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5G給工業粘合劑帶來的若干技術挑戰
來源: 好樂紫外作者: 好樂紫外時間:2020-06-23 16:55:51點擊:877

近年來隨著5G技術、人工智能(AI)、物聯網(IoT)、智能汽車等一系列高科技技術的蓬勃發展,作為硬件支撐的高速度、高帶寬、低延遲、低功耗、更多功能的處理器和超大容量的內存、高度系統級集成的電子元器件以及各種傳感器則成為突破技術發展的核心。而另一方面,以手機為代表的消費類電子產品的不斷高度集成化、多功能化和輕量化,使得電子產品結構日趨緊湊,功能日趨強大,相應的電路設計更加復雜,能耗管理更加嚴峻,使得散熱與靜電屏蔽成為5G產品不可回避的兩大挑戰。

在應對5G技術帶來的相關技術難題上,整個產業鏈都在各自的環節上進行著積極的探索,從上游先進封裝技術的積極嘗試到產品設計理念的突破,從生產工藝的變革到材料的全面創新。事實上,上游的先進封裝也加速了下游基板制造、封裝組裝和測試工程中的關鍵性技術的突破。在材料方面,新的介電材料、底部填充、貼片膠、導電互連以及散熱、導熱材料等也都在不斷創新,以滿足市場對產品日益嚴苛的性能和可靠性要求。這其中就包括粘合劑材料,就是我們俗稱的工業膠水。

工業膠水在電子行業中的應用越來越廣泛

圖1工業膠水在電子行業中的應用越來越廣泛


在電子產品制造的整個工藝流程中,作為材料部分的工業粘合劑,即工業膠水,一般都是被作為輔材來對待的。往往沒有被引起足夠的重視,但膠水在組裝過程中有時候恰恰起到至關重要的作用,尤其對封裝工藝、生產效率、產品品質、信賴性等的作用都不容忽視。隨著5G技術的快速發展,在電子制造業中與膠水相關的技術也遇到了諸多挑戰。


貼片膠水要求更上層樓

DieAttach膠水,即貼片膠,它的作用就是把芯片牢牢地貼在PCB或者FPCB板上,實現可靠的定位。以便于后續的進一步封裝,比如打金線、包封等。隨著電子產品,尤其是消費類電子產品的不斷集成化、多功能化、大功率化發展,尤其人們對拍照要求的不斷提升,使得成像類芯片在性能上不斷提升,與之對應的在尺寸上越來越大、越來越薄。一方面,芯片性能的提升直接導致其工作中發熱量急劇增加,那么散熱問題就成為一個很重要的議題。此時,具有導熱性能的貼片膠便是業內的期盼;另一方面,急劇擴大的產品尺寸使得傳統的貼片膠已經很難滿足新的要求。

常規的膠水,如果沒有特殊的導熱設計,則其導熱系數一般在0.25-0.3W/m*K之間。這樣的導熱條件是無法滿足大功率芯片的散熱要求的。目前,市場對于貼片膠的期盼是要求具有較高的導熱性能,甚至要求>1W/m*K。一般而言,導熱膠都是在膠水中額外加入導熱的材料,也稱為填料,加入的導熱填料越多,則導熱效果越好。然而,過多的導熱填料會帶來一系列的問題:

-粘度迅速升高,這一點是對膠水性能影響最大的

-膠層厚度(BLT)變厚,直接對封裝尺寸造成影響

-可能出現的Bleeding問題

-施膠(噴膠、點膠)工藝的順暢性,會不會有團聚問題產生

-填充物顆粒的沉降則直接縮短膠水的可用時間

-對點膠設備的磨損,直接影響設備的維護成本和生產效率

Dieattach膠水用以固定芯片

圖2Dieattach膠水用以固定芯片


另外,也必須綜合考慮芯片尺寸變化帶來的其他更高的要求,比如嚴格控制貼裝后整個芯片的翹曲變形問題(Warpageissue),否則直接影響整體成像效果。這樣,膠水的其他物理性能也不得不在設計之初予以考慮,比如固化收縮率、CTE、楊氏模量等。還有工藝方面的固化溫度和時間等,也直接影響到生產效率。這些都是開發新的貼片膠水要面臨的實際問題,這里面的要求在某些方面與導熱的要求又相互矛盾,給開發新的貼片膠帶來了極大的挑戰!

作為德國好樂集團旗下專業的高端工業粘合劑供應商,Panacol公司長期致力于消費電子、醫療、汽車、光電、航空航天等多領域的工業粘合劑的研發、生產與銷售。Panacol公司近期開發出了一款低溫固化的導熱膠型Die Attach膠水ElecolitX-1381570,此膠水巧妙的解決了對超大芯片貼合的各項要求,包括散熱和Warpage的要求,可以在80度下20分鐘內快速固化,并能耐三次回流焊工藝,是一款半導體級別的綠色環保產品。


用于EMI的導電膠的挑戰

隨著5G技術的發展,EMI即靜電屏蔽變得越來越重要了。尤其是電子產品的高度集成化、多功能化、微型化和大功率化,使得原有的傳統的靜電屏蔽的方式方法難以滿足要求,這樣,就必須采用新的方法來代替傳統方式。其中一種方法就是用導電膠進行EMI屏蔽,這一嘗試自從5G技術問世以來就一直很受關注,并且延伸出了不同的應用方向。其中一些與膠水相關的關鍵性的技術難題可以歸納如下:

-工藝可操作性:

比如把膠水涂覆到100-80um的縫隙里面,導電膠的可噴性(jetting)或者用一種合適的方法把膠水填充到縫隙內部,是一個工藝難題。如果采用噴膠方式,那么,膠水的粘度是否適合噴膠,膠水內的銀顆粒的大小是否影響噴膠順暢性?是否對噴閥有磨損?再比如對整個面進行屏蔽,則用Jetting的方式將不再合適,進而要考慮噴霧(spray)的方式,而這一方式則對粘度的要求更加苛刻,膠水必須有足夠低的粘度才能適合噴霧的方式進行施膠。

-確保填充效果:

如果是填縫,則流淌性要好,不能有氣泡,縫隙填要滿,才能確保填充效果;如果是整個區域的屏蔽,則元器件由于有高度,在邊角處會存在施膠死角,這也是必須克服的工藝問題。

-確保屏蔽效果:

在確保工藝完美的基礎上,導電粒子的多少、尺寸等都是十分關鍵的參數,這里的要求有可能與噴膠、噴霧等工藝要求及流淌性的期待又形成矛盾。

-確保性能可靠:

電子產品都要經過嚴苛的信賴性測試,而且業內的要求有越來越嚴的態勢。在各種測試比如冷熱沖擊、溫度循環、高溫高濕中,要求膠水不能有開裂,否則也影響靜電屏蔽效果。

所有以上林林總總的要求疊加在一起,就是對膠水供應商的一次極大挑戰!在設計膠水配方的時候方方面面都要考慮到。甚至同為EMI屏蔽的應用,但要針對不同的結構,考慮不同的施膠工藝,進而設計不同的粘合劑產品,而不是一款產品打天下。

Panacol用于5GEMI屏蔽的導電膠Elecolit342

圖3Panacol用于5GEMI屏蔽的導電膠Elecolit342


另外,在一些與光學相關的應用中,對工業粘合劑還有其他特殊的要求,比如透光率、折光指數、抗黃變性能、與其他膠水的兼容性或者可粘接性。任何一個要求點,單獨拿出來對研發人員來講都是很大的挑戰。更大的挑戰在于膠水研發是一個系統工程,往往是牽一發而動全身,而且有時候受到原材料的限制,存在著巧婦難為無米之炊的尷尬境地,這也是為什么特殊需求的膠水往往在市場上很難被找到的原因,甚至有時成為制約行業發展的絆腳石!

綜上所述,5G技術給膠黏劑行業提出了一些新的要求,在綠色環保的前提下,膠水制造商不但要在膠水的性能上下功夫,解決客戶對粘合劑各種不同的性能要求,甚至有些明顯相互矛盾的要求。同時,在研發初期,也應考慮到施膠工藝,包括工藝的可實現性、穩定性。這應該是一個常態化的任務,貫穿膠水研發的始終。甚至要與產業鏈的不同環節,比如方案提供商、設備供應商,其他材料供應商等共同探討,并在結構調整、材料改性、工藝摸索等方面通力協作,尋找到一個多方都能接受的平衡點,進而推動各項技術的不斷向前發展,這恰恰是各參與企業的挑戰和機遇所在!

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