界面导热粘接材料粘接工艺研究

电子工艺技术

Electronics Process Technology

201958

年1月第40卷第1期

【编者按】SMT无疑是电子组装技术的核心，然而，波峰焊、返修、清洗、敷形涂覆和胶材应用等也是电子组装技术不可或缺的重要工艺技术，普遍应用于军用及航空电子产品、通讯产品、汽车电子以及医疗电子等高可靠性产品的研发与生产。这些工艺技术在一般的工厂往往不被重视，因而也很少有比较深入的研究。鉴于此，本年度将重点介绍波峰焊、返修、清洗、敷形涂覆和胶材应用等工艺技术的常见问题及解决方案。

电子组装疑难工艺问题解析

doi: 10.14176/j.issn.1001-3474.2019.01.017

作者简介：黄祥彬（1975－ ），男，毕业于四川大学，主要从事电子装联工艺材料的应用研究工作。

摘　要：在电子装联过程中，高功率器件需要粘接散热器进行散热。通过设计一系列的粘接工艺实验，对粘接散热器工艺的影响因素进行分析。实验结果表明：粘接剂本身的内聚强度、散热器/芯片的表面处理和润湿性能以及工艺操作规范性是影响散热器粘接可靠性的三个主要因素。

关键词：界面导热粘接材料；高功率器件；粘接；散热器；电子组装

中图分类号：TN605　文献标识码：Ａ　文章编号：1001-3474（2019）01-0058-05

Abstract: The high power devices need to be bonded to radiator for heat dissipation in the process of electronic assembly. The factors influencing the bonding performance of radiator were analyzed based on designing a series of bonding process experiments. The experimental results show that the three main factors affecting the reliability of the radiator bonding are cohesive strength of the adhesives, surface treatment and wettability of the radiator/die, and standardization of operation.

Key Words: thermal conductive adhesive; high power device; bonding performance; radiator; electronic assembly Document Code: A Article ID: 1001-3474 (2019) 01-0058-05

界面导热粘接材料粘接工艺研究

Bonding Technology of Thermal Conductive Adhesive at Interface

黄祥彬，王玉，钟章

HUANG Xiangbin, WANG Yu, ZHONG Zhang

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518052）

( Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation, Shenzhen 518052, China )

在电子组件（PCBA）中，部分高功率器件需要通过散热器进行散热[1]。散热器的安装方式主要有两类：机械紧固和胶黏剂粘结。由于粘接组件内的应力传递与传统的机械紧固(如：铆接、焊接、过盈连接和螺栓连接)相比，应力分布更均匀，而且粘接的组件结构更加紧凑、强度更高和成本更低，因而获

得广泛应用，如图1所示。芯片与散热器之间使用界面导热粘接材料作为传热和粘接的介质，业界常用的导热粘接材料是Loctite384/7387，前者为导热胶，后者为固化促进剂，两者配合使用，起散热和粘接作用。但是，采用胶黏剂进行粘结也存在一个问题，就是如果粘结工艺或设计不当，在应用中有可

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能发生散热器脱落的问题。

与粘接剂、被粘接物的成分以及伴随着润湿、固化过程所发生的物理化学现象有关。如果从宏观上分析，可以简单地把界面层直接看成是粘接剂相和被粘接材料相的结合面。这样，界面上的作用力就直接决定了两相层间的粘接强度。

目前一般认为界面上的作用力有三类：1）静力，如“投锚”作用所形成的机械嵌合力以及摩擦力等。理论上，静力可以达到数个MPa的强度；2）界面分子间的作用力，即粘接剂与被粘接物相互接近至0.3～0.5 nm时，由伦敦色散、偶极与氢键等作用而产生的力，分子间力可以达到100～1 000 MPa

的结合强度；3）化学键力，即当粘接剂分子与被粘接物分子相互接近至0.1～0.3 nm时，由于发生化学反应而形成化学键，其结合强度理论上可以达到1 000～10 000 MPa。因此，牢固粘接的前提是被粘物表面能被液态粘接剂充分地润湿。这样，如果得到了理想的粘接，界面的粘附强度将是十分可观的。

然而，以下几个因素决定了实际的粘附强度达不到理想值：

1）以上三种力在一个粘接体系内可能同时存在，但是所起的作用随情况而变。一般认为，分子间力是产生粘附力的最普遍的原因，是粘接力的最主要来源，它对界面粘附强度的贡献比较大。在各

种产生粘接力的因素中，只有分子间作用力普遍存在于所有粘接体系中，其他作用仅在特殊情况下成为粘接力的来源。要使界面粘附强度具备抗介质的

腐蚀能力，还必须引入必要的化学键。

2）粘接过程分子间接触不良造成粘接界面上留有微孔缺陷等，减少了粘接界面的面积并引起应力集中，促使界面早期破坏。

3）固化时，由于界面存在的残余热应力和粘接剂的收缩应力也使得界面强度有所损失。

因此，为了得到良好的粘附强度，就需要从粘

接剂配方设计（引入必要的化学键、改善粘接剂固化时的收缩应力和热应力等）到粘接工艺的实现上（保证良好的润湿，以形成洁净的两相亲密结合的界面等）进行有效控制。

3 粘接破坏机理

粘接体系的破坏类型包括被粘接物破坏、界面层（主要是胶层）的内聚破坏、界面破坏和混合破坏等类型。3.1 粘接体系

从评价粘接体系的角度考虑，被粘接物如果发生破坏就说明粘接本身具有足够高的强度，因此一般都力争出现这种情况。内聚破坏和界面破坏则应

图1 粘接方式安装的散热器

1 粘接工艺

采用胶粘结安装散热器，通常的操作步骤如图2所示。

导热胶解冻 清洁工装 手涂促进剂 手工刷胶

静置30 min以上 手贴研磨 检查胶厚

图2 散热器粘贴工艺流程

2 粘接机理

粘接作用发生在粘接剂相和被粘接相相互接触的界面层上，其实质是材料表面的重新结合，这一点与焊接相类似[2]。粘接剂固化后，粘接结构（一般称为粘接接头）按材料组成的分布梯度可以划分为五层，如图3所示。

图3 粘接结构示意图

被粘物体胶黏剂粘接界面层

被粘物体

粘接过程是一个复杂的物理、化学过程。粘接力的产生，不仅取决于胶黏剂和被粘物表面的结构与状态，而且和粘接过程的工艺条件密切相关。

粘接界面层是形成粘接体系的主要结构，与粘接强度直接相关。界面层的形成与液态粘接剂对被粘材料的润湿有关。通过润湿，液态粘接剂与固体表面亲密结合并形成“纯净”的液-固两相界面。随着粘接剂的固化，两相界面也就发生了具有一定强度的结合。关于界面层的厚度、组织或化学结构，

黄祥彬，等：界面导热粘接材料粘接工艺研究