第十九章 导电胶接触电阻不稳定的研究

1.、简介：
a.导电胶ECA将作为传统锡铅焊料的替代品，与锡铅焊料相比，ECA工艺具有很多优点，如环保、良好的沟槽容量、更优的热机械性能、更少的工艺步骤、没有氯氟化碳溶液和低的工艺温度等，然而，到目前为止，ECA工艺仍不成熟，目前存在若干制约因素，如果导电胶在大多数应用中具有合适的电导率，当导电胶和非贵重金属终端元件持续地经受高温和湿度较高的条件下（尤其是在85℃，85%的相对湿度条件下），几乎所有的接触所对应的接触阻抗都呈增长趋势。
b.接触电阻的升高主要是在接触型黏胶和非贵重金属界面之间形成的氧化物所导致的结果，然而对于氧化物的形成有两种可能的机理：简单氧化和非贵金属电化学腐蚀。其中氧化是指材料（这里是金属）和氧气之间发生了反应，可能发生在干燥环境下，也可能发生在潮湿环境下，但一般温度都比较高。而电偶腐蚀过程一般在以下条件满足时会发生：两种金属具有不同的电化学势，并且相接触；含水的电解液存在；两种金属中的一种，其电化学势要低于化学反应2H2O+4e+O2=4OH所对应的势能，一般为0.4ev；

2、实验：
a.材料概述：壳牌化学的双酚F型环氧树脂；从Aldrich化学公司购买的硬化剂；银片从Degussa公司得到；镍片从Novamet公司得到；从Aldrich化学公司购买了各种金属线，包括Ni、Sn、Cu、Ag、和Pt，直径为0.25mm，纯度为99.99%；从Hisco公司购买了直径为0.25mm的共熔锡铅线；商用ECA是银片填充的环氧黏胶，型号为Ablebond 8175A；
b.体电阻漂移的研究：
■在一个预先清洁的玻璃片上应用黏胶载带将两个引脚的距离定为2.54mm；
■在玻璃片上用手术刀在空隙内铺平导电黏胶；
■移走黏胶载带并处理样品；
■用四探针法使用吉时利多用表测量样品的阻抗；
c.接触电阻漂移的研究：样品的老化条件是或者采取85℃/相对湿度为85%，采取的条件是CEO932W-4型Lunaire环境；或者采取85℃/干燥条件，在老化过程中每一个样品的接触电阻周期性地进行测量，并对所测样品的结果进行报告；
d.氧化物形成的研究：使用TEM观测了在85℃/相对湿度为85%老化条件下ECA和SnPb界面所形成的金属氧化物，根据以下工艺准备了TEM样品：
■准备和处理ECA连接样品；
■在85℃/相对湿度为85%条件下老化1000h；
■将样品内嵌入环氧中，并对环氧进行处理；
■使用超薄切片法将嵌入的样品切成50~80mm厚的样品；
■将样品放在铜栅格上；
研究了ECA和Sn-Pb之间的界面，对氧化层的生长和氧化层的化学成分进行了调查，使用了带有超薄窗口技术能量散射X射线的TEM技术；

3、结果和讨论：
a.接触电阻漂移现象：
■体电阻漂移方面的研究：ECA连接的整个接触电阻包括金属的体电阻R金属、ECA材料的体电阻Reca，ECA和金属之间的界面电阻R界面，其中R金属在老化过程中不会改变，因此，是ECA材料的体电阻和界面阻抗导致了整体接触阻抗漂移，从研究的结果来看银片填充的导电胶在老化过程中具有稳定的体电阻；
■接触电阻方面的研究：老化过程中在非金属上ECA的接触电阻逐渐升高，表示着接触电阻的升高时由于ECA和金属之间界面电阻升高所导致的；
b.接触电阻潜在不稳定性现象的机理研究：
■基体树脂的配料：仅由双酚F型环氧、硬化剂和催化剂组成；
■Ni填充ECA和不同金属间的接触电阻：结果表明接触电阻的改变不是由于非金属氧化物所造成的；
■在不同老化条件下接触电阻的漂移：在85℃/干燥条件下简单氧化没有占据主导作用，而在85℃/相对湿度85%的老化条件下，氧化和电偶腐蚀都能发生，故金属的简单氧化仍不是阻抗漂移的主要机制；
■在不同老化条件下体电阻的漂移：基本结论是：85℃/干燥条件，无论所使用的金属是什么，所有样品表现出相对稳定的接触电阻，甚至使用了非常容易被氧化的金属Ni也是如此；在85℃/85%相对湿度的老化条件下，如果填充金属仅为单一的一种，计算式非常容易被氧化的金属，如Ni，样品仍然表现出稳定的接触阻抗，但是如果同时填充了两种金属，接触电阻将会大幅度上升，这些结果有力地证明了，在高温和潮湿老化条件下，导致界面氧化和接触电阻不稳定现象发生的主要机理是电化学腐蚀（电偶腐蚀），而不是直接金属氧化；
c.金属氧化物形成的观测：用EDX可确认了氧化层的形成，在Sn-Pb区域和氧化层区取了两个EDX谱，通过对比发现，在氧化层区域的谱线中氧气峰值比Sn-Pb区域中的高，从而证实了老化后在ECA和Sn-Pb界面形成了金属氧化物；

4、结论：银片填充的ECA的体电阻不随老化而发生变化，而银片填充的ECA和非贵金属形成的接触电阻在老化过程中增加幅度较大。从以上系统研究可以发现，是电化学腐蚀（电偶腐蚀），而不是非贵金属的简单氧化造成ECA和非贵金属界面处氧化物的形成，从而导致导电胶和表面安装元件非贵金属终端之间接触电阻不稳地。TEM和EDX的结果证实了在ECA和Sn-Pb金属之间界面形成了金属氧化物。