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使用硅烷偶聯(lián)劑設(shè)計(jì)電穩(wěn)定界面

導(dǎo)電粘合劑（ECA）作為焊接、釬焊或焊接方法產(chǎn)生的電氣互連的替代品，已在微電子領(lǐng)域得到應(yīng)用。在使用 ECA 粘合的應(yīng)用中，可以列舉出電路板上的芯片連接和元件的表面貼裝技術(shù)[1, 2]。最近，其他應(yīng)用還包括為高頻無線電路應(yīng)用制造厚金屬襯底電路[3]。與任何連接方法一樣，與產(chǎn)品性能有關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵問題是產(chǎn)品的可靠性。就 ECA 而言，必須同時(shí)保持機(jī)械性能和電氣性能。

金屬氧化物、氫氧化物和其他腐蝕產(chǎn)物在導(dǎo)電粘合劑和金屬粘合表面（粘合劑）之間的界面上形成，會損害粘合的電氣和機(jī)械穩(wěn)定性，從而影響結(jié)構(gòu)的性能和可靠性。鋁表面有一層薄薄的氧化鋁保護(hù)層，在室溫和中等相對濕度條件下可使金屬鈍化。

雖然鋁的原生氧化物是一種不良導(dǎo)體，但其厚度足以使導(dǎo)電互連具有相當(dāng)?shù)偷慕佑|電阻，并能防止電氣互連進(jìn)一步退化。然而，鋁容易受到濕度和溫度、活性離子種類、電偶效應(yīng)和其他環(huán)境因素的影響而發(fā)生氧化和水解過程。暴露在較高的溫度和濕度下，氧化鋁會轉(zhuǎn)化為氫氧化鋁（AlOOH），如果轉(zhuǎn)化完成，最后會轉(zhuǎn)化為氫氧化鋁（Al(OH)3）。伴隨著表面成分的這些變化，氧化鋁薄層的原始形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?“玉米片 ”型結(jié)構(gòu)，氫氧化鋁則最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍫罱Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致分層結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度降低，且不鈍化（即無法保護(hù)底層鋁/氧化鋁表面免受腐蝕），最終影響粘合劑/鋁界面的粘合強(qiáng)度[4, 5]。導(dǎo)電膠與鋁表面之間的界面也有類似的影響[3]。

通常采用噴砂、化學(xué)蝕刻或陽極氧化等方法使表面粗糙化，形成特定的形態(tài)，以增強(qiáng)鋁/聚合物系統(tǒng)的機(jī)械粘合力，并在潮濕或腐蝕性環(huán)境中提供結(jié)構(gòu)耐久性。Venables [6] 綜述了用于鋁合金粘接的具有微粗糙度的可再現(xiàn)形態(tài)的各種已知技術(shù)。例如，1950 年開發(fā)的森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室 (FPL) 工藝一直被飛機(jī)工業(yè)用于鋁表面粘接的制備。這種處理方法會產(chǎn)生指狀氧化鋁突起，從而增強(qiáng)粘合劑與基材之間的機(jī)械互鎖性[8]。雖然這些指狀突起的高度可達(dá) 400 A?（鋁表面法線），但突起之間的氧化鋁厚度要薄得多，約為 50 A? [8]。研究發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)可以有效提高鋁在潮濕環(huán)境中的粘接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7-10]，尤其是與有機(jī)緩蝕劑配合使用時(shí)[10]。經(jīng)過 FPL 處理的鋁氧化層相對較薄，因此其抗水化能力不如其他鋁氧化處理方法。然而，當(dāng)粘合劑必須導(dǎo)電時(shí)，通過產(chǎn)生厚氧化層來改善粘合力的處理方法（如磷酸[11]、鉻酸[12]或硫酸陽極氧化[10]）并不能改善金屬/聚合物界面的粘合性能，硅烷偶聯(lián)劑已被普遍使用。這些材料通常包含一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)端，其中一個(gè)含有有機(jī)硅基團(tuán)，可通過水解反應(yīng)附著在表面上。分子的另一端可能含有非活性基團(tuán)或活性基團(tuán)，可用于與預(yù)聚物或改性聚合物薄膜進(jìn)一步反應(yīng)。例如，化學(xué)蝕刻 304 不銹鋼可與γ-氨基丙基三甲氧基硅烷反應(yīng)。反應(yīng)基團(tuán)（偶聯(lián)劑的胺端）可與聚酰胺酸（一種聚酰亞胺聚合物的前體）反應(yīng)，生成機(jī)械強(qiáng)度更高的聚酰亞胺/不銹鋼界面 [13]。其他方法則是在使用硅烷偶聯(lián)劑之前先形成一層厚厚的金屬氧化物層，以提高有機(jī)薄膜的附著力 [14，15]。硅烷偶聯(lián)劑還能降低鋁表面的水合速率，提高與有機(jī)薄膜的附著力 [7，11]。在某些情況下，硅烷偶聯(lián)劑還被證明能產(chǎn)生腐蝕作用。

通過在形成的界面上或界面附近提供抗腐蝕性離子（如氯化物）的電化學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)金屬/聚合物界面的抗腐蝕性[10, 11]。

最近，導(dǎo)電粘合劑（ECAs）的開發(fā)取得了重大進(jìn)展，這主要是由于人們努力取代含鉛焊料、減少元件組裝過程中的熱應(yīng)力以及簡化表面貼裝和倒裝芯片應(yīng)用的加工過程。通常情況下，ECA 在有機(jī)基質(zhì)中大量添加金屬顆粒填料，例如平均填料濃度約為 70% 至 80%（按重量計(jì)）。

事實(shí)證明，導(dǎo)電粘合劑與某些金屬表面之間大面積界面的機(jī)械和電氣穩(wěn)定性非常難以控制[3]，例如用于微波電路基板與厚金屬背板之間的電氣互連的界面。對于涉及 ECA 的應(yīng)用，上述旨在改善附著力和/或耐腐蝕性的處理方法并不一定足以在設(shè)備的現(xiàn)場壽命期間保持金屬/ECA/金屬接頭的良好電氣性能。有關(guān)使用 ECA 促進(jìn)鋁導(dǎo)電接合電氣穩(wěn)定性的處理方法的報(bào)道很少[3]。Jimarez 等人[18] 發(fā)現(xiàn)，使用噴氣技術(shù)對鋁表面進(jìn)行微粗化處理，即在表面高壓噴射研磨顆粒漿料，可提高鋁在高溫高濕條件下的電氣性能穩(wěn)定性。

本文討論了另一種可靠的方法，即使用硅烷偶聯(lián)劑促進(jìn)兩個(gè)鋁表面之間的穩(wěn)定性（歐姆接觸），這兩個(gè)鋁表面使用導(dǎo)電粘合劑粘接，并暴露在加速應(yīng)力測試中，特別是在高溫高濕條件下。