倒装芯片封装材料_各向异性导电胶的研究进展

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浅谈RFID及其封装技术

工程技术
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浅谈
RFID 及其封装技术
刁裕博
( 山东山铝电子技术有限公司》摘要: 本文结合当前R F ID 的技术特点和发展趋势， F ID 技术及其制作工艺进行了简要论述，对R 并对电子标签在国内的发展瓶颈进行了探讨，指出了电子标签普及应用还需解决的几个课题。关键词封装技术中图分类号: TM 文献标识码: A 文童编号: 1672- 379 1(2007) 10(b卜0035- 01 1 RFID技术概述 1. 1 RFID 技术概念 RFID 是 Rad io F requency Identifical io n 的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签。RF ID 射频识别是一种作接触式的自功识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工千预，可工作于各种恶劣环境。R F ID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签. 操作快，2 RF旧系统的基本组成部分最基本的RF ID 系统由三部分组成: $r.X (Tag) , 阅读器(Reader)、天线(An te 放芯片，通过可调温度，时间与压力的热压头封装读卡头自动全检工标准Transponso d er 并统计合格率。 2 .4 电子标签的封装形式 (2 )凸点的形成从实际应用着，电子标签的封装形式较目前 RFI D 标签产品的特点是品种繁多，多，不受标准形状和尺寸的限制，而且其构成但并非每个品种的数最能形成规模。因此，也是千差万别，甚至需要根据各种不同要求进
装)

倒装芯片(FC,Flip-Chip)装配技术

摘要：倒装芯片在产品成本，性能及满足高密度封装等方面体现出优势，它的应用也渐渐成为主流。

由于倒装芯片的尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的设备及工艺带来了挑战。

器件的小型化高密度封装形式越来越多，如多模块封装（MCM ）、系统封装（SiP ）、倒装芯片（FC ，Flip-Chip ）等应用得越来越多。

这些技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。

毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。

由于倒装芯片比BGA 或CSP 具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。

倒装芯片的发展历史倒装芯片的定义什么器件被称为倒装芯片？一般来说，这类器件具备以下特点：1. 基材是硅；2. 电气面及焊凸在器件下表面；3. 球间距一般为4-14mil 、球径为2.5-8mil 、外形尺寸为1 -27mm ；4. 组装在基板上后需要做底部填充。

其实，倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后的工艺而言的。

传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝上（图1），而倒装芯片的电气面朝下（图2），相当于将前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。

在圆片（Wafer）上芯片植完球后（图3），需要将其翻转，送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而被称为“倒装芯片”。

图1图2图3倒装芯片的历史及其应用倒装芯片在1964年开始出现，1969年由IBM发明了倒装芯片的C4工艺（Controlled Collap se Chip Connection，可控坍塌芯片联接）。

过去只是比较少量的特殊应用，近几年倒装芯片已经成为高性能封装的互连方法，它的应用得到比较广泛快速的发展。

目前倒装芯片主要应用在Wi- Fi、SiP、M CM、图像传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器，以及RFID等方面（图5）。

COB封装技术首次调查报告（现有正装、倒装COB制造技术调研）

COB封装技术⾸次调查报告（现有正装、倒装COB制造技术调研）COB封装技术⾸次调查报告--现有正装、倒装COB制造技术调研⼀、 COB概述（次要部分）COB LED定义COB LED即chip On board，就是将裸芯⽚⽤导电或⾮导电胶粘附在互连基板上，然后进⾏引线键合实现其电连接，COB LED⼜叫COB LED source,COB LED module。

COB LED主要的焊接⽅法正装部分：(1)热压焊利⽤加热和加压⼒使⾦属丝与焊区压焊在⼀起。

其原理是通过加热和加压⼒，使焊区(如 AI)发⽣塑性形变同时破坏压焊界⾯上的氧化层，从⽽使原⼦间产⽣吸引⼒达到“键合”的⽬的，此外，两⾦属界⾯不平整加热加压时可使上下的⾦属相互镶嵌。

此技术⼀般⽤为玻璃板上芯⽚ COG。

(2)超声焊超声焊是利⽤超声波发⽣器产⽣的能量，通过换能器在超⾼频的磁场感应下，迅速伸缩产⽣弹性振动，使劈⼑相应振动，同时在劈⼑上施加⼀定的压⼒，于是劈⼑在这两种⼒的共同作⽤下，带动 AI 丝在被焊区的⾦属化层如(AI 膜)表⾯迅速摩擦，使 AI 丝和AI 膜表⾯产⽣塑性变形，这种形变也破坏了 AI 层界⾯的氧化层，使两个纯净的⾦属表⾯紧密接触达到原⼦间的结合，从⽽形成焊接。

主要焊接材料为铝线焊头，⼀般为楔形。

(3)⾦丝焊球焊在引线键合中是最具代表性的焊接技术，因为现在的半导体封装⼆、三极管封装都采⽤ AU 线球焊。

⽽且它操作⽅便、灵活、焊点牢固(直径为 25UM 的 AU 丝的焊接强度⼀般为 0.07～0.09N/点)，⼜⽆⽅向性，焊接速度可⾼达 15 点/秒以上。

⾦丝焊也叫热(压)(超)声焊主要键合材料为⾦(AU)线焊头为球形故为球焊。

倒装部分：共晶焊：共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发⽣共晶物熔合的现象，共晶合⾦直接从固态变到液态，⽽不经过塑性阶段，是⼀个液态同时⽣成两个固态的平衡反应。

其熔化温度称共晶温度。

共晶合⾦的基本特性是：两种不同的⾦属可在远低于各⾃的熔点温度下按⼀定重量⽐例形成合⾦。

各向异性导电胶粘接可靠性研究进展

（a）
镀金层带有导电粒子的环氧树脂层镀镍层
（b）
聚酯材料图 1 各向异性导电胶和导电粒子的结构 Fig.1 The structure of the ACF and ACA and their conductive particles
各向异性导电胶一般粘接工艺：（1）首先在基板上放置与之相应大小的导电胶或导电胶膜（热固型或热塑型）；（ 2）导电胶与基板预粘接；（3）揭掉导电胶上部的隔膜；（4）芯片压在导电胶上进行固化。
目前电子封装行业普遍使用的锡–铅焊，由于铅作为对人体和环境有害的物质，在世界范围内将被禁止使用。一种更方便、更环保，成本低廉的连接材料— 各向异性导电胶的应用正在悄然兴起。它开始时主要应用在液晶显示器上,渐渐发展到笔记本电脑、手机、数码相机、掌中宝等电子产品的集成电路(IC)连接上 , 随着其应用范围的不断发展，必将会成为锡–铅焊替代品。各向异性导电胶主要由胶体和导电粒子组成，导电粒子在 Z 轴方向上导电而在 X， Y 轴方向上绝缘，各向异性导电胶起到电路连接和机械连接的作用，它与锡-铅焊比较具有以下优点：（1 ）粘接温度低（180~220℃）。（2）粘接设备简单且成本低。（3）具有高密度、窄间距的连接能力（最小间距 0.65 ìm）。（4）无铅有很好的环保性能。（5）可与不同的基板连接。（6）起到电路连接的同时也起到填充材料的保护、防腐等作用。（7）不需要再流过程，对芯片和基板的影响小。但各向异性导电胶连接也存在着一些不足之
第 1 期
张军等：各向异性导电胶粘接可靠性研究进展
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2.5 各向异性导电胶的弹性模量芯片和基板的热膨胀系数不匹配，在温度变化的情况下，它们的变形是不一致的，长时间的这种变形必然会引起电子元件的失效。而各向异性导电胶的弹性模量的大小对这种现象有很大的影响，由于导电粒子只起到导电和部分支撑的作用，而连接情况的好坏完全集中在胶体上，导电胶的弹性模量越低，芯片和基板由于热膨胀系数的不匹配产生的剪应力越小，但各向异性导电胶的弹性模量太小会引起导电胶的玻璃化转化温度（Tg）降低，而且也会引起导电胶粘接强度的下降，所以采用最佳的各向异性导电胶的弹性模量是 1 500 MPa[9]。

倒装芯片技术

4. Amelco——Au凸点 5. 目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的
速度增长，3％的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过
20％。
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2019/11/17
Prof. Wu Fengshun, fengshunwu@
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
底部填充与否
有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使用底部填充与否。
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2019/11/17
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Gold wire
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钉头金凸点制作
Gold ball
Ball bonding
Wire breaking
Gold stud bump
Coining (level)
Gold stud
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不同的倒装芯片连接方法
1. 焊料焊接 2. 热压焊接 3. 热声焊接 4. 粘胶连接
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Coffin-Manson 低周疲劳模型
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优点－01
小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5％）减小了高度和重量。功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达400个。

专用倒装焊封装的开发与应用

金属凸点——多数为常见的Ａｕ螺栓凸点。这些凸
氧基本ｆ是采用分离的焊丝进行键台（图３。螺栓凸见）
导电胶粘接广泛应用于低端的ＦＯＣＢ市场，对于引线层，从而降低成本。引入共品凸点的延迟是固为需要新点的底部凸电金属化（Ｂ以允许芯Ｈ上的共晶焊：ＢＵＭ）ＩＭ数少的大芯片碍别适合由于序列方法的应用，螺栓凸
ＦＩ产障碍的唯一方案。随着这些进展，装焊开始ＣＰ生倒引入到更宽范围的买方封装市。这一系列封装开发活场动产生了一个有意义的结果．是实现了没有一种方案能被称作 “ 完美无缺 ” 的倒装焊封装。倒装焊只是一种几
何说明。有许多 “ 正确”方法．每种方法都依据最终应
是在节距很小，凸点数更高的请况下 “ ，尽管高Ｐｈ
无凸点——Ａ芯片焊盘被一薄层贵金属所覆盖利ｌ
月各向异性导电胶材料绝缘ｘＹ方向． — 但在ｚ方向导电
结构正在被用于几种更高端（即成本走敏感ｊ；的品，
在以成本为主要因素的多数消费类应月中被选择的可能可以实现互连导电胶凸专——芯片用导电胶墩凸电并固化然后性微乎其微
所以更适合于更高凸密度的应用Ａｕ知采甫同向或各向异性导电胶粘接到基板上
Ｉ能点都
髓着频率的增加，这变佴越来越重要ｆＳ的基本结构是利Ⅲ 一薄芯叠层基板，芯片佃ｃＰＣ装．并用共品６Ｓ．７ｂ凸氧焊接到芯片３ｖ３Ｐ１下填氧

倒装芯片封装技术

倒装芯片封装技术倒装芯片封装技术：将芯片翻转封装的革命性进展引言：随着电子科技的迅猛发展，芯片封装技术也在不断创新。

其中，倒装芯片封装技术作为一项重要的进展，在电子产品设计与制造方面发挥着重要作用。

本文将以倒装芯片封装技术为中心，探讨其原理、发展历程以及在电子领域中的广泛应用。

一、倒装芯片封装技术的原理倒装芯片封装技术，顾名思义，即将芯片翻转后进行封装。

传统的封装方式是将芯片正面朝上，通过焊接或粘接等方式固定在基板上，然后进行封装。

而倒装芯片封装技术则是将芯片翻转180度，使其背面朝上，并通过金线或导电胶等方式与基板连接。

倒装芯片封装技术的核心在于解决芯片尺寸不断减小和功耗不断增加的矛盾。

芯片尺寸的不断缩小使得传统封装方式难以满足对电路布局的要求，而倒装技术使得芯片尺寸最小化，并且能够更好地进行布局，提高电路的性能。

此外，倒装芯片封装技术还能够提高散热效果，减少功耗，提高芯片的可靠性。

二、倒装芯片封装技术的发展历程倒装芯片封装技术起源于1960年代，当时主要用于高可靠性的军事和航天设备中。

随着电子产品的普及和成本的降低，倒装芯片封装技术逐渐应用于民用产品中。

在过去的几十年中，倒装芯片封装技术经历了多次的改进和创新，使得其在电子领域中得到了广泛应用。

在倒装芯片封装技术的发展历程中，主要有以下三个阶段：1.金线倒装封装技术：最早的倒装封装技术采用金线进行芯片与基板之间的连接，这种方式简单、可靠，但是金线间距有限，不适用于高密度集成电路的封装。

2.焊接倒装封装技术：为了解决金线倒装封装技术的局限性，人们引入了焊接倒装封装技术。

这种技术采用焊料将芯片与基板焊接在一起，相比金线倒装技术，焊接倒装技术能够实现更高的密度和更好的散热效果。

3.导电胶倒装封装技术：近年来，随着导电胶技术的成熟，导电胶倒装封装技术成为了倒装芯片封装的主流技术。

导电胶能够实现更高的密度、更低的电阻和更好的散热性能，同时还能够简化制造工艺和降低成本。

倒装芯片键合技术发展现状与展望

倒装芯片键合技术发展现状与展望下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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倒装芯片技术【2024版】

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2024/11/8
Prof. Wu Fengshun,
倒装芯片历史
1. IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工
艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作
PbSn凸点，使用可控塌焊连接（Controlled collapse
Component Connection, C4），无铜球包围。
凸点
热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线中应该加入1% 的Pd ，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150～ 200° C。
效的冷却。
➢ 低成本：批量的凸点降低了成本。
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I/O 数比较
倒装芯片与扁平封装的引脚数比较
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信号效果比较
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2024/11/8
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缺点－01
➢ 裸芯片很难测试
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2024/11/8
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生产问题
倒装芯片的连接头应该能够产生300°C 的连接温度，要有较高的平行对准精度，为了防止半导体材料发生损伤，施加压力时应该保持一定的梯度。在热压倒装芯片连接中，凸点发生变形是不可避免的，这也是形成良好连接所必需的。另外，连接压力和温度应该尽可能低，以免芯片和基板损坏。
电子制造技术基础

zymet胶水分类及应用

Zymet胶水分类及应用三力高一，Zymet胶水分类1，Zymet 各向异性导电粘合剂2，Zymet 导电胶3，Zymet 导热粘合剂4，Zymet 非导电胶(NCP)5，Zymet 光电胶粘剂6，Zymet 极低应力芯片粘接剂7，Zymet 底部填充剂8，Zymet 可返修的底部填充剂9，Zymet 紫外光固化顶部密封剂，闭合与密封用途的密封剂二，Zymet胶水应用1，Zymet 各向异性导电粘合剂用于倒装芯片附件和电接地附件用于电气互连的各向异性导电粘合剂Zymet设计的电气互联的各向异性导电粘合剂主要用于倒装芯片附件。

用途包括驱动器IC 上的芯片玻璃(COG)附件，RFID以及智能卡组装用的覆晶接合附件。

特点：1，镀金球形聚合物颗粒小至３微米；2，分散稳定性极高，可保证随机颗粒分布；3，粒子的高电气隔离可减少短路；4，细间距分辨率－可小至３５微米；5，热固化或紫外光固化可在１０秒内完成。

紫外光固化的品种需要使用UV透明基板，例如玻璃。

用于电接地附件的各向异性导电粘合剂为电接地设计的ACP使用大小均匀，球形导电颗粒，以便调整胶层厚度，造就两个基板之间的电接触。

特点：1，一体化，注射剂分配系统；2，胶层具有非常低且稳定的抗接触表面；3，60秒以内可快速固化，也可使用传统烤箱固化法；4，超低压粘接。

2，Zymet 导电胶用于芯片粘接和电子组装芯片粘合剂Zymet的导电芯片粘接剂可用于半导体包装，混合集成电路组装，机芯集成电路组装，智能卡芯片组装。

导电胶是可用注射器分配的浆糊。

特点：1，低体积电阻率；2，离子污染低；3，定制的粘度和流变量，以便使用高速自动化分配器；4，60秒以内可快速固化，也可使用传统烤箱固化法。

一般用途的粘合剂Zymet’的一般用途导电胶可用于部件连接，接线连接，以及印刷电路组装维修。

一体化的产品拥有优良的稳定性，长期不变质。

两个组成部分的产品则可在室温下固化。

产品既有易取出的软糊状的，也有高生强度的粘稠的糊状物。

FC、BGA、CSP三种封装技术。

最早的表面安装技术——倒装芯片封装技术（FC）形成于20世纪60年代，同时也是最早的球栅阵列封装技术（BGA）和最早的芯片规模封装技术（CSP）。

倒装芯片封装技术为1960年IBM公司所开发，为了降低成本，提高速度，提高组件可靠性，FC使用在第1层芯片与载板接合封装，封装方式为芯片正面朝下向基板，无需引线键合，形成最短电路，降低电阻；采用金属球连接，缩小了封装尺寸，改善电性表现，解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。

再者，FC通常应用在时脉较高的CPU或高频RF上，以获得更好的效能，与传统速度较慢的引线键合技术相比，FC更适合应用在高脚数、小型化、多功能、高速度趋势IC的产品中。

随着电子封装越来越趋于向更快、更小、更便宜的方向发展，要求缩小尺寸、增加性能的同时，必须降低成本。

这使封装业承受巨大的压力，面临的挑战就是传统SMD封装技术具有的优势以致向我们证实一场封装技术的革命。

2 IBM的FCIBM公司首次成功地实施直接芯片粘接技术（DCA），把铜球焊接到IC焊盘上，就像当今的BGA 封装结构。

图1示出了早期固态芯片倒装片示意图。

IBM公司继续采用铜球技术并寻求更高生产率的方法，最终选择的方案为锡-铅焊料的真空淀积。

为了形成被回流焊进入球凸点的柱状物，应通过掩模使焊料淀积。

由于淀积是在圆片级状况下完成的，因而此过程获得了良好的生产率。

这种凸点倒装芯片被称为C4技术（可控塌陷芯片连接）一直在IBM公司和别的生产厂家使用几十年，并保持着高的可靠性记录。

虽然C4在更快和更小方面显得格外突出，但是呈现出更节省成本方面的不足。

与C4相关的两个重要的经济问题是：形成凸点的成本和昂贵的陶瓷电路的各项要求。

然而，正确的形成凸点技术及连接技术能够提供更进一步探求较低成本的因素。

3 形成凸点技术凸点形成技术分为几个简单的类型，即淀积金属、机械焊接、基于聚合物的胶粘剂以及别的组合物。

最初的C4高铅含量焊料凸点，熔点在300℃以上，被低共熔焊料和胶粘剂代替，从而使压焊温度下降到易于有机PCB承受的范围。

芯片键合技术之FCB

3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB）
3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB）
3.无铅化的凸点技术
概述
概述
倒装芯片（FCB）

1.发展历史 2.关键技术
芯片凸点的制作技术凸点芯片的倒装焊底部填充

3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB） 1. 发展历史
1964倒装芯片出现； 1969年，IBM公司C4技术（可控塌陷技术）；至今，已广泛应用于SIP,MCM,微处理器，硬盘驱动器以及RFID等领域。
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊各向异性导电胶（ACA、ACF）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充填料要求：
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
毛细作用！！！
倒装芯片（FCB）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(2)凸点芯片的倒装焊倒装焊互连基板的金属焊区要求：焊区与芯片凸点金属具有良好的浸润性；基板焊区：Ag/Pd、Au、Cu(厚膜） Au、Ni、Cu（薄膜）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊热压焊倒装焊法
倒装芯片（FCB）2.关源自技术(1)芯片凸点的制作技术 SBB（stud Bump Bonding）；溅射丝网印刷技术；电镀凸点制作技术；化学镀UBM/丝网印刷凸点制作技术; 聚合物凸点.
倒装芯片（FCB）

各向异性导电胶倒装封装电子标签的可靠性

ｓｒｎｔｎｅｅｖｒｎｎａｓａｉｙＴｅｅｐｒｅｔｈｗｅｈｔ１８ｈｈｈｔｍｐｒｔｒｎｕｄｔｅｔａｄＤ０ｍｍｔｇｈａｄｔｎｉｍｅｔｌｔｂｉ．ｈｘｅｉｎｓｓｏｄｔａ，ｉｅｈｏｌｔｍ６ｇｅｅａｕｅａｄｈｍｉｉｔｓ，ｎ２ｙｍａｄｅｂｎｉｓｍａｅｓｍｅｉａｔｎｔｅｅｃｒｏｔｃｅｆｒａｃｆｈｏｄｇｐｉ；ｈｉｄｏｈｏｐｒｄｌｎｒｌｅｄｎｔｔｋｏｇｅｍｐｃｈｌｔｉｃｎａｔｒｍｎｅｏｅｂｎｉｏｎｔｅｙｅｆｅｃｐｅｍｏｕｅｏｅｃｐｏｔｎｔｌｔ
ＡｎｓｔｏｉＣｎｕｔｖｈｓｖｉｏｒｐｃｏｄｃｉｅＡｄｅｉＣｏｇｈｉＷＵＹｉｉｇ・ＡＯＪｎ１ＡＮＢｉｇＡＩｅＸｉｎ．ｕ ’
，，
ｌ．ｕａａｉｎｌａｏａｏｙｆｒｐｏｌｃｒｎｃ．ｕａ３０４Ｃｉａ１ＷｈｎＮｔｏａｂｒｔｒｏｔｅｅｔｏｉｓＷｈｎ４０７，ｈｎＬＯ
电子工艺技术
２１年９００
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ＥｅｔｏｉｓＰｏｅｓＴｃｎｌｌｃｒｎｃｒｃｓｅｈｏｏ
— —
综述・
各向异性导电胶倒装封装电子标签的可靠性
陶军磊，安兵Ｌ，蔡雄辉Ｌ，吴懿平。
（．武汉光电国家实验室，湖北武汉４０７１３０４２．华中科技大学连接与电子封装中心，湖北武汉４０７）３０４

ACA异相导电胶

具有互连密度高、工艺温度低、操作简便、绿色环保等特点，已广泛用于彩色液晶显示、柔性基板互连封装等超细间距封装互连领域。

本研究室致力于研究各向异性导电胶的导电粒子制备技术，开发出用于电子
标签倒装芯片互连的低成本各向异性导电胶。

可提供具有金属覆层的聚合物粒子和刚性导电粒子。

聚合物微球合成镀有镍/
金层的导电粒子
开发的ACA
样品
柔性导电粒子各向异性导电胶制作流程
各向异性导电胶键合示意图
互连界面照片
柔性导电粒子变形模拟的体视图（左）和顶视图（右）聚合物核心的金属覆层将沿南北极方向开裂，形成“西瓜裂
”
柔性导电粒子热压后变形开裂。

导电胶的研究进展

包装工程第45卷第5期·8·PACKAGING ENGINEERING2024年3月导电胶的研究进展晏子强1，王永生2，谭彩凤1，呼玉丹1，余媛1，高文静1，陈寅杰1，辛智青1*（1.北京印刷学院北京市印刷电子工程技术研究中心，北京102600；2.贵州省仁怀市申仁包装印务有限责任公司，贵州仁怀564512）摘要：目的综述电子封装中用于代替锡铅焊料的导电胶的研究进展，对导电胶未来研究方向进行展望，为导电胶的应用提供参考。

方法从导电胶的组成、导电机理、类型入手，重点介绍导电胶应用时的关键性能要求与测试方法，并总结近几年在提高导电性、稳定性及降低固化温度、成本等方面的研究进展。

结果对导电胶中基体树脂进行改性并选择合适的导电填料（形状、组成），可改善导电胶的固化条件，并提高导电胶的导电性能、黏结性能、耐久性，满足苛刻应用环境下对器件连接高可靠性的要求。

结论相比传统铅锡焊料焊接的方式，导电胶具有绿色环保、连接温度低、分辨率高等特点。

因此导电胶适用于电子封装与智能包装领域。

目前导电胶的研究方向主要为提高导电性、黏结强度以及黏结稳定性。

但是在面对固化时间长、耐湿热性弱、成本较高等缺点时，仍需不断优化组成，以满足实际应用要求。

关键词：导电胶；基体树脂；导电机理；体积电阻率；黏结性能中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：1001-3563(2024)05-0008-10DOI：10.19554/ki.1001-3563.2024.05.002Research Progress in Conductive AdhesivesYAN Ziqiang1, WANG Yongsheng2, TAN Caifeng1, HU Yudan1, YU Yuan1,GAO Wenjing1, CHEN Yinjie1, XIN Zhiqing1*(1. Beijing Engineering Research Center of Printed Electronics, Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600, China; 2. Shenren Packaging & Printing Co., Ltd., Guizhou Renhuai 564512, China)ABSTRACT: The work aims to review the research progress of conductive adhesives in electronic packaging and prospect the future research direction of conductive adhesives and provide reference for the application of conductive adhesives. From the composition, conductive mechanism and types of conductive adhesives, the key performance requirements and test methods of conductive adhesives in application were emphatically introduced, and the research progress in improving conductivity and stability and reducing curing temperature and cost in recent years was summarized. The modification of the matrix resin in the conductive adhesives and selection of appropriate conductive fillers (shape and composition) could improve the curing conditions of the conductive adhesives, improve their conductivity, adhesion and durability, and meet the requirements for high reliability of device connection in harsh application environment. Compared with the traditional lead-tin solder welding method, conductive adhesives have the characteristics of environmental protection, low connection temperature and high resolution. Therefore, conductive收稿日期：2023-11-17基金项目：北京市教委科技一般项目（KM202110015007）；国家自然科学基金面上项目（62371051）；北京印刷学院科研平台建设-北京市印刷电子工程技术研究中心项目（20190223003）；北京市自然科学基金（KZ202110015019）*通信作者第45卷第5期晏子强，等：导电胶的研究进展·9·adhesives are suitable for electronic packaging and intelligent packaging. At present, the research direction of conductive adhesives is mainly to improve conductivity, bonding strength and bonding stability. However, in the face of the shortcomings of long curing time, weak resistance to damp heat and high cost, it is still necessary to continuously optimize the composition to meet the practical application requirements.KEY WORDS: conductive adhesives; matrix resin; conductive mechanism; volume resistivity; adhesion随着电子工业的发展，电子元器件体积不断缩小、电子产品集成度不断提高，对电子器件封装材料的内应力、黏结力、导热性、电性能都提出了更严格的要求[1]。

导电胶的研究进展

第1期电子元件与材料 Vol.21 No.1 2002年1月 ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS Jan. 2002　导电胶的研究进展倪晓军，梁彤翔（清华大学核能技术设计研究院新材料研究室，北京１０２２０１）　摘要：导电胶作为无铅连接材料的一种，近年来在电子封装中得到越来越多的重视。

导电机理、组成及老化性能的研究成为导电胶实用化的关键因素。

各向异性导电胶是连接用Pb/Sn 合金的理想替代材料。

　关键词：电子封装；导电胶；导电机理；老化性能　中图分类号：TM24文献标识码：A文章编号：1001-2028（2002）01-0001-03Progress in Research on Electrically Conductive AdhesivesNI Xiao-jun, LIANG Tong-xiang(New Materials Division, Institute of Nuclear Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 102201)　Abstract : As one type of lead-free interconnect materials, ECA （Electrically Conductive Adhesives ）has become an important area of research within the last few years. Conductive mechanism, components, and aging properties are key elements for the using of ECA. ACAs are ideal replacements of Pb/Sn interconnected materials.Key words : electronic packaging; ECA; conductive mechanism; aging propertiesPb/Sn 焊料是印刷线路板上基本的连接材料，SMT （Surface Mount Technology ）中常用的也是这种材料。

复杂环境下导电胶的性能变化影响分析

2021年3月电子工艺技术Electronics Process Technology第42卷第2期63摘　要：电子器件在实际使用过程中，往往要求在复杂环境中仍能保证高的可靠性和稳定性。

导电胶作为电子器件封装中最为常用的材料之一，在复杂环境中其性能变化的影响至关重要。

从形貌和导电性能两个方面研究导电胶在复杂环境下的性能变化，通过设计试验实施并模拟各种复杂环境，结果表明：温度冲击和随机振动对导电胶的微观形貌几乎不发生影响，而固化压力、加电及水汽环境对导电胶的导电性能影响十分显著，这一结论可为导电胶的使用提供借鉴参考。

关键词：复杂环境；导电胶；固化；加电中图分类号：ＴＮ６０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－３４７４（２０２１）０２－００６３－０４Abstract: In the actual use of electronic devices, it is often required to ensure high reliability and stability in complex environment. As one of the most commonly used materials in electronic device packaging, conductive adhesives are critical to the influence of property changes in complex environments. The property change of conductive adhesives in complex environment is studied from the aspects of morphology and conductive property. Through designed experiments, various complex environments are implemented and simulated. The results show that the micro-morphological appearance of conductive adhesives under temperature impulsion and random vibration conditions has hardly changed, whereas, the curing pressure, power up and water vapor environment have the signiﬁ cant effects on the conductive property of conductive adhesives. It is supposed to provide corresponding suggestions for the use of conductive adhesives.Keywords: complex environment; conductive adhesive; curing; power up Document Code: A Article ID: 1001-3474 (2021) 02-0063-04复杂环境下导电胶的性能变化影响分析Analysis on the Influence of Property Change of Conductive Adhesives inComplex Environment方楚，金家富，潘旷FANG Chu, JIN Jiafu, PAN Kuang（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽　合肥　２３００３１）( The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230031, China )欧美国家早于上世纪60年代末期开始研究导电胶，导电胶问世于1966年，70年代中期开始工业化应用。

倒装芯片各向异性导电胶互连的剪切结合强度

第25卷第3期半　导　体　学　报V o l.25,N o .3　2004年3月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR SM ar .,20043国家高技术研究发展计划资助项目(合同号:2002AA 404110,2001AA 421290)　吴丰顺　男,1965年出生,副教授,目前从事倒装芯片技术及BGA ,CSP ,A CF 可靠性研究.　吴懿平　男,1957年出生,教授,博士生导师,主要研究领域包括电子封装和电子材料.　2003206210收到,2003209216定稿○c 2004中国电子学会倒装芯片各向异性导电胶互连的剪切结合强度3吴丰顺　吴懿平　邬博义　陈　力(华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室,武汉　430074)摘要:采用冲击试验方法研究了各向异性导电胶膜(A CF )互连的玻璃和柔性基板上倒装芯片(CO G 和CO F )的剪切结合强度.结果表明:CO F 比CO G 的剪切强度高.A CF 的固化程度达85%时有最大的结合强度.键合温度、导电颗粒状态、缺陷等因素对A CF 互连的结合强度有较大影响,而键合压力的影响不大.关键词:各向异性导电胶膜;剪切强度;玻璃上倒装芯片;柔性基板上倒装芯片EEACC :2550F ;0170J ;0170N ;2530中图分类号:TN 405197;TN 406 文献标识码:A 文章编号:025324177(2004)03203402061　引言面阵列结构的倒装芯片(fli p ch i p )由于具有高的I O 和其他一系列的特点,已经成为芯片封装的主流技术.利用各向异性导电胶来完成基板与倒装芯片之间的互连技术也迅速发展起来,并在液晶显示驱动器、掌上电脑显示驱动电路、移动电子产品以及板上芯片等高密度I C 封装中得到应用[1].各向异性导电胶(an iso trop ic conductive adhesive ,A CA )有胶状和薄膜状两种,通常将薄膜状的A CA 称为各向异性导电胶膜,即A CF (an iso trop ic conductive fil m ).A CF 是在聚合物基体(如环氧基的胶)中掺入一定量的导电粒子而形成的薄膜,导电粒子一般为在表面镀有N i A u 涂层的球形树脂微颗粒.在倒装芯片和基板之间放置一层A CF ,加热、加压,完成A CF 互连过程.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A CF 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.采用A CF 的倒装芯片互连具有环境好、工艺温度低、适合细间距应用以及节约封装工序等特点.但是这种互连存在电接触不稳定和抗机械冲击性能差两大局限,制约着其更广泛的应用.迄今为止,已有许多有关导电胶的接触电阻飘移研究的报道[2～4],而关于A CF 抗冲击性能的研究工作则报道不多.本文主要研究采用A CF 互连的玻璃基板上的倒装芯片(fli p ch i p on glass ,CO G )和柔性基板上的倒装芯片(fli p ch i p on flex ,CO F )的动态剪切性能,进而讨论工艺条件对其剪切强度的影响.2　实验2.1　芯片、基板和ACF 材料实验用的倒装芯片结构如图1所示.芯片尺寸为3mm ×1015mm ,共66个凸点分布在四周,每5个凸点为一组,每组内部有3个进行菊花链连接,两边共有12组,匹配基片的图案,可对互连的接触电阻等进行四探针实时测量.每个凸点的尺寸为50Λm ×50Λm ,凸点高18Λm ,材料为N i ,表面镀A u .实验用的基板有两种:一种为柔性基板,一种为刚性基板.柔性基板厚45Λm (基底聚酰亚胺22Λm +电镀Cu 箔12Λm +阻焊层11Λm ),基板上对应分布着表面镀A u 的Cu 焊盘,焊盘宽40Λm .刚性玻璃基板厚111mm ,没有凸点,但是有溅射沉积的铟锡氧化物(ITO )导线以及与芯片凸点图案对应的焊盘,其厚度约为110Λm .采用两种商业A CF 进行互连,A CF 性能参数见表1.图1　实验用倒装芯片凸点结构F ig .1　Schem atic diagram of bump 2group s on a fli p ch i p表1　两种A CF 以及互连参数T ab le 1　Tw o types of A CF and in terconnect param eters参数A CF 1用于柔性基板A CF 2用于玻璃基板A CF 原始厚度 Λm3035±5导电颗粒镀A u 涂层球形颗粒镀N i A u 涂层球形颗粒导电颗粒直径 Λm 3.53.5预键合温度 ℃9090预键合时间 s 33预键合压力 M Pa 11键合温度范围 ℃150～230150～230键合时间 s 1010键合的总压力 M Pa30～11030～1102.2　互连工艺过程互连工艺步骤包括A CF 与基片的预键合和倒装芯片精确对位键合两个主要步骤.(1)预键合:将A CF 剪成适合于芯片互连面积的尺寸铺盖在基板互连区,放在倒装芯片键合机(bonder )的工作台上,精确设定预键合的工艺参数,采用表1给出的较低的预键合温度和压力,持续时间为3s .(2)键合:剥除A CF 表面的隔离层,在对位精度为011Λm 的全自动键合机上自动完成倒装芯片凸点与基板上的焊盘精确对位,然后施加较高的设定压力和设定温度进行键合,持续时间为10s ,期间A CF 中部分导电粒子受压变形,实现上下凸点间的良好电接触,同时整个胶膜基体发生热固化,形成牢固的机械和电的互连.其中键合温度分别选用150,170,190,210和230℃,键合压力分别选用30,50,70和90.2.3　互连剪切强度实验设计了一种气动剪切加载装置,如图2所示.将上述工序获得的不同工艺参数的CO F 或CO G 试样分别用502胶粘固在刚性附件上.用电磁阀控制气缸活塞的运动.当活塞杆迅速缩回时,给予互连界面一个快速的冲击剪切力,冲击平均速度约为012m s ,芯片与基板之间的A CF 受剪切力的作用力而分开;其冲击力与时间的关系通过计算机实时记录下来,如图3所示.图2　A CF 倒装芯片互连冲击试验示意图F ig .2　Schem atic diagram of dynam ic i m pact testing图3　动态力与时间的关系F ig .3　D ynam ic fo rce versu s ti m e为了分析A CF 在不同键合温度下的热固化程度,将多个A CF 试样分别放在0,150,170,190和210℃下持续10s ,以模仿键合过程中的固化,采用傅里叶变换红外光谱(FT I R )对A CF 的环氧基团、C 2N 以及不饱和C 2H 基团的吸附进行分析.3　结果与讨论3.1　键合温度对结合强度的影响图4是在键合压力为60M Pa 条件下,冲击载荷随键合温度的变化曲线.可以看到,在键合温度约为190℃以前,冲击载荷随温度的增加而显著增加;但在190℃以后,冲击载荷却随温度的增加而下降.143　3期吴丰顺等:　倒装芯片各向异性导电胶互连的剪切结合强度CO G 和CO F 的冲击载荷随键合温度的变化很相似,表明键合温度对结合强度有着重要的影响.在键合过程中,温度的作用是使得A CF 开始发生流动,继而快速反应而固化.图4　冲击载荷随键合温度的变化F ig .4　I mpact load versu s bonding temperatu re由于吸附是胶粘合强度的一个主要机制[5],要获得吸附效果,必须保证A CF 与芯片以及基板之间有密切的分子接触,以形成范德华力、氢键以及其他的分子间近距作用力.因此,A CF 对芯片以及基板的润湿是获得较好吸附的关键.而键合温度的提高降低了A CF 的表面能,促进了A CF 的润湿和流动,因此对吸附非常有利,从而提高了互连的结合强度.同时,A CF 的固化程度对互连的机械可靠性也有一定的影响.对于A CF 倒装芯片互连,要求A CF 有适当的固化,使之具备一定的胶合能力,以提供一定的机械强度和耐久性.图5是对不同温度固化后的A CF 中环氧基团进行FT I R 测试的结果.可以看到随固化温度的增加,环氧基团峰值下降,表明在环氧基的A CF 的键合过程中,较高的键合温度能提供较高的反应能量,会很快地触发并加速交联反应,使得A CF 的固化程度增加.图6是在不同温度下固化时间为10s 的固化程度曲线.可以看到在210℃时固化程度接近85%,而在230℃时就可达97%.一般说来,在一定范围内,固化程度越高,结合强度越大.但是键合温度太高,A CF 将发生过度固化,使A CF 材料以及互连结构的性能有所衰退,从而降低A CF 互连的结合强度.其原因可归结为:(1)A CF 聚合物基体是一种热固性树脂,在太高温度下的固化过程中,高分子链的交联快速生长,使得交联内部的化学键很快达到最大值,最终发生断裂,这种断裂破坏了A CF 的物理完整性.文献[6]就讨论过由此图5　对环氧基团进行FT I R 的测试结果F ig .5　T est resu lt of epoxy by FT IR图6　不同温度下10s 后的固化程度F ig .6　Cu ring degree under differen t temperatu re (10s )而导致的A CF 破裂以及结块现象.(2)键合温度太高,聚合物基体中会发生各种复杂的反应,例如热氧化和脱水反应等,导致交联网络的分子断链.图7是对不同温度固化后的A CF 中不饱和C 2H 进行FT I R 的结果,可以看到随固化温度的增加,不饱和C 2H 基团峰值上升,表明固化过程中发生了脱水反图7　不同温度固化后不饱和C 2H 基团的FT I R 测试结果F ig .7　T est resu lt of differen t cu ring temperatu re of C 2H by FT I R应.另外,复杂反应产生的一些小分子物质会很快挥发,使得A CF 材料成为疏松多孔的结构.(3)太高的键合温度以及剧烈的加热冷却变化会在聚合物中产生热应力,尤其是在颗粒核芯涂层、涂层聚合243半　导　体　学　报25卷　物、聚合物芯片与基板等的界面处,这些热应力也会使得界面的机械性能下降,容易发生A CF 的局部破坏.图8就是A CF 固化过热导致脆弱部分破裂的情形.(4)过度的固化会伤害A CF 材料的阻尼性能.在固化过程中,由于分子交联网络的建立以及大分子量结构的形成,降低了A CF 的粘弹性,从而降低了聚合物吸收机械冲击性能并将其通过分子间的摩擦或者断链的方式转变为热能的能力.一般地说,导电胶的抗冲击性能可从材料改进的角度来提高[5],要求具备较低的杨氏模量E 和较高的损失因子tan ∆.损失因子tan ∆定义为损失模量(E ″)与存储模量(E ′)之比.当过度固化时,E ,E ′以及A CF 的玻璃转变温度T g 在测试条件下都会稍有上升[7],于是A CF 的抗冲击性能下降.图8　过度固化导致A CF 局部脆弱而破裂F ig .8　F ractu re su rface of a w eak part of overheat 2ed A CF3.2　键合压力对结合强度的影响图9是在键合温度为190℃条件下,冲击载荷随键合压力的变化曲线.可以看到,无论是CO G ,还是CO F ,随键合压力的增加载荷都没有多大的变化,表明键合压力对A CF 互连的结合强度没有多大影响.这是因为压力主要通过影响胶层的厚度来影响结合强度,而A CF 本身的厚度只有30～40Λm ,其在压力作用下的变薄可以忽略,因而压力对结合强度的影响并不明显.但是,对于A CF 的倒装芯片互连,必须提供适当的压力,以获得足够的互连结合强度和稳定的导电性能.但是,如果压力太大,会造成导电粒子的严重变形和开裂,影响互连接触电阻,如图10所示.这样就会在键合压力撤除、固化结束后,粒子的周围留下较大的残余机械应力,可能会导致聚合物与粒子接触处形成裂纹和发生界面分离.另外,压力太大也可能导致凸点发生严重变形和表面发生破坏,使得凸点与凸点之间的间隙变小,进而使得相邻凸点之间出现“桥连”.图9　冲击载荷随键合压力的变化图F ig .9　A dhesi on strength versu s bonding p ressure图10　键合压力过大导致的粒子严重变形和开裂F ig .10　Seri ou s defo rm ati on and crack of the parti 2cles under h igher bonding p ressu re3.3　导电颗粒对结合强度的影响导电颗粒的行为也是影响结合强度的一个关键因素.一般来说,导电颗粒在A CF 中占5%～15%的体积比例.颗粒一般是直径为3～5Λm 的球形颗粒,颗粒结构为树脂聚合物的核芯外面涂覆N i A u 金属涂层.这些颗粒的存在会显著改变整体材料的电学、热学以及机械性能.例如,会减小热膨胀系数、增加弹性模量、增加脆性以及玻璃化转变温度[8].从结构的观点来看,自由分布的导电颗粒使得整个材料的结构不均匀,也不对称.在颗粒密度高的部分,这些颗粒的作用就像密集分布的孔洞,从而降低材料的抗冲击能力.所以,A CF 互连的结合强度受材料整体物性以及结构改变的影响.图11是芯片侧的断口,可以看到凸点与聚合物之间存在较大间隙.这可能由很多原因造成:第一,在键合过程中,当施加键合压力时,凸点之间的导电颗粒发生变形而呈椭圆状,当键合压力去除且聚合物固化时,导电颗粒发生弹性回复,在颗粒与固化的聚合物之间留下间隙.第二,由于颗粒核芯、金属涂层、聚合物之间的热膨343　3期吴丰顺等:　倒装芯片各向异性导电胶互连的剪切结合强度胀系数的失配,在固化过程中会发生不一致的膨胀和收缩,在颗粒核芯与金属涂层之间以及金属涂层与聚合物之间形成间隙,键合温度越高,间隙会越大.第三,聚合物与颗粒表面金属之间的粘合相容性较差,在材料受到机械作用力的时候,很容易发生相界分离.图11　导电颗粒与A CF 基体之间的间隙F ig .11　Gap betw een particles and po lym er3.4　气泡对结合强度的影响互连中形成的气泡也会降低A CF 的结合强度.图12为在互连过程中,聚合物流动不充分、缺胶、间隙等造成的气泡示意图.在预键合时,A CF 覆盖在基板上,在凸点的边角处以及胶与基板界面会留下很多空气间隙,在键合过程中,A CF变成液态并迅图12　气泡形成示意图F ig .12　Schem atic diagram of bubb le fo rm ati on速固化变硬,使得部分气泡来不及逸出,而留在互连结构中.而且气泡多存在于A CF 基板界面处,这一现象的原因还有待进一步研究.初步看来,可能是由于键合过程中热源作用在芯片上,A CF 靠近芯片侧的部分温度较高,先变成液态而能较好地润湿芯片;A CF 靠近基板侧的部分的流动和润湿相对滞后,因此在A CF 基板界面会留下许多气泡.这种缺陷不但会减少接触面积,而且有助于裂纹的萌生和传播,导致互连结构在较低的外力作用下会发生开裂.因此,保证紧密的接触和致密的胶合是A CF 互连具备较高结合强度的一个关键.4　结论(1)无论是CO G 还是CO F ,A CF 互连的倒装芯片剪切强度随键合温度的增加是一个先上升而后下降的变化趋势.适当的键合温度会促进A CF 与芯片以及基板之间的润湿以及A CF 适度的固化,使得互连的结合强度呈上升趋势;而太高的键合温度会导致A CF 的老化以及互连界面的退化,使得互连的结合强度下降.(2)键合压力对CO G 和CO F 互连的结合强度影响都不大,但是键合过程中仍需采用一定的键合压力,以维持稳定的电接触;过度的压力会导致导电颗粒以及凸点的严重变形.(3)导电颗粒以及气泡不但改变了A CF 基体的材料性能和整体结构,而且在键合和受载荷过程中产生不利的影响,因此使得互连的结合强度降低.参考文献[1]　L iu Johan .Conductive adhesives fo r eletronics packaging .E lectrochem ical Publicati ons L TD ,Po rt E rin ,Isle of M an ,B ritish Isles,1999[2]　D udek R ,Berek H ,F ritsch T ,et al .R eliability investigati onson conductive adhesive j o ints w ith emphasis on the m echanics of the conducti on m echanis m .IEEE T rans CPM T 2A ,2000,23(3):462[3]　L iu J ,Gustafsson K ,L ai Z ,et al .Surface characteristics ,relia 2bility and failure m echanis m s of tin ,copper and go ld m etal 2lizati ons .IEEE T rans CPM T 2A ,1997,20(1):21[4]　Perichaud M G ,D eletage J Y ,F remont H ,et al .R eliability e 2valuati on of adhesive bonded S M T components in industrial app licati ons .M icroelectronics R eliability ,2000,40:1227[5]　V ona S A ,Tong Q K .Surface mount conductive adhesivesw ith superi o r i m pact resistance .P roc 4th A dvanced Packag 2ing M 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aniso trop ic conductive adhesive .P roc 5th H igh D ensity Packaging and Component Failure A nalysis in E lectronics M anufacturing Conf ,2002:111Shear Strength of Fl ip Ch ip Packag i ng Bonded w ithAn isotrop ic Conductive F il m3W u Fengshun ,W u Y i p ing ,W u Boyi and Chen L i(S tate K ey L aboratory of P lastic F or m ing S i m u lation &D ie T echnology ,H uaz hong U niversity of S cience and T echnology ,W uhan 430074,Ch ina )Abstract :T he shear strength of CO G and CO F bonded w ith A CF is studied by i m pact test .T he resu lts show that the shear strength of CO F is h igher than that of CO G .T here is the m ax i m um dynam ic shear strength w hen the cu ring degree of A CF is abou t 85%.T he dynam ic strength of A CF is influenced strongly by the facto rs of bonding temperatu re ,particle shapes ,and defects ,bu t sligh tly by the bonding p ressu re .Key words :an iso trop ic conductive fil m ;shear strength ;fli p ch i p on glass ;fli p ch i p on flex EEACC :2550F ;0170J ;0170N ;2530Article I D :025324177(2004)03203402063P ro ject suppo rted by N ati onal H igh T echno logy R esearch and D evelopm ent P rogram of Ch ina (N o s .2002AA 404110,2001AA 421290)　W u Fengshun m ale ,w as bo rn in 1965,associate p rofesso r .H e is engaged in the research on fli p ch i p techno logy ,the reliability of BGA ,CSPand A CF .　W u Yi p ing m ale ,w as bo rn in 1957,p rofesso r .H e is engaged in the research on electronic packaging and electonic m aterials .　R eceived 10June 2003,revised m anuscri p t received 16Sep tem ber 2003○c 2004T he Ch inese Institute of E lectronics 543　3期吴丰顺等:　倒装芯片各向异性导电胶互连的剪切结合强度。

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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.
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
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
1 40
电子工艺技术
第 25 卷第 4 期
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。
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
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
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,
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 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
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。
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.
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。
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
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
第 25 卷第 4 期
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
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。
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)
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。