聲表器件粘片工藝原理

1、聲表器件粘片工藝原理（一）粘結(jié)機(jī)理：粘片的實(shí)現(xiàn)是粘合劑分子和芯片表面分子及底座（或支架）表面分子、以及粘合劑內(nèi)部分子間相互作用的結(jié)果。粘片的強(qiáng)度取決于粘合劑本身的內(nèi)聚力（抗拉斷能力）和粘合劑與被粘物之間的粘附力。粘附力存在于兩種材料接觸面之間，通過(guò)范德華力實(shí)現(xiàn)吸引或吸附，同一種（不同）粘合劑與不同（同一種）材料之間的粘附力不同。當(dāng)我們把芯片加壓放置于涂敷在底座（或支架）的膠面上時(shí)，粘合劑會(huì)潤(rùn)濕芯片和底座表面，并滲入芯片和底座表面空隙；膠分子和芯片及底座分子通過(guò)接觸產(chǎn)生分子引力，使芯片和底座粘合在一起。粘附力一方面取決于表面分子間引力，同時(shí)也取決于潤(rùn)濕的滲透度；粘合劑必須滲入表面粗糙處并完全潤(rùn)濕

2、表面，才能得到最完全的分子間交換；在粘合劑的表面張力已經(jīng)確定的條件下，潤(rùn)濕取決于被粘結(jié)物的表面能及粘合劑的黏度；只有當(dāng)粘合劑的表面能小于被粘物的表面能時(shí)，粘合劑才能較好的潤(rùn)濕固體表面；如果存在污染物，濕潤(rùn)程度將降低，會(huì)影響粘附力。當(dāng)我們進(jìn)行光（熱）固化時(shí)，線狀結(jié)構(gòu)的粘合劑分子會(huì)反應(yīng)聚合為立體網(wǎng)狀大分子，粘合劑的形態(tài)也由黏液狀變?yōu)楣虘B(tài)，極大的增強(qiáng)了粘合劑本身的機(jī)械強(qiáng)度（即內(nèi)聚力）。同時(shí)粘合劑與被粘物之間的結(jié)合也由線狀小分子與被粘物分子間的結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀大分子與被粘物分子間的結(jié)合，使粘附力極大增強(qiáng)。（二） 粘片質(zhì)量要求：粘片是把劃片后的芯片用粘合劑粘附在管座（金屬、陶瓷管座或塑封支架）上，通過(guò)熱固

3、化（或光固化）使芯片和管座牢牢粘合在一起。對(duì)聲表器件不僅要求粘片位置準(zhǔn)確、粘結(jié)牢固、不裂片、不掉片、不粘污晶片表面和支架壓點(diǎn)。同時(shí)還要求粘片膠有良好的高溫性能，固化后其形變不影響壓焊效果，及粘片膠要有良好的吸聲效果。（3） 對(duì)與粘片有關(guān)材料的介紹：1， 粘合劑（適用于粘片和封裝）：對(duì)電子元器件裝配用粘合劑的要求是：在機(jī)械性能方面要有較好的抗拉、抗剪、抗壓、抗彎強(qiáng)度及適宜的硬度；在物理性能方面，要有良好的耐熱、耐濕、耐溶劑、耐高低溫沖擊等性能，并且要有合適的熱膨脹系數(shù)，高的絕緣性；此外，還必須在高溫和低氣壓下，沒(méi)有揮發(fā)物出現(xiàn)；對(duì)聲表器件而言，粘合劑還要有良好的吸聲效果等。按固化分類(lèi)，粘合劑主要分

4、為室溫固化、熱固化、光固化。其中熱固化（室溫固化）粘合劑主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠，光固化粘合劑的主要成分是丙烯酸脂。1） 光固化粘合劑：主要成分是低聚物的丙烯酸脂及改性丙烯酸類(lèi)，再加入配合劑主要有交聯(lián)劑（如丙烯酸）、光敏劑、增塑劑等。經(jīng) UV 固化，使線性樹(shù)脂聚合為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；有較好的耐振動(dòng)和抗沖擊性能，堅(jiān)韌易彎曲，有強(qiáng)的粘結(jié)力，好的吸聲效果。但由于其熱膨脹系數(shù)較大，與芯片及金屬支架會(huì)出現(xiàn)熱不匹配。以3781膠為例，使用中易出現(xiàn)裂片現(xiàn)象，并有實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)溫度>300時(shí)，膠變深黃色，粘結(jié)力和吸聲效果開(kāi)始下降。光固化厭氧粘合劑：光固化粘合劑和厭氧粘合劑的主要成分都是低聚物的丙烯酸脂，再分

5、別加入各種配合劑即分別組成光固化粘合劑和厭氧粘合劑。厭氧配合劑主要有交聯(lián)劑（如丙烯酸）、引發(fā)劑、促進(jìn)劑、穩(wěn)定劑和表面處理劑等，厭氧膠的固化是按游離基聚合反應(yīng)進(jìn)行，微量空氣存在有利于促進(jìn)聚合反應(yīng)，大量空氣存在起阻聚作用。厭氧膠為單組分、無(wú)溶劑，具有固化速度快，耐油、耐酸堿，能與油污面進(jìn)行粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是接觸空氣的膠不固化。光固化厭氧粘合劑是在光固化粘合劑中再加入?yún)捬跖浜蟿┒?，具有固化速度快、粘結(jié)力強(qiáng)、耐油、耐酸堿等優(yōu)點(diǎn)。是目前生產(chǎn)在用的粘合劑。2） 熱固化粘合劑：環(huán)氧樹(shù)脂有優(yōu)異的物理、機(jī)械和電氣性能及良好的吸聲效果。固化過(guò)程無(wú)副產(chǎn)物生成，固化后的收縮率在熱固化樹(shù)脂中為最?。?lt;2%），有

6、較低的吸水率（0.5%）。因環(huán)氧樹(shù)脂性能的優(yōu)劣，在很大程度上與采用的固化劑有關(guān)，所以為獲得良好的粘結(jié)劑性能，常采用低熔點(diǎn)、耐高溫的液體酸酐（如 647#酸酐）作固化劑；所得產(chǎn)物的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度及高溫電氣性能比用其它固化劑優(yōu)越。另外，常在配方中加入活性增韌劑（如聚酰胺樹(shù)脂等），能提高固化產(chǎn)物的韌性、抗沖擊強(qiáng)度，減小固化收縮率及克服溫度循環(huán)時(shí)的開(kāi)裂現(xiàn)象。加入無(wú)機(jī)填料（如晶態(tài)石英粉等），能提高粘結(jié)劑的強(qiáng)度和耐熱性，尤其在改善內(nèi)應(yīng)力，減少開(kāi)裂，降低熱膨脹系數(shù)等方面，作用明顯（填料的加入量要根據(jù)樹(shù)脂黏度、及樹(shù)脂的潤(rùn)濕程度和工藝要求決定，一般情況，輕質(zhì)填料為樹(shù)脂重量的25%以下，重質(zhì)填料可加到200-3

7、00%不等）。此外，為提高粘合劑的粘結(jié)強(qiáng)度還常加入偶合劑（如南大-42#），為改善其工藝性，常加入活性稀釋劑（如 501#稀釋劑）等。3） 硅橡膠粘結(jié)劑：應(yīng)用最多的是單組分室溫固化硅橡膠粘結(jié)劑，它是以端羥基硅橡膠為主體，配以交聯(lián)劑、補(bǔ)強(qiáng)填料、有機(jī)硅偶聯(lián)劑等，在干燥條件下反應(yīng)后，裝入密封軟管保存；使用時(shí)，在室溫遇空氣中潮氣即交聯(lián)固化，固化會(huì)釋放醋酸、醇等低分子化合物，影響器件穩(wěn)定性；因此封裝前，須充分固化；可提高溫度、濕度使固化加速。該粘結(jié)劑具有良好的高低溫性能（-200200）、電氣性能、防潮性能，缺點(diǎn)是吸聲效果稍差，粘結(jié)力和內(nèi)聚力較低，良好的彈性又常會(huì)引起鍵合虛焊（可在其中加入少量環(huán)氧樹(shù)脂予

8、以克服）。2，與粘片質(zhì)量有關(guān)的金屬材料：主要用作底座、引線、管帽（蓋板）、塑封引線框架等。要求：有良好的塑性、延展性，便于沖壓、加工；有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、氣密性、可焊性；與陶瓷、玻璃、塑料的熱膨脹系數(shù)相匹配，且有良好的封接特性；用于塑封引線框架還要求有好的平整性。* 柯伐合金（Fe-Co-Ni）：常用型號(hào)有 4J29、31、33 等，熱脹系數(shù)為 6.2（10-6/）主要用作底座、引線、管帽（蓋板）、焊環(huán)。 *低碳鋼（10#鋼）：熱脹系數(shù)為 11.6（10-6/），主要用作底座、管帽（蓋板）、焊環(huán)等。 *合金 42（Fe-42%Ni）：熱脹系數(shù)為 7（10-6/），用作引線框架。 *復(fù)銅不銹

9、鋼（兩面復(fù)銅，厚為 1:8:1）：熱脹系數(shù)：11.3（10-6/），用作引線框架。 *銅合金 CA505（Sn:13 Cu 余量）：熱脹系數(shù)：17.8（10-6/），用作引線框架。（四）操作注意事項(xiàng)：粘片操作雖簡(jiǎn)單，但其工作質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品合格率及可靠性都有重要影響，是“細(xì)節(jié)決定成敗”格言的充分體現(xiàn)。具體要求如下：1，粘片前對(duì)管座、芯片要處理干凈；操作過(guò)程中要嚴(yán)格工藝衛(wèi)生。這是因?yàn)樾酒偷鬃砻嬗杏椭?、灰塵、水分子粘污，會(huì)阻礙粘片膠潤(rùn)濕芯片和底座的表面（如會(huì)造成縮膠等），使可粘結(jié)面積縮小，降低粘附力。2，粘合劑流平性和涂敷量要適當(dāng)。膠黏度大，會(huì)使?jié)櫇衩娣e縮小，使粘附力減小；膠太稀，會(huì)粘污支架壓點(diǎn)和管

10、座凸緣。涂敷量少，粘結(jié)面積就小，膠層也會(huì)太?。ㄓ匈Y料介紹，膠厚 0.05-0.1mm，剪切力最高），影響粘結(jié)力；涂膠量太多又會(huì)造成支架和管座粘污。3，粘片吸頭要光滑潔凈，吸片和翻轉(zhuǎn)芯片時(shí)不能粘污和劃傷芯片表面。芯片位置要對(duì)準(zhǔn)。芯片放下時(shí)要輕輕均勻下壓，使粘合劑與芯片背面充分均勻接觸。加壓可提高粘片膠對(duì)芯片和底座表面的潤(rùn)濕程度，增加粘結(jié)面積，增強(qiáng)粘附力；壓力太小，粘結(jié)面就小，粘附力也??；壓力太大，膠層會(huì)太薄。4，固化要充分。由于環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸脂等是線性樹(shù)脂，只有通過(guò)固化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為立體型交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子后，才能成為具有高粘結(jié)強(qiáng)度及優(yōu)良化學(xué)性能和物理機(jī)械性能的膠層；固化不夠，會(huì)減弱膠的內(nèi)聚力和與被

11、粘附物的粘附力，固化太過(guò)，會(huì)使膠的性質(zhì)發(fā)生變化，也會(huì)減弱膠的內(nèi)聚力和粘附力。每種粘結(jié)劑都有自己的固化條件，所以必須嚴(yán)格按要求固化，交聯(lián)才會(huì)充分。對(duì)熱固化膠，加熱速度不要太快，否則會(huì)影響膠的浸潤(rùn)，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；固化后宜緩慢冷卻；當(dāng)粘合劑由幾種材料配置時(shí)，要攪拌均勻后使用。對(duì)光固化膠，如果光源的頻率與光固化膠的感光頻率相差甚遠(yuǎn)，或光功率低于光化學(xué)反應(yīng)的激發(fā)能量，這時(shí)，時(shí)間再長(zhǎng)，也無(wú)法充分固化。5，操作環(huán)境濕度要小。因?yàn)榻饘?、晶片表面具有親水性，表面容易形成一層水分子膜，濕度越高，水膜越厚，它會(huì)阻礙粘結(jié)劑與被粘結(jié)表面直接接觸，降低對(duì)被粘結(jié)表面的浸潤(rùn)性，而浸潤(rùn)是產(chǎn)生粘結(jié)的首要條件。同時(shí)濕度大，粘結(jié)劑吸收

12、的水分就多，在加熱過(guò)程中水分蒸發(fā)會(huì)使膠層中形成針孔或氣泡，導(dǎo)致膠層結(jié)構(gòu)疏松，將為水分滲透到粘接表面和膠層，破壞粘附鍵、破壞粘結(jié)劑分子間內(nèi)聚力，提供條件。6，粘片膠的選擇：由于不同的粘片膠內(nèi)聚力不同，與不同被粘物的粘附力不同，此外它們的耐溫性、耐試劑腐蝕性以及熱膨脹系數(shù)、固化收縮率等等都不同，因此我們應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求選擇適用的粘片膠（目前，我們采用具有一定抗污能力的厭氧膠作粘片劑，對(duì)提高粘結(jié)強(qiáng)度就有明顯效果）。（五）問(wèn)題分析：1，掉片：是多種原因造成。由粘結(jié)機(jī)理可知，粘片強(qiáng)度主要取決于粘合劑本身的內(nèi)聚力和粘合劑與被粘物之間的粘附力。當(dāng)粘片膠一經(jīng)確定，影響粘片強(qiáng)度的主要因素就是：固化和潤(rùn)濕。1）管座

13、和芯片有水汽、灰塵或有機(jī)物粘污。造成縮膠或使其不能與粘結(jié)面充分浸潤(rùn)接觸。2）涂敷粘合劑量少或壓力太小，使粘合劑不能與芯片和管座充分均勻接觸。另外壓力太大，也會(huì)將粘結(jié)劑擠出，導(dǎo)致膠層過(guò)薄。3） 粘合劑內(nèi)聚力或粘附力差、粘合劑失效或粘合劑耐高溫性能差。4） 固化不夠或太過(guò)。5） 環(huán)境濕度太大。2，裂片：裂片歸根結(jié)底是由應(yīng)力造成，其產(chǎn)生的原因隨具體情況而不同。應(yīng)力常會(huì)集中在芯片強(qiáng)度最低部位（如缺陷損傷、表面劃痕），當(dāng)其積累到超過(guò)該處的應(yīng)力承受能力時(shí)，缺陷將會(huì)失去穩(wěn)定而發(fā)生擴(kuò)展并直至裂片。1） 熱膨脹系數(shù)不匹配對(duì)裂片的影響：在固化和溫度循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)粘合劑由粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)（或由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)）

14、時(shí)，會(huì)發(fā)生體積收縮，材料剛度也隨之增加；由于粘片膠與芯片、塑封支架等熱膨脹系數(shù)相差較大，它的收縮將受到周?chē)牧系募s束，并對(duì)芯片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（剪切應(yīng)變和拉伸應(yīng)變），這種應(yīng)力會(huì)隨溫度的驟減而迅速增大。在熱循環(huán)所產(chǎn)生應(yīng)力的反復(fù)作用下，將使最初發(fā)生的微觀損傷，擴(kuò)展形成宏觀裂紋，最終引起芯片開(kāi)裂。因此建議：a）采用熱膨脹系數(shù)與芯片和引線框架材料相接近的粘片劑。b）采用低黏度樹(shù)脂，使其具有高填充性，通過(guò)添加大量的二氧化硅之類(lèi)的無(wú)機(jī)填充劑粉末，可大幅度降低其熱膨脹系數(shù)，并達(dá)到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。55 所有文章介紹，在環(huán)氧樹(shù)脂（黏度 7000 mPa.s，熱膨脹系數(shù) 45×10-6/）中加入 45%的

15、晶態(tài) SiO2粉，會(huì)使其熱膨脹系數(shù)降為 15×10-6/。另外也可嘗試在 UV 膠中加 SiO2，降低它的熱膨脹系數(shù)。c）當(dāng)材料具有良好的塑性形變和延展性時(shí)，能緩解因熱不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力（可在 UV 膠或環(huán)氧樹(shù)脂膠中加入無(wú)色硅橡膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。有資料介紹，厚膠也會(huì)對(duì)熱不匹配起緩沖作用，防止裂片發(fā)生（作用有待實(shí)驗(yàn)確定）。d）在所有加溫過(guò)程中，要盡量作到慢升溫、慢降溫，減少溫度循環(huán)次數(shù)。另外，為使固化、老化效果一致，烘箱內(nèi)溫度要保持均勻。e）其它：*密封膠與塑封材料、引線框架材料的熱膨脹系數(shù)也要盡量接近。（密封膠固化時(shí)，產(chǎn)生的收縮應(yīng)力無(wú)處釋放，會(huì)通過(guò)管殼、支架施加在芯片上，造成裂片。）*要使

16、引線框架在塑封殼腔內(nèi)保留一定熱漲的空隙。*引線框架金屬面要盡量平整。*可考慮采用高玻璃化溫度的粘結(jié)劑，以減少反復(fù)固化收縮應(yīng)力的影響。附：現(xiàn)用各種材料的熱膨脹系數(shù)（單位：10-6/）LN 芯片：沿晶胞 a 軸：16.7；沿晶胞 c 軸：2塑封支架：銅合金（或不銹鋼）：16-18；環(huán)氧塑封料：20-30（優(yōu)）， 50-60（一般）粘片膠：環(huán)氧樹(shù)脂：40-60；有機(jī)硅橡膠：250UV 膠：3781：140（25），180（80-120）；2）封裝對(duì)裂片的影響：產(chǎn)品經(jīng)封裝后，管殼腔內(nèi)可視為密閉容器，此時(shí)有：P1/T1 =P2/T2（其中 P1、T1為封裝時(shí)腔內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度）；當(dāng)產(chǎn)品升溫至 T2時(shí)，管殼

17、腔內(nèi)壓強(qiáng) P2將是 P1的（T2/T1）倍。換言之，當(dāng)產(chǎn)品在室溫（20）常壓下包封后，把溫度由室溫升至 200，芯片將要承受10倍的大氣壓力。如果包封時(shí)及存放環(huán)境濕度大，管殼吸附的水分在高溫時(shí)也將汽化，會(huì)使腔內(nèi)壓力進(jìn)一步增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)包封產(chǎn)品和包封產(chǎn)品在相同條件下加溫，后者的裂片率遠(yuǎn)高于前者。因此建議：a）封裝前要對(duì)待封產(chǎn)品進(jìn)行充分的予熱處理，讓產(chǎn)品吸附的水分及粘片膠溶劑充分揮發(fā)。b）提高包封溫度?？稍诟邷叵掳猓覝鼗虻陀诎鉁囟认鹿袒ㄗ⒁獗苊饴┠z現(xiàn)象）。c）降低包封環(huán)境濕度。妥善保存塑封產(chǎn)品。（半導(dǎo)體技術(shù) 2007/6 文章介紹：塑封容易吸潮，所以對(duì)普通元器件，在開(kāi)封后一般應(yīng)在8h內(nèi)

18、用完，否則由于焊接時(shí)迅速升溫，會(huì)使器件內(nèi)的潮氣很快汽化導(dǎo)致芯片損壞）d）產(chǎn)品密封性要好；塑料透氣性和內(nèi)應(yīng)力要小。3）晶片的壓電性和高熱釋電性對(duì)裂片的影響：因 LN、LT 具有高熱釋電性，當(dāng)溫度變化時(shí)，導(dǎo)致晶片自發(fā)極化發(fā)生變化，使表面感應(yīng)出大量靜電荷；在逆壓電效應(yīng)下，在其伸縮變形方向會(huì)產(chǎn)生形變應(yīng)力。因腔內(nèi)芯片表面靜電釋放十分緩慢，隨溫度升高和保溫時(shí)間的增加，靜電場(chǎng)不斷加強(qiáng)，使應(yīng)力不斷增加。因此建議：a） 減少不必要的高溫處理和降低處理溫度。b） 增長(zhǎng)兩次高溫處理的時(shí)間間隔。c） 可進(jìn)行弱化熱釋電效應(yīng)的處理。4） 沖擊、震動(dòng)等對(duì)裂片的影響：沖擊、震動(dòng)等外界施加于芯片的機(jī)械應(yīng)力，會(huì)引起芯片缺陷（微紋）的擴(kuò)展，也是導(dǎo)致裂片的重要原因。5） 材料和工藝控制對(duì)裂片的影響：雖然熱不匹配、熱釋電、空腔封裝及外界沖擊等會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力，但是如果不出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂片發(fā)生的可能性會(huì)明顯減少。而材料缺陷和工藝缺陷則是造