倒装芯片封装材料_各向异性导电胶的研究进展

Progress of Anisotropic Conductive Adhesive for Flip Chip Packaging
WU Feng- shun, ZHENG Zong- lin, WU Yi- ping, WU Bo- yi, CHEN Li ( Institute of Microsystems, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
2004 年 7 月
吴丰顺等: 倒装芯片封装材料 各向异性导电胶的研究进展
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的影响。 导电颗粒为表面金属镀层的聚合物颗粒时, 邦
定时一般要加上足够的载荷使得接触面直径大于它 本身的直径, 从而得到足够的导电性能。但是太大 的压力却可能导致颗粒开裂、凸点变形、桥连短路等 可靠性问题。 4 ACA 互连可靠性
导电区域, 如图 5 所示。接触面的接触电阻可以表
示为: R= R c+ R f, 其中 R c 是局限电阻, 它随着通过
接触表面电流的增大而增大, Rf 为附于导电颗粒表
面的绝缘层的电阻。假定一对金属焊盘间的导电粒
子数为 n, 单个电接触点的半径为 a, 则一对金属盘
的总电接触面积可以表示为: A = na2, 考虑导电颗
粒的硬度 H 和邦定载荷 P 的影响, 接触电阻可表示
为:
Rc = 0. 886( H / nP )1/ 2
( 1)
公式( 1) 表明, 邦定压力越大、导电颗粒数目越
多, 接触电阻越小, 互连电性能越好。导电颗粒的硬
度越高, 接触电阻越大, 互连电性能越差。
导电颗粒直径的 波动对互连电性能有较大影
响。导电颗粒的粒径大小常在一定范围内波动, 邦 定时较大的颗粒势必先发生变形并可能发生金属的 焊合, 然后, 稍小颗粒的才开始形成电接触点, 最后 达到一个平衡, 因此接触电阻还与颗粒直径分布和 接触面的焊合程度有关。Frank 等人认为标准偏差 越大的导电颗 粒在相同的邦定压力下 接触电阻越 大, 导电颗粒平均尺寸对接触电阻的变化没有明显
ACA 互连可靠表现为电接触可靠, 接头机械性 能良好。采用 ACA 互连技术 进行封 装时, 基板 材 料、芯片凸点结构、形貌以及 ACA 的类型对接头电 学性能和抗冲击性能有很大的影响。 4. 1 接触电阻的稳定性
ACA 互连的接触电阻不稳定是影响 ACA 互连 可靠性并引起广泛关注的可靠性问题之一。与焊料 凸点的倒装芯片技术不同, ACA 互连中上下凸点间 仅仅是机械接触导电, 没有较强的金属连接, 应力也 大部分集中在凸点与底部金属盘的界面上。一旦环 境温度和外界条件发生变化, 就会使接触电阻发生 漂移, 出现电接触问题, 影响接头的电学性能。图 6 为环境等因素导致的 ACA 互连电接触失效示意图。
大多数树脂在湿度较大的情况下都容易吸潮。 树脂吸潮后膨胀会迫使基板和芯片间的距离增大, 影响凸点互连的接触面积和接触压力, 使接触电阻 发生变化。所以高湿环境下主要失效原因在于电化 学腐蚀和吸潮。
高温时效对 ACA 互连接触电阻也有很大的影 响。如果时效温度高于 导电胶的玻璃 化转变温度 T g, 接触电阻将出现显著增加, 但如果时效温度低 于 T g, 即使原始邦定压力较小, 其接触电阻也几乎 没有变化。原因就在于当温度高于 T g 时, 邦定应 力的释放使得导电接触面积减小, 从而明显地增加 了接触电阻。 4. 2 ACA 互连的抗冲击性能
ACA 由高分 子聚合物和均 匀分散在其中 的导 电颗粒组成。按形态划分, ACA 有胶状和薄膜状两 种, 通常将薄膜状的 ACA 称为各向异性导电胶膜, 即 ACF。
图 1 是各向异性导电胶互连结构示意图。倒装 晶片和基板之间涂有 ACA, 晶片上的凸点和与之对 应的基板上的凸点( 或焊盘) 之间夹着多个受压变形 的导电粒子, 由这些变形的导电粒子实现上、下凸点 之间的电互连, 其他区域的粒子互不接触, 并且密度 分布很小, 不足以在横向形成导电通路, 因此实现了 各向异性互连。晶片与基板整体被 ACA 的高分子 聚合物( 树脂) 固化, 实现了电子封装的机械支撑和 散热。 2 新型 ACA 导电胶结构
常用 ACA 中的导电颗粒有 两种类型。一种是 金属实心球颗粒, 由 Ni、Cu、Ag 作为核心, 表面镀 Au 或 Ag 形成导电颗粒, 如图 2( a) 所示。另一种是由 聚合物或者玻璃核心和表面金属镀层形成的导电颗
基金项目: 863 项目, 项目名称: 倒装芯片技术在微机电系统中的应用, 项目号: 2002AA404110。 作者简介: 吴丰顺( 1965- ) , 男, 毕业于 西安交通大学, 博士, 副教授, 主要从事电子封装、微连接和计算机模拟等研究工作。
定压力和导电颗粒特性对常用 ACA 互连接触电阻的影响, 综合叙述了环境因素、邦定参数、误对
准、凸点高度等对 ACA 互连可靠性影响的研究进展。
关键词: 各向异性导电胶; 接触电阻; 邦定参数; 可靠性
中图分类号: TN604
文献标识码: A
文章编号: 1001- 3474( 2004) 04- 0139- 04
The effects of environment condition and process parameters such as bonding parameters, misalignment and
bump height on the ACA interconnecting reliability and thermal reliability have been discussed.
Abstract:Two new types of anisotropic conductive adhesive ( ACA) have been introduced. The influences
of bonding pressure and the characteristics of ACA on the interconnect contact resistance have been analyzed.
图 1 各向异性导电胶互连示意图 粒, 如图 2( b) 所示。两种类型的互连结构电阻率都 较高, 主要用于 LCD 的互连。
图 2 导电颗粒的结构示意图 Miho Yamaguchi 开发出用于 Flip Chip 的柱状导 电胶, 如图 3 所示。该导电胶结构为高密度的 Cu 柱 穿过热塑性胶膜, 从而实现更好的电互连, Cu 柱间 距可缩小到 0. 025 mm, Cu 柱表面有一层绝缘树脂,
key words: Anisotropic Conductive Adhesive; Contact Resistance; Bonding Parameters; Reliability
Document Code: A
Article ID: 1001- 3474( 2004) 04- 0139- 04
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电子工艺技术
2004 年 7 月
Electronics Process Technology
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综述
倒装芯片封装材料 各向异性导电胶的研究进展
吴丰顺, 郑宗林, 吴懿平, 邬博义, 陈 力
( 华中科技大学微系统中心, 湖北 武汉 430074)
摘 要: 介绍了两种新型各向异性导电胶 ACA( Anisotropic Conductive Adhesive) 结构, 分析了邦
各向异性导电胶( ACA) 因其无铅、适合于窄节 距互连、工艺温度较低等优点而用来完成电路基板 与倒装芯片之间的互连, 并逐渐应用于液晶显示驱 动器、掌上电脑显示驱动电路、移动电子产品中板上 芯片等高密度 IC 封装, 用于液晶显示( LCD) 面板、 硬盘驱动 器( HDD) 磁头、微波高频通讯、存储器 模 块、等离子体显示器( PDP) 、光耦合器件、表 面安装 ( SMT ) 等的封装互连中。本文将介绍 ACA 的结构和 互连可靠性的研究进展。 1 ACA 互连简介
图 3 柱状填料 ACF 的剖面图 可避免 Cu 柱之间发生短路; Jean- chales 提 出了针 尖状阵列式新型导电胶结构, 如图 4 所示, 该结构能 较好解决无凸点芯片和高密度印刷电路板之间的互
图 5 导电颗粒在两金属盘间形成的导电区域
对于 ACA 的电接触点来说, 可以将导电颗粒与
金属盘的接触面看成 Holm 所描述的薄片或者微小
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连接, 应力大部分都集中在凸点与底部金属盘的界 面上, 因而界面处抗冲击性能较差。对于导电胶互 连的冲击性能, 已有不少研究者做过这方面的工作。 Vona 等对导电胶进行了结构- 性质- 性能的研究, 得出: 材料有效的分散能量的能力对于材料具有较 好的抗冲击性能是至关重要的, 可以通过选取在冲 击实验条件下杨氏模量小、损失因子 ( tan ) 大的材 料来获得较高的抗冲击能力。Lu 等人通过 将改性 树脂加入添加剂, 研究出了一类在很大温度范围内 具有较高的损失因子( tan ) 并在室温下 tan 值也很 大的导电胶。ASTM D950- 94 描述了一种研究导电 胶冲击行为的测试方法, 在该方法中, 使用一个钟摆 式冲击设备来冲击一个块状剪切试样。然而该测试 是定性的、设备敏感的, 并且和负载相关。另一个定 性评价互连板卡抗冲击的方法是: 从 1. 25 m 高的地 方把安装有芯片和其它组件的板卡冲击到硬的表面 上。对于导电胶互连应用来讲, 能经受住 6 次这样 的冲击是最基本的要求。然而, 这种冲击测试对于 各向异性导电胶倒装芯片互连是不能够应用的, 因 为这其中有很多不确定的因素, 比如释放的改变、冲 击角的变化以及可能的多次冲击都会使结果产生很 大的误差。而且, 该测试只能定性地估计导电胶的 抗冲击能力, 从这种不精确的冲击结果中得不到多 少有用的信息。可以看出, 上述研究的方法和结果 都存在着一定的局限性, 比如只是定性分析、机器敏 感性大、数据不一致等。所以开发出一种冲击试验 方法, 对导电胶的冲击性能进行定量的、静态和动态 对比是非常有必要的。
高热湿环境对接触电阻有重要影响, 在 85 ∀ / 85 % RH 的高热湿条件下, 互连金属的氧化、电化学 腐蚀以及聚合物吸潮导致接触电阻增加, 由此引发 ACA 互连的可靠性问题。金属氧化一 般发生在不 同湿度的有氧环 境下, 特 别是高温时更容 易氧化。 但是由于树脂固化后将连接点与有氧环境隔离, 在 高温下金属氧 化导致的接触电阻增大 并不非常明 显。当两种金属的电化学势不同以及聚合物吸潮较 大时, 会在金属对之间形成原电池, 从而会在金属表 面形成一层氧化物。在高热湿条件下, 这种过程更 明显, 导致接触电阻增加。
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连问题, 互连间距和焊盘面积可进一步减小, 电连接 更可靠。
图 4 针尖状填料 ACF 的剖面图
3 ACA 互连的接触电阻 采用常用的 ACA 进行互连时, ACA 经热融、流
动、固化和冷却以后, 导电颗粒就会在倒装芯片和基 板的金属凸点对之间形成垂直方向的导电通路, 如 图 5 所示。该通道的导电能力与导电颗粒与金属凸 点对之间表面电接触性能有关。
ACA 互连的抗冲击 能力是人们非 常关注的可 靠性问题。众所周知, 在焊料互连的封装形式中, 上 下凸点通过焊料回流形成一个金属化整体, 可以起 到缓冲剪切应力的作用, 所以较大的凸点高度可以 增加缓 冲能 力, 增加 连接点 的疲 劳寿 命。但 对于 ACA 互连则完全不同, 上下凸点间没有牢固的金属
芯片凸点与相对应基板上凸点之间的错位会导 致接触面积下降、接触电阻增大和连接结合强度下 降等问题。在热疲劳过程中, 这类互连往往非常容 易失效。S H Fan 等人在凸点大小为 50 m ! 50 m 条件下, 就错位对 ACA 互连的电性能特征的影响做 了定量研究。当错位量从 0 m~ 5 m 时, 接触电阻 增加的速率较大, 在 5 m~ 20 m 时呈缓慢增加的 趋势, 但错位量大于 20 m 后, 其接触电阻开始显著 增加。由于施加的邦定压力是根据上下凸点相对面 积变化的, 虽然影响接触电阻的因素很多, 但是随着 错位量加大, 总的相对面积减小, 邦定压力减小的幅 度增大, 对接触电阻产生了很大的影响。
图 6 ACA 互连电接触失效原因示意图 影响 ACA 接触电阻的过程参数主要有: 键合过 程的温度、压力、时间、对准度、凸点高度等。适当的 键合压力、温度以及时间对于形成良好的机械以及 电接触至关重要。足够的键合压力可以使导电颗粒 与凸点或者金属盘面充分接触, 得到足够大的接触 面积, 降低接触电阻; 但过大的键合压力在其释放后 会产生应力残余, 降低互连的疲劳寿命。键合温度 太低, 聚合物的固化度不足, 交联反应不充分; 温度 太高则固化速度过快, 使得聚合物不能充分流动以 及导电颗粒没有足够的时间分布于凸点和底盘之间 而无法形成良好的电连接。当聚合物达到其失效温 度后, 它将开始分解, 使得其物理特性发生改变。太 高的邦定温度不但会使聚合物老化, 而且还会增加 聚合物中的气泡与裂纹等缺陷, 严重影响 ACA 连接 的机械稳定性。