熱分析法測試芯片粘合劑的固化過程
圖1.? 典型封裝結(jié)構(gòu)圖。芯片通過粘結(jié)劑安裝在金屬引腳框架上，由內(nèi)部的金線進(jìn)行電氣連接。
熱分析方法為電子零件的分析提供了理想的工具，本實(shí)驗(yàn)利用介電法（DEA）和動(dòng)力學(xué)方法對(duì)聚合物粘合劑的固化過程進(jìn)行了分析測試，取得了良好的效果。
通常情況下，最終用戶不需要直接與集成電路（IC）中的微型電子零件打交道。這些微型電子一般用于電腦的主板、電子娛樂設(shè)備、手機(jī)和車載發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元等，性能非常可靠。然而，為了滿足這種可靠性，電子零件往往要經(jīng)過500多步的處理步驟，涵蓋了硅晶片的構(gòu)建、合成與銜接，以及晶片與活性聚合物的重鑄，直至焊接到印刷電路板上。
圖2.? DEA 231/1 Epsilon（數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)0.055S）。
對(duì)于如此多的處理過程，必須最大程度地減少出錯(cuò)幾率以保證生產(chǎn)的成本效率。另外，這些電子零件必須符合各種可靠性標(biāo)準(zhǔn)，例如，手機(jī)中的電子零件必須能承受所謂的“跌落測試”，即集成元件必須能經(jīng)受住手機(jī)跌落時(shí)所產(chǎn)生的壓力。對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備中的某些相關(guān)零件，還必須滿足某些特殊的要求，比如能夠抵抗?jié)穸群蜏囟茸兓瘞淼挠绊憽?/p>
正是由于這些原因，材料的使用及生產(chǎn)過程顯得尤為重要。特別是連接芯片與載體材料的高分子粘合劑，由于被連接的兩部分（硅晶片和基體）的熱機(jī)械性能（熱膨脹系數(shù)、楊氏模量）差別很大，粘合劑就要承受相當(dāng)大的壓力。當(dāng)然，粘合劑的快速處理也是同等重要的，也就是說，保持各自的流變學(xué)性質(zhì)與最適宜的固化行為二者必須同時(shí)保證。由于固化過程消耗時(shí)間較長，會(huì)影響到生產(chǎn)效率，所以，進(jìn)行合理的優(yōu)化是非常有必要的。
圖3.? 粘合劑在一定溫度程序下的固化測試。
理想工具：熱分析
熱分析方法為電子零件的分析提供了理想的工具，特別是利用介電法（DEA）和動(dòng)力學(xué)方法對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。關(guān)于介電法對(duì)固化過程進(jìn)行監(jiān)測，Infinion集團(tuán)使用的是耐馳公司的DEA231/1 Epsilon，其數(shù)據(jù)采集時(shí)間可達(dá)55ms，這對(duì)研究快速固化體系是非常有利的。
以下測試均使用IDEX S065 梳形傳感器測試。通過耐馳熱動(dòng)力學(xué)軟件2，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序進(jìn)行分析，可以預(yù)測其在不同溫度程序下的固化行為。
圖4.? 不同升溫曲線下的兩次測試比較。
23~220℃的固化過程（模擬真實(shí)處理?xiàng)l件）
這里模擬了粘合劑在123s內(nèi)從23℃升至220℃的固化過程，離子粘度曲線表示的是材料的動(dòng)態(tài)粘度變化。升溫段的下降趨勢主要是粘度的減小和電荷載體遷移率的增加。由于材料在初始階段是軟化占優(yōu)勢，所以，信號(hào)的最小值就表示逐漸增加的固化行為在該點(diǎn)可以被檢測到。粘合劑的固化過程反映在離子粘度的增加。從大約90s開始，數(shù)值變?yōu)槌?shù)，表示固化已經(jīng)結(jié)束。離子粘度的變化過程通常解釋為固化過程的開始與結(jié)束。最小值是固化過程的開始，而固化的結(jié)束，也就是完全固化，常用切線法得到。
圖5.? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)模型的匹配。
根據(jù)離子粘度變化的過程，可以得出在升溫過程中是否固化完全的結(jié)論。這對(duì)于低溫，或者快速處理固化是很有意義的。第一種情況可使產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中具有較小的熱應(yīng)力。第二種情況處理時(shí)間短，可以大大提高生產(chǎn)量。
不同升溫曲線下的兩次測試比較
較高斜率的曲線導(dǎo)致固化過程的開始與結(jié)束提前。由此，溫度的影響是顯而易見的。這同時(shí)也是該方法的優(yōu)點(diǎn)：固化過程即時(shí)地顯示與比較。
圖6.? 借助于動(dòng)力學(xué)模型對(duì)離子粘度的計(jì)算（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在假設(shè)恒溫條件下，由擬合獲得）。
不同溫度的恒溫測試和動(dòng)力學(xué)分析
分別在150℃、170℃和200℃溫度條件下恒溫測試，利用熱動(dòng)力學(xué)軟件2進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬與分析，匹配等級(jí)的相關(guān)系數(shù)為0.9998。因此，用一套參數(shù)設(shè)定來表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是具有可行性的。將兩步反應(yīng)作為反應(yīng)模型，第一步為n級(jí)自催化反應(yīng)，第二步為n級(jí)反應(yīng)。（軟件還同時(shí)提供有多種動(dòng)力學(xué)模型可供選擇。）
離子粘度曲線的變化可以清晰地顯示，按照不同的溫度，固化過程發(fā)生在大約12~25s時(shí)間范圍內(nèi)。對(duì)于如此快的反應(yīng)，使用流變的方法進(jìn)行測試是非常困難的。而借助于動(dòng)力學(xué)分析，任何溫度的固化反應(yīng)過程均可以獲得。在該分析中，恒溫條件是經(jīng)過模擬得到，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從動(dòng)力學(xué)軟件2中導(dǎo)出，以ASCII碼的形式保存，可用于更深層次的分析。例如，可以用于確定不同溫度下的固化時(shí)間（見圖7）。
圖7.? 不同溫度下的固化時(shí)間（數(shù)據(jù)來自于模擬曲線）。
與預(yù)期一致，溫度變化對(duì)固化時(shí)間的最大影響在溫度較低時(shí)比較明顯。而溫度較高時(shí)，固化時(shí)間不會(huì)隨意的縮短，這就使得實(shí)施快速、顯著的過程優(yōu)化具有可行性。從長遠(yuǎn)的發(fā)展角度來看，不同粘合劑之間的比較以及材料的選擇會(huì)變得更加容易。
