各向異性導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝技術(shù)研究

巫建華，李 佳，王 巖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥 230022）

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品在向高可靠、高頻、高速以及低成本方向發(fā)展的同時(shí)，也要求其體積短、小、輕、薄，這就對(duì)電子產(chǎn)品組裝技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求。倒裝連接技術(shù)作為一種新型的芯片互聯(lián)技術(shù)，同傳統(tǒng)的引線鍵合相比，由于互聯(lián)路徑短，導(dǎo)致互聯(lián)產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻與互連電感都非常小，特別適合高頻、高速的電子產(chǎn)品應(yīng)用。芯片焊區(qū)可面陣布局，更適于高輸入/輸出端子數(shù)的超大規(guī)模集成電路芯片使用；另外組裝與互聯(lián)同時(shí)完成，大大簡(jiǎn)化了工藝，這一系列優(yōu)點(diǎn)促使倒裝芯片技術(shù)在高密度組裝技術(shù)中倍受關(guān)注。各向異性導(dǎo)電膠作為一種新興的綠色、環(huán)保微電子封裝互聯(lián)材料，主要被應(yīng)用在液晶顯示屏（LCD）、發(fā)光二極管（LED）、有機(jī)發(fā)光屏（OLED）等領(lǐng)域，而運(yùn)用各向異性導(dǎo)電膠進(jìn)行倒裝粘接技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)尚在初始階段，相信通過這一技術(shù)的研究必將推動(dòng)高密度組裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

實(shí)驗(yàn)基板尺寸為23mm×20mm×1mm ，粘結(jié)芯片尺寸為4mm×4mm。

實(shí)驗(yàn)的基板為Al2O3陶瓷基片，芯片材料為Si，二者膜層為NiCr/Cu/Ni/Au，其中濺射NiCr/Cu/Ni/Au層總厚度為0.8 μ m，而電鍍的最上層金膜厚度約1μm～2μm，采用各向異性導(dǎo)電膠為Univell公司的5363，主要成分是環(huán)氧樹脂、丙烯酸類樹脂以及導(dǎo)電的Ag粒子，粘結(jié)時(shí)把制作在芯片上的凸點(diǎn)通過導(dǎo)電粒子與基板上的電極連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電路的電性能和機(jī)械性能。圖1為ACA的整個(gè)粘結(jié)工藝過程。

2.2 性能測(cè)試

使用掃描電鏡QUANTA-200觀察樣品形貌；采用Dage4000P鍵合拉力計(jì)測(cè)定樣品的剪切強(qiáng)度；用34401A數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)定樣品的接觸電阻；用WE-101電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行150℃高溫儲(chǔ)存， DV-ST溫度循環(huán)箱進(jìn)行-65℃～150℃溫度循環(huán)，其中高低溫保溫時(shí)間不得低于10min，負(fù)載應(yīng)在15min內(nèi)達(dá)到規(guī)定的溫度，從熱到冷或從冷到熱的總轉(zhuǎn)換時(shí)間不得超過1min。

3 影響ACA粘結(jié)可靠性的主要因素

3.1 凸點(diǎn)的工藝制造技術(shù)

目前常用的倒裝凸點(diǎn)材料一般有兩種：Pb/Sn和Au。Pb/Sn焊料凸點(diǎn)采用轉(zhuǎn)移法制作，即用再流焊接方法把焊料凸點(diǎn)和芯片連接在一起，這種方法對(duì)Pb/Sn焊料凸點(diǎn)的高度一致性要求不是很嚴(yán)格，因?yàn)樵诤附訒r(shí)焊料凸點(diǎn)的塌陷程度是可以控制的，當(dāng)凸點(diǎn)的高度不一致時(shí)，我們可以采取在基板上的金屬焊區(qū)涂敷焊料的方法來(lái)彌補(bǔ)凸點(diǎn)的高度不一致，但這種方法要求芯片和基板焊盤必須是可焊的，而我們工藝生產(chǎn)上用的芯片一般為Al焊盤，Al金屬是不可以再流焊的?？紤]到實(shí)用化要求，我們決定采用Au凸點(diǎn)。在用ACA粘結(jié)時(shí)對(duì)凸點(diǎn)的高度一致性要求比較高，如果凸點(diǎn)的高度不一致，在倒裝粘結(jié)時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)一邊導(dǎo)電粒子被壓碎而另一邊導(dǎo)電粒子還沒有與芯片凸點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，導(dǎo)致部分凸點(diǎn)與基板沒有焊上。即使凸點(diǎn)與基板焊盤焊上，如果凸點(diǎn)的高度不一致，也會(huì)影響到導(dǎo)電粒子與其接觸的面積，接觸面積不同就會(huì)影響到其接觸電阻的大小。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)水平，在凸點(diǎn)制作技術(shù)上采用直接打球法來(lái)制作Au凸點(diǎn)，即用金絲球焊技術(shù)來(lái)制作凸點(diǎn)，金絲球焊技術(shù)是一種以常規(guī)絲焊鍵合工藝為基礎(chǔ)的靈活而成本低廉的凸點(diǎn)制作技術(shù)。它能用常規(guī)的金絲球焊設(shè)備，僅對(duì)設(shè)定的工藝參數(shù)作一些調(diào)整即可，無(wú)需使用昂貴的光學(xué)加工和鍍附設(shè)備。球焊的靈活性使之適應(yīng)于在整個(gè)成品集成電路或單個(gè)集成電路芯片上應(yīng)用。不管芯片I/O電極材料是鋁、鋁合金或金，它都不需要基底金屬膜處理便可直接鍵合完成，圖2為運(yùn)用金絲球焊機(jī)制作Au凸點(diǎn)的整個(gè)過程。

3.2 ACA 導(dǎo)電粒子含量

3.2.1 各向異性導(dǎo)電膠導(dǎo)電機(jī)理

導(dǎo)電膠分為各向同性導(dǎo)電膠（ICA，Isotropic conductive adhesive）和各向異性導(dǎo)電膠（ACA）。ACA由高分子聚合物和均勻分散在其中的導(dǎo)電顆粒組成。按形態(tài)劃分，ACA有膠狀和薄膜狀兩種，通常將薄膜狀的ACA稱為各向異性導(dǎo)電膜，即ACF。各向異性導(dǎo)電膠是在Z軸方向上導(dǎo)電，而在X、Y軸上不導(dǎo)電，它是在導(dǎo)電粒子外層再涂一層絕緣層，粒子之間是不導(dǎo)電的，只有當(dāng)粒子在芯片凸點(diǎn)和基板焊區(qū)之間受壓時(shí)，外層絕緣層被壓碎才能保證Z軸方向?qū)щ?。?dǎo)電粒子可以是Ag 粒子，也可以是Ni粒子、焊料粒子，還可以是球狀聚酯外鍍金屬層等，圖3為兩種不同的各向異性導(dǎo)電膠導(dǎo)電粒子結(jié)構(gòu)，它的微觀形貌如圖4所示。

3.2.2 ACA 導(dǎo)電粒子含量對(duì)導(dǎo)電膠性能的影響

考核導(dǎo)電膠性能的重要指標(biāo)是剪切強(qiáng)度以及接觸電阻的大小。一般來(lái)說(shuō)，隨著導(dǎo)電粒子的增加，器件的接觸電阻逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定，因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)電粒子增加后，在凸點(diǎn)與基板焊盤之間出現(xiàn)了更多的導(dǎo)電路徑，所以剛開始隨著導(dǎo)電粒子的增加接觸電阻會(huì)減?。坏牵绻^續(xù)增加導(dǎo)電粒子的含量，則接觸電阻將會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，因?yàn)樵谡辰Y(jié)壓力一定的情況下，粒子數(shù)量越多，粒子的變形就越小，從而使粒子與凸點(diǎn)和基板焊盤接觸面積變小。所以ACA 導(dǎo)電粒子含量直接影響粘結(jié)的可靠性，導(dǎo)電粒子含量要趨于合理的范圍，含量太高則會(huì)影響剪切強(qiáng)度的大小，含量太小則會(huì)影響接觸電阻的大小。而且，ACA中導(dǎo)電粒子的高低還會(huì)直接影響導(dǎo)電膠的性能，隨著粒子數(shù)的增加，ACA的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度增大，從而影響導(dǎo)電膠的粘結(jié)溫度，對(duì)于熱敏感的元器件，粘結(jié)溫度太高則會(huì)損壞粘結(jié)的器件。

3.3 粘結(jié)溫度和固化時(shí)間

適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)溫度和固化時(shí)間對(duì)于形成良好的機(jī)械以及電性能至關(guān)重要。粘結(jié)溫度太低，聚合物的固化程度不足，交聯(lián)反應(yīng)不充分，嚴(yán)重影響剪切強(qiáng)度。而且在粘結(jié)過程結(jié)束后，一旦粘結(jié)壓力撤走，受到拉伸力的影響，受壓變形的導(dǎo)電粒子出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電粒子接觸面積減小，從而影響接觸電阻的大小。當(dāng)粘結(jié)溫度太高、固化速度過快時(shí)，使得聚合物不能充分流動(dòng)，導(dǎo)電顆粒沒有足夠的時(shí)間分布于凸點(diǎn)和焊盤之間而無(wú)法形成良好的電連接，使得導(dǎo)電粒子沒有足夠時(shí)間獲得最佳變形范圍，而且會(huì)增加聚合物中的氣泡與裂紋等缺陷，另外還會(huì)增加凸點(diǎn)與金屬焊盤間的應(yīng)力，導(dǎo)致在溫循和高溫貯存實(shí)驗(yàn)后，界面處抗沖擊性能較差，進(jìn)而在金屬界面產(chǎn)生裂紋，這樣不僅嚴(yán)重影響粘結(jié)的機(jī)械穩(wěn)定性，而且還會(huì)影響粘結(jié)的電性能。可見，粘結(jié)溫度和固化時(shí)間要趨于一定的范圍，太高或太低均會(huì)導(dǎo)致接觸電阻改變及剪切強(qiáng)度的降低。

3.4 粘結(jié)壓力

粘結(jié)壓力的大小是影響粘結(jié)可靠性的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，開始隨著粘結(jié)壓力的增加，接觸電阻會(huì)迅速下降，這是因?yàn)閴毫υ龃罂梢詫?dǎo)致導(dǎo)電顆粒與凸點(diǎn)或者金屬焊盤接觸面積的增加。但當(dāng)粘結(jié)壓力增加到一定合理的范圍內(nèi)，接觸電阻的數(shù)值漸漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)粘結(jié)壓力超過一定的數(shù)值時(shí)，隨著粘結(jié)壓力的增加，接觸電阻反而開始增加。這是因?yàn)檎辰Y(jié)壓力過大時(shí)，導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電層就會(huì)被壓破，甚至整個(gè)導(dǎo)電粒子被壓碎，從而導(dǎo)致接觸電阻增加，另外在粘結(jié)壓力撤除、固化結(jié)束后，粒子的周圍留下較大的殘余機(jī)械應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致聚合物和粒子接觸處形成裂紋和發(fā)生界面分離，另外粘結(jié)壓力過大會(huì)使膠體過多地被擠壓出去，使粘結(jié)膠體變薄，最終導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降，而且壓力過大還會(huì)引起芯片的開裂。所以，在進(jìn)行芯片倒裝粘結(jié)時(shí)，必須提供適當(dāng)?shù)膲毫?，以獲得足夠的剪切強(qiáng)度和穩(wěn)定的電性能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1.1 第一批正交實(shí)驗(yàn)

（1）制定因子水平表

通過上述討論，可以得出影響ACA粘結(jié)可靠性的主要因素有凸點(diǎn)的拍平壓力、導(dǎo)電粒子在膠體里的體積比例、粘結(jié)溫度、固化時(shí)間以及粘結(jié)壓力等因素，為了更好地優(yōu)化各工藝參數(shù)，我們決定采用正交實(shí)驗(yàn)法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中我們把預(yù)粘結(jié)過程中的預(yù)熱溫度考慮到要考核的因素中去，對(duì)于這六個(gè)要考核的因素，列成如表1所示的六因子二水平表，每個(gè)因子各代表一個(gè)影響ACA粘結(jié)可靠性的主要因素，兩個(gè)水平數(shù)值則是該因素在一定范圍內(nèi)的參考值。

（2）實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

考核ACA粘結(jié)可靠性最重要的指標(biāo)是導(dǎo)電膠的剪切強(qiáng)度和接觸電阻的大小，在第一批正交實(shí)驗(yàn)中我們把芯片的剪切強(qiáng)度作為考核指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于六因子二水平表來(lái)說(shuō)，共有八種實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，第三列中（粘結(jié)溫度所占有）的極差R=403.8，比其他各列的極差都要大，這表明對(duì)于ACA的芯片剪切強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，粘結(jié)溫度是最重要的因素，粘結(jié)溫度200℃比160℃可以明顯提高芯片剪切強(qiáng)度。第二列和第五列中的R分別是196和178.4，相對(duì)來(lái)說(shuō)，ACA中的導(dǎo)電粒子的體積比例以及粘結(jié)壓力是二等重要的因素，剩下的三個(gè)因素極差R比較小，可以認(rèn)為是影響芯片剪切強(qiáng)度的次要因素。

根據(jù)以上分析可以得出，各因素對(duì)于ACA芯片剪切強(qiáng)度影響的程度為C>B>E>D>A>F，即粘結(jié)溫度、導(dǎo)電粒子的含量以及粘結(jié)壓力是影響ACA芯片剪切強(qiáng)度的最重要因素。通過第一批正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，算出實(shí)驗(yàn)較佳水平組合為A2B1C2D1E1F1，按照此優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件粘接的樣品其剪切強(qiáng)度達(dá)到266.6N，超過了八個(gè)實(shí)驗(yàn)中最大的剪切強(qiáng)度247.0N，進(jìn)一步說(shuō)明算出的實(shí)驗(yàn)組合較佳。

在初步確定出影響ACA剪切強(qiáng)度的主要因素和各因素的數(shù)值后，為了進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)值，特別是實(shí)驗(yàn)第一階段沒有考慮的凸點(diǎn)接觸電阻，我們決定在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第二批的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

4.1.2 第二批正交實(shí)驗(yàn)

（1）制定因子水平表

根據(jù)上批實(shí)驗(yàn)的情況，以凸點(diǎn)的平均接觸電阻數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行考核，ACA導(dǎo)電粒子的含量、粘結(jié)溫度以及壓力作為影響因素，安排第二批正交實(shí)驗(yàn)，列成如表3所示的三因素三水平的正交表。

（2）實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

在第二批正交實(shí)驗(yàn)中我們把凸點(diǎn)的平均接觸電阻數(shù)值作為考核指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于三因子三水平表來(lái)說(shuō)，共有九種實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

通過表中的極差分析可以看出，ACA中導(dǎo)電粒子的含量、粘結(jié)壓力對(duì)于凸點(diǎn)平均接觸電阻影響最大，即A、C>B，根據(jù)凸點(diǎn)接觸電阻越小越好的原則，此次正交實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)組合為A2B2C2。綜合考慮兩次正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們確定工藝參數(shù)為：ACA中導(dǎo)電粒子的體積比例為15%，凸點(diǎn)拍平壓力0.588N，預(yù)熱溫度60℃，粘結(jié)溫度200℃，時(shí)間10s，粘結(jié)壓力為39.2N，按照此優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件粘接的樣品其剪切強(qiáng)度達(dá)到286.2N，凸點(diǎn)平均接觸電阻為35mΩ，說(shuō)明對(duì)于剪切強(qiáng)度和凸點(diǎn)接觸電阻來(lái)說(shuō)此優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件最佳。

4.2 可靠性實(shí)驗(yàn)水平

由于來(lái)自外界因素的干擾，剪切強(qiáng)度的降低以及接觸電阻的不穩(wěn)定性將會(huì)影響ACA互連的可靠性。研究表明，熱循環(huán)、熱沖擊、高溫高濕等環(huán)境以及外來(lái)沖擊載荷均會(huì)影響ACA互連的可靠性。為了驗(yàn)證ACA粘結(jié)的可靠性，我們分別對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了150℃高溫貯存以及-65℃~150℃溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)。圖5、圖6分別為隨老化時(shí)間以及溫度循環(huán)次數(shù)的增加芯片剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律。圖7、圖8分別為隨老化時(shí)間以及溫度循環(huán)次數(shù)的增加凸點(diǎn)接觸電阻的變化規(guī)律。從圖中可以看出，凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度隨老化時(shí)間以及溫度循環(huán)次數(shù)的增加而下降，這是因?yàn)楫?dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，由于器件的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致熱應(yīng)力，在熱沖擊載荷作用下會(huì)在ACA與芯片界面或ACA與基板界面上形成裂紋，導(dǎo)致凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度降低。而凸點(diǎn)接觸電阻隨老化時(shí)間以及溫循次數(shù)的增加而增加，因?yàn)樵诟邷馗邼癍h(huán)境下，互連金屬的氧化、電化學(xué)腐蝕以及聚合物吸潮都會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增加。

從圖中看出，在高溫貯存和溫度循環(huán)后，芯片的剪切強(qiáng)度完全滿足GJB548B方法2019的要求，另外凸點(diǎn)的接觸電阻變化都能控制在5%以內(nèi)，制作的樣品通過了工藝鑒定。

5 結(jié)論

通過對(duì)各向異性導(dǎo)電膠倒裝粘結(jié)工藝的研究，主要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）研究了打球法制作Au凸點(diǎn)、并解決凸點(diǎn)高度一致性的問題；

（2）利用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了影響各向異性導(dǎo)電膠倒裝粘結(jié)可靠性各因素的工藝參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)ACA中導(dǎo)電粒子的體積比例為15%、凸點(diǎn)拍平壓力0.588N、預(yù)熱溫度60℃、粘結(jié)溫度200℃、時(shí)間10s、粘結(jié)壓力為39.2N時(shí)，導(dǎo)電膠剪切強(qiáng)度達(dá)到286.2N，凸點(diǎn)平均接觸電阻為35m Ω。

（3）通過可靠性實(shí)驗(yàn)對(duì)凸點(diǎn)的電性能和機(jī)械性能進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)表明倒裝粘結(jié)的凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度以及接觸電阻變化率小于5%，完全滿足實(shí)用化的要求。

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