有良好的封接特性；用于塑封引线框架还要求有好的平整性。* 柯伐合金（Fe-Co-Ni）：常用型号有 4J29、31、33 等，热胀系数为 6.2（10-6/）主要用作底座、引线、管帽（盖板）、焊环。 *低碳钢（10#钢）：热胀系数为 11.6（10-6/），主要用作底座、管帽（盖板）、焊环等。 *合金 42（Fe-42%Ni）：热胀系数为 7（10-6/），用作引线框架。 *复铜不锈钢（两面复铜，厚为 1:8:1）：热胀系数：11.3（10-6/），用作引线框架。 *铜合金 CA505（Sn:13 Cu 余量）：热胀系数：17.8（10-6/），用作引线框架。（四）操作注意事项：粘片操作虽简单，但其工作质量对产品合格率及可靠性都有重要影响，是“细节决定成败”格言的充分体现。具体要求如下：1，粘片前对管座、芯片要处理干净；操作过程中要严格工艺卫生。这是因为芯片和底座表面有油脂、灰尘、水分子粘污，会阻碍粘片胶润湿芯片和底座的表面（如会造成缩胶等），使可粘结面积缩小，降低粘附力。2，粘合剂流平性和涂敷量要适当。胶黏度大，会使润湿面积缩小，使粘附力减小；胶太稀，会粘污支架压点和管座凸缘。涂敷量少，粘结面积就小，胶层也会太薄（有资料介绍，胶厚 0.05-0.1mm，剪切力最高），影响粘结力；涂胶量太多又会造成支架和管座粘污。3，粘片吸头要光滑洁净，吸片和翻转芯片时不能粘污和划伤芯片表面。芯片位置要对准。芯片放下时要轻轻均匀下压，使粘合剂与芯片背面充分均匀接触。加压可提高粘片胶对芯片和底座表面的润湿程度，增加粘结面积，增强粘附力；压力太小，粘结面就小，粘附力也小；压力太大，胶层会太薄。4，固化要充分。由于环氧树脂、丙烯酸脂等是线性树脂，只有通过固化反应转化为立体型交联结构的大分子后，才能成为具有高粘结强度及优良化学性能和物理机械性能的胶层；固化不够，会减弱胶的内聚力和与被粘附物的粘附力，固化太过，会使胶的性质发生变化，也会减弱胶的内聚力和粘附力。每种粘结剂都有自己的固化条件，所以必须严格按要求固化，交联才会充分。对热固化胶，加热速度不要太快，否则会影响胶的浸润，产生内应力；固化后宜缓慢冷却；当粘合剂由几种材料配置时，要搅拌均匀后使用。对光固化胶，如果光源的频率与光固化胶的感光频率相差甚远，或光功率低于光化学反应的激发能量，这时，时间再长，也无法充分固化。5，操作环境湿度要小。因为金属、晶片表面具有亲水性，表面容易形成一层水分子膜，湿度越高，水膜越厚，它会阻碍粘结剂与被粘结表面直接接触，降低对被粘结表面的浸润性，而浸润是产生粘结的首要条件。同时湿度大，粘结剂吸收的水分就多，在加热过程中水分蒸发会使胶层中形成针孔或气泡，导致胶层结构疏松，将为水分渗透到粘接表面和胶层，破坏粘附键、破坏粘结剂分子间内聚力，提供条件。6，粘片胶的选择：由于不同的粘片胶内聚力不同，与不同被粘物的粘附力不同，此外它们的耐温性、耐试剂腐蚀性以及热膨胀系数、固化收缩率等等都不同，因此我们应根据产品要求选择适用的粘片胶（目前，我们采用具有一定抗污能力的厌氧胶作粘片剂，对提高粘结强度就有明显效果）。（五）问题分析：1，掉片：是多种原因造成。由粘结机理可知，粘片强度主要取决于粘合剂本身的内聚力和粘合剂与被粘物之间的粘附力。当粘片胶一经确定，影响粘片强度的主要因素就是：固化和润湿。1）管座和芯片有水汽、灰尘或有机物粘污。造成缩胶或使其不能与粘结面充分浸润接触。2）涂敷粘合剂量少或压力太小，使粘合剂不能与芯片和管座充分均匀接触。另外压力太大，也会将粘结剂挤出，导致胶层过薄。3） 粘合剂内聚力或粘附力差、粘合剂失效或粘合剂耐高温性能差。4） 固化不够或太过。5） 环境湿度太大。2，裂片：裂片归根结底是由应力造成，其产生的原因随具体情况而不同。应力常会集中在芯片强度最低部位（如缺陷损伤、表面划痕），当其积累到超过该处的应力承受能力时，缺陷将会失去稳定而发生扩展并直至裂片。1） 热膨胀系数不匹配对裂片的影响：在固化和温度循环过程中，当粘合剂由粘流态转变为玻璃态（或由高弹态转变为玻璃态）时，会发生体积收缩，材料刚度也随之增加；由于粘片胶与芯片、塑封支架等热膨胀系数相差较大，它的收缩将受到周围材料的约束，并对芯片产生机械应力（剪切应变和拉伸应变），这种应力会随温度的骤减而迅速增大。在热循环所产生应力的反复作用下，将使最初发生的微观损伤，扩展形成宏观裂纹，最终引起芯片开裂。因此建议：a）采用热膨胀系数与芯片和引线框架材料相接近的粘片剂。b）采用低黏度树脂，使其具有高填充性，通过添加大量的二氧化硅之类的无机填充剂粉末，可大幅度降低其热膨胀系数，并达到降低内应力的目的。55 所有文章介绍，在环氧树脂（黏度 7000 mPa.s，热膨胀系数 4510-6/）中加入 45%的晶态 SiO2粉，会使其热膨胀系数降为 1510-6/。另外也可尝试在 UV 胶中加 SiO2，降低它的热膨胀系数。c）当材料具有良好的塑性形变和延展性时，能缓解因热不匹配产生的应力（可在 UV 胶或环氧树脂胶中加入无色硅橡胶进行实验）。有资料介绍，厚胶也会对热不匹配起缓冲作用，防止裂片发生（作用有待实验确定）。d）在所有加温过程中，要尽量作到慢升温、慢降温，减少温度循环次数。另外，为使固化、老化效果一致，烘箱内温度要保持均匀。e）其它：*密封胶与塑封材料、引线框架材料的热膨胀系数也要尽量接近。（密封胶固化时，产生的收缩应力无处释放，会通过管壳、支架施加在芯片上，造成裂片。）*要使引线框架在塑封壳腔内保留一定热涨的空隙。*引线框架金属面要尽量平整。*可考虑采用高玻璃化温度的粘结剂，以减少反复固化收缩应力的影响。附：现用各种材料的热膨胀系数（单位：10-6/）LN 芯片：沿晶胞 a 轴：16.7；沿晶胞 c 轴：2塑封支架：铜合金（或不锈钢）：16-18；环氧塑封料：20-30（优）， 50-60（一般）粘片胶：环氧树脂：40-60；有机硅橡胶：250UV 胶：3781：140（25），180（80-120）；2）封装对裂片的影响：产品经封装后，管壳腔内可视为密闭容器，此时有：P1/T1 =P2/T2（其中 P1、T1为封装时腔内的压强和温度）；当产品升温至 T2时，管壳腔内压强 P2将是 P1的（T2/T1）倍。换言之，当产品在室温（20）常压下包封后，把温度由室温升至 200，芯片将要承受10倍的大气压力。如果包封时及存放环境湿度大，管壳吸附的水分在高温时也将汽化，会使腔内压力进一步增大。实验发现，没包封产品和包封产品在相同条件下加温，后者的裂片率远高于前者。因此建议：a）封装前要对待封产品进行充分的予热处理，让产品吸附的水分及粘片胶溶剂充分挥发。b）提高包封温度。可在高温下包封，室温或低于包封温度下固化（注意避免漏胶现象）。c）降低包封环境湿度。妥善保存塑封产品。（半导体技术 2007/6 文章介绍：塑封容易吸潮，所以对普通元器件，在开封后一般应在8h内用完，否则由于焊接时迅速升温，会使器件内的潮气很快汽化导致芯片损坏）d）产品密封性要好；塑料透气性和内应力要小。3）晶片的压电性和高热释电性对裂片的影响：因 LN、LT 具有高热释电性，当温度变化时，导致晶片自发极化发生变化，使表面感应出大量静电荷；在逆压电效应下，在其伸缩变形方向会产生形变应力。因腔内芯片表面静电释放十分缓慢，随温度升高和保温时间的增加，静电场不断加强，使应力不断增加。因此建议：a） 减少不必要的高温处理和降低处理温度。b） 增长两次高温处理的时间间隔。c） 可进行弱化热释电效应的处理。4） 冲击、震动等对裂片的影响：冲击、震动等外界施加于芯片的机械应力，会引起芯片缺陷（微纹）的扩展，也是导致裂片的重要原因。5） 材料和工艺控制对裂片的影响：虽然热不匹配、热释电、空腔封装及外界冲击等会产生不同的应力，但是如果不出现应力集中，裂片发生的可能性会明显减少。而材料缺陷和工艺缺陷