導電膠測試：核心性能指標與評估方法

前言：連接世界的“隱形橋梁”

在現代電子工業的精密舞臺上，導電膠扮演著至關重要的“隱形橋梁”角色。它不同于傳統的焊接工藝，通過膠粘方式實現元器件間的可靠電連接與機械固定，尤其適用于熱敏感元件、微型化封裝以及柔性電路等場景。要確保這座“橋梁”穩固可靠，對其進行全面、科學的測試至關重要。本文將系統性地探討導電膠的核心性能測試方法與評估標準。

一、導電膠材料特性概述

導電膠是一種功能性高分子復合材料，主要由以下成分構成：

1. 聚合物基體： 通常為環氧樹脂、硅橡膠、聚氨酯或丙烯酸酯等，提供粘接性、機械強度和環境防護。
2. 導電填料： 賦予導電性的關鍵，常用銀粉（Ag）、銅粉（Cu）、鎳粉（Ni）、碳納米管（CNTs）、石墨烯等。銀粉因優異的導電性和抗氧化性成為最主流的選擇。
3. 添加劑： 如固化劑、促進劑、偶聯劑、稀釋劑、穩定劑等，用于調節固化過程、改善工藝性、增強界面結合或穩定性。

其導電機制主要為導電粒子相互接觸形成導電通路（滲流理論）。性能不僅取決于填料本身，更與填料的形貌、尺寸分布、填充量、在基體中的分散均勻性以及基體-填料界面狀態密切相關。

二、核心性能測試指標與方法

對導電膠的性能評估需從電學性能、機械性能、工藝性能及長期可靠性等多個維度進行。

• 1. 電學性能測試

  • 體積電阻率： 衡量材料本體導電能力的核心指標。常用四探針法測量，避免接觸電阻干擾。測試固化后膠層的電阻值和幾何尺寸（厚度、截面積），計算得出。高性能導電膠的體積電阻率通常在 10^{-4}到 10^{-3} Ω·cm 范圍。
  • 接觸電阻/界面電阻： 評估導電膠與被連接件（如芯片焊盤、PCB焊盤）之間的電連接質量。常用開爾文四線法測量特定連接結構的電阻值。低且穩定的接觸電阻是關鍵。
  • 電導率隨時間/溫度變化： 考察電性能穩定性。在高溫（如85°C, 125°C）或溫度循環條件下長時間測試電阻變化率。

• 2. 機械性能測試

  • 粘接強度： 衡量膠層與被粘物界面結合力及膠層內聚強度的核心指標。常用測試方法：
    • 拉伸剪切強度： 最常用標準（如ASTM D1002），將兩片搭接的金屬試片拉伸至破壞，計算單位面積的破壞力。
    • 剝離強度： （如90°或180°剝離， ASTM D903, D6862）評估膠層抵抗分層的能力，對柔性應用尤其重要。
    • 芯片剪切/拉伸強度： （如JEDEC JESD22-B109, B117）直接模擬SMT元器件在PCB上的粘接強度。
  • 硬度： （如邵氏硬度）反映固化后膠層的軟硬程度，影響應力緩沖能力。
  • 模量： 表征材料抵抗彈性變形的能力，影響連接點的應力分布。

• 3. 工藝性能測試

  • 粘度與流變性： 影響點膠、印刷（鋼網/絲?。?、噴涂等工藝的難易程度和成型質量。常用旋轉粘度計或錐板粘度計測量。
  • 觸變性： 材料在剪切力作用下粘度降低，停止后恢復的特性。良好的觸變性利于點膠/印刷時流暢出膠且成型后不易坍塌。
  • 儲存期： 未固化膠體在規定儲存條件下保持可用性的時間。
  • 適用期： 混合后的雙組分膠或暴露在環境中的單組分膠保持可操作性的時間。
  • 固化特性： 包括固化時間（表干、實干）和固化溫度曲線（DSC測量）。影響生產效率和能耗。
  • 塌落/潤濕性： 評估點膠/印刷后膠點/膠線的形狀保持能力和對被粘表面的鋪展覆蓋能力。

• 4. 熱性能與可靠性測試

  • 玻璃化轉變溫度： 膠層從玻璃態轉變為橡膠態的溫度點。影響高溫下的機械性能和尺寸穩定性（通常用DMA或DSC測量）。
  • 熱膨脹系數： 膠層受熱時的膨脹程度。需要盡量與被連接材料匹配以減少熱應力。
  • 熱導率： 對于一些兼具導熱需求的導電膠（導電導熱膠），熱導率也是重要指標（常用激光閃射法測量）。
  • 長期可靠性測試：
    • 高溫高濕老化： （如85°C/85%RH, JESD22-A101）評估濕熱環境對電、機械性能和界面結合的影響，加速絕緣劣化和電化學遷移風險。
    • 溫度循環： （如-55°C to 125°C, JESD22-A104）評估膠層及連接界面抵抗反復熱應力沖擊的能力，檢查分層、開裂、電阻漂移。
    • 高溫存儲： （如150°C）評估高溫長期暴露下的性能退化。
    • 電流負載測試： 評估在持續通電條件下的溫升、電阻變化及可能的電遷移現象。
    • 耐化學性： 評估抵抗清洗劑、助焊劑殘留、汗液等化學物質侵蝕的能力。

三、常見失效模式及測試關注點

導電膠連接可能出現的失效模式，決定了測試的重點方向：

1. 電阻顯著增大或開路：
   • 原因： 導電網絡破壞（填料沉降/聚集、固化收縮應力拉斷通路）、界面分層、電化學遷移、填料氧化（如銅粉）、熱降解。
   • 測試關注： 初始體積/接觸電阻、高溫高濕老化測試、溫度循環測試、電流負載測試、微觀形貌觀察（SEM）。
2. 粘接失效（界面或內聚破壞）：
   • 原因： 界面污染或潤濕不良、固化不充分、環境老化（濕熱）、應力過大、CTE失配、機械沖擊。
   • 測試關注： 初始粘接強度測試（拉伸剪切、剝離）、高溫高濕老化后強度測試、溫度循環后強度測試、界面分析（如紅外光譜、掃描電鏡EDS）。
3. 分層/開裂：
   • 原因： 固化應力、熱應力（CTE失配）、機械應力、環境老化導致界面弱化或膠層脆化、固化不良或氣泡殘留。
   • 測試關注： 溫度循環測試（結合C-SAM聲學掃描顯微鏡檢查分層）、高溫存儲測試、彎曲測試（柔性應用）、模量/玻璃化轉變溫度。
4. 電遷移：
   • 原因： 在高濕度和電場作用下，金屬離子（主要是銀離子）沿濕氣路徑遷移，導致短路或漏電失效。
   • 測試關注： 高溫高濕偏壓測試（THB）、絕緣電阻測試、材料成分設計（填料包覆、添加劑抑制遷移）。

四、測試標準與規范

為確保測試的一致性和可比性，行業廣泛采用一系列國際和國家標準：

• 電學性能： ASTM B193 (電導率), IPC-TM-650 2.5.5.1 (表面電阻)， JESD22-A102 (電遷移評估)。
• 機械性能： ASTM D1002 (拉伸剪切), ASTM D903 / D6862 (剝離), JESD22-B109 / B117 (芯片剪切/拉伸)， ISO 868 (邵氏硬度)。
• 工藝性能： ASTM D2556 (粘度), ASTM D1337 (觸變指數)， IPC-TM-650 2.4.45 (塌落)。
• 可靠性： JESD22-A101 (高溫高濕), JESD22-A104 (溫度循環), JESD22-A103 (高溫存儲), IPC-9701/JESD22-B111 (機械沖擊/跌落測試)。

：科學測試保障連接可靠

導電膠作為精密電子互連的關鍵材料，其性能優劣直接影響產品的功能、壽命和可靠性。通過系統性地開展涵蓋電學性能、機械強度、工藝特性和長期可靠性的全面測試，并結合關鍵失效模式分析，能夠深入理解材料的特性邊界，篩選出滿足特定應用需求的優質導電膠產品，并有效預測其在服役條件下的表現。嚴格的標準化測試不僅是質量控制的核心手段，更是推動導電膠技術進步和拓展其應用領域的重要基石。在電子設備持續向微型化、柔性化、高密度和高可靠性發展的趨勢下，對導電膠測試的科學性和嚴謹性提出了更高的要求。