微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
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导电粒子对导电胶膜的电阻率起着决定性作 用 , 影响导电胶膜导电性的因素有 : 导电粒子的种 类 、粒径 、形状和用量等 。在导电粒子表面积和形状
相近的条件下 ,导电粒子本身的电阻率越低 ,导电胶 膜的导电性就越好 ; 粒径大的导电粒子导电性优于 粒径小的导电粒子 , 但同时也会带来连接强度的降 低 ; 不定形 (片状或纤维状) 的导电粒子导电性能和 连接强度优于球形的 ;对形状的要求 ,一般认为导电 粒子为树枝状最好 ,而球状则最差 ,因为树枝状的粒 子面接触多 ,形成导电通道的概率大 ,而球状粒子之 间是点接触 ,形成导电通道的概率要小得多 。各向异 性导电胶膜中导电粒子的体积分数占 5 %～10 % , 导 电粒子的含量对其玻璃化转化温度 , 贮藏模量和损 失模量都有一定的影响 [12 ] , 在不影响导电胶膜粘度 和粘结强度的情况下 ,应尽量增加导电粒子的数量 , 也可以适当增加非导电粒子的含量来改变导电胶膜 的物理性质 。张洪波等 [13 ]以环氧树脂为原料 , 铜为 导电粒子 , 制备了各向异性导电胶 。此种导电胶具 有优良的稳定性 , 使用寿命长 , 容易保存 。沈志刚 等 [14 ]采用磁控溅射方法 , 在微颗粒表面沉积了金属 铜膜和镍膜 ,结果表明 ,采用该方法可以在微颗粒表 面镀上均匀性好 , 附着力强和致密性好的金属膜 。 为提高铜导电胶中铜的抗氧化性 , Silvia Lio ng [15 ] 在铜粉表面利用电化学的方法镀少量其他的金属如 Zn ,在铜粉氧化时 Zn 可为其提供电子 ,从而达到保 护铜的目的 。利用纳米颗粒粒径小 ,表面能高 ,表面 接触机会大 ,易形成导电通道 ,可以大大降低金属填 充量 。Majima Masato shi 等 [16 ]在导电填料添加量相 同的条件下 , 研究了不同粒径的颗粒对导电胶电阻 率的影响 ,结果表明 ,以纳米镍为导电填料的导电胶 的电阻率显著降低 , 存在的问题是纳米颗粒表面活 性高 ,电性能稳定性难以保证 。Genet ti WB 等 [17 ]研 究在金属镍颗粒表面包覆本征导电聚合物聚吡咯 ( PPy) 制备导电胶 。结果表明 , 表面包覆 PPy 的镍 导电胶的电阻率反而低于镍导电胶 , 其主要原因是 PPy 使导电颗粒之间接触得更好 。导电粒子的种类 及其特点见表 1 。
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3 各向异性导电胶膜的导电机理 导电胶膜的导电作用通常被认为是通过 3 种
形式实现的 : ①导电通道学说 : 通过导电填料间的 直接接触产生传导 ; ②隧道效应学说 : 通过导体之 间的电子跃迁 ,即隧道效应 ,产生传导 [5 - 8 ]; ③电场发 射学说 : 导电粒子之间的高强电场 , 产生发射电流 而导电 。
表 1 导电粒子的种类及其特点
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
绝缘材料 2009 ,42 (5)
目前的研究主要集中在对其基本性能 (如粘结 强度 ,耐环境性) 和特殊性能 (如低吸湿性 ,低应力) 的提高 。研究导电粒子的组成和结构 , 粘结剂的组 成 , 固化工艺等对各向异性导电胶膜性能的影响等 方面 。综合起来主要表现在 [27 - 28 ] : ①新体系的开 发 。现在使用的导电胶膜大部分都是环氧树脂体 系 , 环氧树脂存在固化温度高 、吸湿性强等缺点 , 粘 接强度相对 Pb/ Sn 体系偏低 ,还不能完全满足电子 工业的要求 , 因此新体系的开发 , 特别是自由基聚 合树脂型各向异性导电胶膜的研究必将使其在电 子工业上得到更广泛应用 。Silvia Lio ng 研究中提 到利用多环结构聚醚可以得到很好的导电性能和 抗老化性 [29 ]。②固化技术的研究 。低温甚至室温连 接是未来连接材料的发展趋势 , 目前固化技术主要 是热固化 , 固化温度一般在 130～150 ℃, 固化时间 30 min 以上 , 限制了其在高分子基板 、液晶显示和 电致发光技术上的应用 。紫外光固化是近年来兴起
导电胶膜的另一个技术问题是相对较低的粘 结强度 , 在节距小的连接中 , 粘结强度直接影响元 件的抗冲击性能 。M A U ddin 等 [26 ]研究发现 ,用等 离子体清洁导电胶膜的待粘表面可以大大增加粘 接强度 。另外 ,在树脂体系中加入偶联剂 ,增加接触 表面的粗糙程度也被认为是可行的方法 。 5. 2 研究发展方向
图 1 各向异性导电胶膜的组成示意图
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
绝缘材料 2009 ,42 (5)
陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
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陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
绝缘材料 2009 源自文库42 (5)
微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
陈 莹 1 , 余凤斌 1 , 田民波 2
( 1. 山东天诺光电材料有限公司 , 济南 250300 ; 2. 清华大学 材料科学与工程系 , 北京 100084)
摘要 : 综述了各向异性导电胶膜的结构 、导电机理 、性能指标及其研究进展 , 提出了各向异性导电胶膜存在的 技术问题及发展方向 ,为进一步研究开发性价比更高的微电子互连用各向异性导电胶膜提供技术参考 。 关键词 :各向异性导电胶膜 ;电子封装 ;性能 ;研究进展 中图分类号 : TM24 文献标志码 :A 文章编号 :1009 - 9239 ( 2009) 05 - 0034 - 04
性和抗疲劳性 ,可与不同的基板连接 ; ④互连工艺简 单 ,工艺步骤少 ,可提高工业生产能力和降低生产成 本 ; ⑤不含铅以及其它有毒金属 , 互连过程无需清 洗 ,消除了环境污染 ; ⑥电路连接的同时起到填充材 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 。
2 各向异性导电胶膜的组成 各向异性导电胶膜是由导电粒子 、胶粘剂 、添加
M Sun 、A Shadowiz 等 [10 ]人通过建立数学模 型对导电胶的导电性能进行了模拟 , 研究了压力 、 温度等条件的影响 , 并对导电胶在芯片倒装连接和 B GA 技术中的表现进行了预测 。
4 各向异性导电胶膜的主要特性 导电胶膜的电性能是其主要性能指标 , 国际制
造科学中心 (N CM S) 制定的商用表面安装导电胶 膜的技术要求为导电胶膜电阻率不超过 1 ×10 - 3 Ω ·cm ,在 500 h ,85 ℃,R H85 %条件下接触电阻的 变化率不超过 20 % , 即导电胶膜在使用过程中除要 求电阻率达到一定的指标外 , 还要求具有良好的电 性能稳定性 [11 ]。
剂组成的 , 具有导电性 、粘结性和绝缘性的电子 、电 气各向异性高分子薄膜 (如图 1 所示) 。其中导电粒 子赋予各向异性导电胶膜以导电性能 , 胶粘剂赋予 各向异性导电胶膜以连接性能 (粘结性和绝缘性) 。
收稿日期 : 2009 - 04 - 23 基金项 目 : 火 炬 计 划 (2008 GH031242) , 济 南 市 科 技 攻 关 项 目 ( 065012) 作者简介 : 陈莹 (1981 - ) ,女 ,山东济南人 ,助理工程师 ,主要从事功 能薄膜材料的研究 , (电子信箱) fice1125 @yahoo . co m . cn 。
The Recent Devel opment of An isotropic Con duct ive Adhesive Fil ms f or Microelectron ic Pac kaging
CH EN Yi n g 1 , YU Fe n g- bi n 1 , TIAN Mi n- bo 2 ( 1. S han don g Ti an n uo Phot oelect ric M ateri al Co. L t d , J i nan 250300 , Chi na ; 2. Depart m ent of M ateri als S cience an d Engi neeri ng , Tsi ngh ua U i versi t y , B ei j i ng 10084 , Chi na) Abstract : Wi t h t he de vel op me nt of mic r oel ect r onic p ac ka gi ng t ec h nol ogi es , a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il ms a r e wi del y us e d as one ki nd of l e a d-f r e e i nt e r con nect mat e rials i n t he el ect r onic p roducts . This pape r int roduced t he cons t r uction , elect rical conduction mechanis m , pe rf or mance i nde x a nd t he r ece nt de vel op me nt of a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il ms , w hic h ca n help de vel op new conductive adhesive films us ed as microelect ronic int e rconnection mat e rials wit h excelle nt perf or mance p rice ratio. Key words :a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il m ; el ect r onic p ac ka gi ng ; p r op e r t y ; r es e a r c h p r og r es s
5 各向异性导电胶膜存在的技术问题及研究方向 5. 1 存在的技术问题
目前 , Pb/ Sn 焊料仍在电子表面封装技术中大 量应用 , 导电胶膜虽具有许多优点 , 但因其自身存 在的亟待解决的问题 ,仍然不能完全取代 Pb/ Sn 焊 料 。导电胶膜主要存在以下问题 : ①电导率低 ,对于 一般的元器件 , 大多导电胶膜均可接受 , 但对于功 率器件 , 则不一定 ; [18 - 19 ] ②耐冲击性差 [20 ] , 长期机 械强度和电稳定性差 [20 - 24 ]; ③粘接效果受元器件类 型 、PCB (印刷线路板) 类型影响较大 ; ④固化时间 长 。由基体树脂和金属导电粒子组成的导电胶膜 , 其电导率低于 Pb/ Sn 焊料 , 为了解决这一问题 , 国 内外的科研工作者做了以下的努力 : 提高导电颗粒 之间的接触紧密度 ; 增加金属颗粒的填充量 ; 用醛 类去除金属填充物表面的金属氧化物 ; 采用纳米级 的填充粒子等 。Daoqiang L u [25 ]在研究中发现只有 当胶体固化时导电颗粒实现紧密接触才能形成导 电通道 。
导电通道学说主要用来解释电阻率与填料浓 度的关系 , 它并不涉及导电的本质 , 只是从宏观上 解释导电胶膜的导电现象 ; 隧道效应理论是应用量 子力学来研究导电胶膜与导电粒子间隙的关系 , 它 与导电填料的浓度及导电胶膜使用温度有直接的 关系 ; 而电场发射理论只是隧道效应导电机理中一 种比较特殊的情况 [9 ]。对于各向异性导电胶膜 ,除了 以上 3 种导电机理外还有以下因素影响其导电性 : ①使导电粒子均匀分散 , 加压固化 ; ②使导电粒子 在磁力线作用下偏移 ; ③加入比导电粒子粒径小的 绝缘粒子 ; ④使用弹性导电粒子并加压固化 。
1前言 随着电子产品向小型化 、便携化方向发展 , 器
件集成度的不断提高 ,传统的 Pb/ Sn 焊料存在一系 列材料及工艺问题 , 已经不能满足工艺要求 , 迫切 需要开发新型连接材料 。目前 , 各国都在抓紧研究 Pb/ Sn合金焊料的替代品 ,在微电子组装领域 , 导 电胶膜将逐渐代替传统的 Pb / Sn 焊料 。与传统的 Pb/ Sn 焊料相比 ,导电胶膜主要存在如下优点 [1 - 4 ]: ①导电胶膜线分辨率高 , 适用于更精细的引线间距 和高密度 I/ O 组装 , 自身密度小 , 相同应用条件下 需要量少 (约为其它类型微电子互连材料的一半) , 符合微电子产品微型化 、薄型化和轻量化的发展要 求 ; ②可低温连接 , 能减小互连过程中的疲劳损伤 和应力开裂失效问题 , 因而特别适合于热敏感元器 件的互连和非可焊性表面的互连 ; ③具有较高的柔
相近的条件下 ,导电粒子本身的电阻率越低 ,导电胶 膜的导电性就越好 ; 粒径大的导电粒子导电性优于 粒径小的导电粒子 , 但同时也会带来连接强度的降 低 ; 不定形 (片状或纤维状) 的导电粒子导电性能和 连接强度优于球形的 ;对形状的要求 ,一般认为导电 粒子为树枝状最好 ,而球状则最差 ,因为树枝状的粒 子面接触多 ,形成导电通道的概率大 ,而球状粒子之 间是点接触 ,形成导电通道的概率要小得多 。各向异 性导电胶膜中导电粒子的体积分数占 5 %～10 % , 导 电粒子的含量对其玻璃化转化温度 , 贮藏模量和损 失模量都有一定的影响 [12 ] , 在不影响导电胶膜粘度 和粘结强度的情况下 ,应尽量增加导电粒子的数量 , 也可以适当增加非导电粒子的含量来改变导电胶膜 的物理性质 。张洪波等 [13 ]以环氧树脂为原料 , 铜为 导电粒子 , 制备了各向异性导电胶 。此种导电胶具 有优良的稳定性 , 使用寿命长 , 容易保存 。沈志刚 等 [14 ]采用磁控溅射方法 , 在微颗粒表面沉积了金属 铜膜和镍膜 ,结果表明 ,采用该方法可以在微颗粒表 面镀上均匀性好 , 附着力强和致密性好的金属膜 。 为提高铜导电胶中铜的抗氧化性 , Silvia Lio ng [15 ] 在铜粉表面利用电化学的方法镀少量其他的金属如 Zn ,在铜粉氧化时 Zn 可为其提供电子 ,从而达到保 护铜的目的 。利用纳米颗粒粒径小 ,表面能高 ,表面 接触机会大 ,易形成导电通道 ,可以大大降低金属填 充量 。Majima Masato shi 等 [16 ]在导电填料添加量相 同的条件下 , 研究了不同粒径的颗粒对导电胶电阻 率的影响 ,结果表明 ,以纳米镍为导电填料的导电胶 的电阻率显著降低 , 存在的问题是纳米颗粒表面活 性高 ,电性能稳定性难以保证 。Genet ti WB 等 [17 ]研 究在金属镍颗粒表面包覆本征导电聚合物聚吡咯 ( PPy) 制备导电胶 。结果表明 , 表面包覆 PPy 的镍 导电胶的电阻率反而低于镍导电胶 , 其主要原因是 PPy 使导电颗粒之间接触得更好 。导电粒子的种类 及其特点见表 1 。
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3 各向异性导电胶膜的导电机理 导电胶膜的导电作用通常被认为是通过 3 种
形式实现的 : ①导电通道学说 : 通过导电填料间的 直接接触产生传导 ; ②隧道效应学说 : 通过导体之 间的电子跃迁 ,即隧道效应 ,产生传导 [5 - 8 ]; ③电场发 射学说 : 导电粒子之间的高强电场 , 产生发射电流 而导电 。
表 1 导电粒子的种类及其特点
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陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
绝缘材料 2009 ,42 (5)
目前的研究主要集中在对其基本性能 (如粘结 强度 ,耐环境性) 和特殊性能 (如低吸湿性 ,低应力) 的提高 。研究导电粒子的组成和结构 , 粘结剂的组 成 , 固化工艺等对各向异性导电胶膜性能的影响等 方面 。综合起来主要表现在 [27 - 28 ] : ①新体系的开 发 。现在使用的导电胶膜大部分都是环氧树脂体 系 , 环氧树脂存在固化温度高 、吸湿性强等缺点 , 粘 接强度相对 Pb/ Sn 体系偏低 ,还不能完全满足电子 工业的要求 , 因此新体系的开发 , 特别是自由基聚 合树脂型各向异性导电胶膜的研究必将使其在电 子工业上得到更广泛应用 。Silvia Lio ng 研究中提 到利用多环结构聚醚可以得到很好的导电性能和 抗老化性 [29 ]。②固化技术的研究 。低温甚至室温连 接是未来连接材料的发展趋势 , 目前固化技术主要 是热固化 , 固化温度一般在 130～150 ℃, 固化时间 30 min 以上 , 限制了其在高分子基板 、液晶显示和 电致发光技术上的应用 。紫外光固化是近年来兴起
导电胶膜的另一个技术问题是相对较低的粘 结强度 , 在节距小的连接中 , 粘结强度直接影响元 件的抗冲击性能 。M A U ddin 等 [26 ]研究发现 ,用等 离子体清洁导电胶膜的待粘表面可以大大增加粘 接强度 。另外 ,在树脂体系中加入偶联剂 ,增加接触 表面的粗糙程度也被认为是可行的方法 。 5. 2 研究发展方向
图 1 各向异性导电胶膜的组成示意图
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
绝缘材料 2009 ,42 (5)
陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
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陈 莹等 : 微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
绝缘材料 2009 源自文库42 (5)
微电子封装用各向异性导电胶膜的研究进展
陈 莹 1 , 余凤斌 1 , 田民波 2
( 1. 山东天诺光电材料有限公司 , 济南 250300 ; 2. 清华大学 材料科学与工程系 , 北京 100084)
摘要 : 综述了各向异性导电胶膜的结构 、导电机理 、性能指标及其研究进展 , 提出了各向异性导电胶膜存在的 技术问题及发展方向 ,为进一步研究开发性价比更高的微电子互连用各向异性导电胶膜提供技术参考 。 关键词 :各向异性导电胶膜 ;电子封装 ;性能 ;研究进展 中图分类号 : TM24 文献标志码 :A 文章编号 :1009 - 9239 ( 2009) 05 - 0034 - 04
性和抗疲劳性 ,可与不同的基板连接 ; ④互连工艺简 单 ,工艺步骤少 ,可提高工业生产能力和降低生产成 本 ; ⑤不含铅以及其它有毒金属 , 互连过程无需清 洗 ,消除了环境污染 ; ⑥电路连接的同时起到填充材 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 。
2 各向异性导电胶膜的组成 各向异性导电胶膜是由导电粒子 、胶粘剂 、添加
M Sun 、A Shadowiz 等 [10 ]人通过建立数学模 型对导电胶的导电性能进行了模拟 , 研究了压力 、 温度等条件的影响 , 并对导电胶在芯片倒装连接和 B GA 技术中的表现进行了预测 。
4 各向异性导电胶膜的主要特性 导电胶膜的电性能是其主要性能指标 , 国际制
造科学中心 (N CM S) 制定的商用表面安装导电胶 膜的技术要求为导电胶膜电阻率不超过 1 ×10 - 3 Ω ·cm ,在 500 h ,85 ℃,R H85 %条件下接触电阻的 变化率不超过 20 % , 即导电胶膜在使用过程中除要 求电阻率达到一定的指标外 , 还要求具有良好的电 性能稳定性 [11 ]。
剂组成的 , 具有导电性 、粘结性和绝缘性的电子 、电 气各向异性高分子薄膜 (如图 1 所示) 。其中导电粒 子赋予各向异性导电胶膜以导电性能 , 胶粘剂赋予 各向异性导电胶膜以连接性能 (粘结性和绝缘性) 。
收稿日期 : 2009 - 04 - 23 基金项 目 : 火 炬 计 划 (2008 GH031242) , 济 南 市 科 技 攻 关 项 目 ( 065012) 作者简介 : 陈莹 (1981 - ) ,女 ,山东济南人 ,助理工程师 ,主要从事功 能薄膜材料的研究 , (电子信箱) fice1125 @yahoo . co m . cn 。
The Recent Devel opment of An isotropic Con duct ive Adhesive Fil ms f or Microelectron ic Pac kaging
CH EN Yi n g 1 , YU Fe n g- bi n 1 , TIAN Mi n- bo 2 ( 1. S han don g Ti an n uo Phot oelect ric M ateri al Co. L t d , J i nan 250300 , Chi na ; 2. Depart m ent of M ateri als S cience an d Engi neeri ng , Tsi ngh ua U i versi t y , B ei j i ng 10084 , Chi na) Abstract : Wi t h t he de vel op me nt of mic r oel ect r onic p ac ka gi ng t ec h nol ogi es , a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il ms a r e wi del y us e d as one ki nd of l e a d-f r e e i nt e r con nect mat e rials i n t he el ect r onic p roducts . This pape r int roduced t he cons t r uction , elect rical conduction mechanis m , pe rf or mance i nde x a nd t he r ece nt de vel op me nt of a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il ms , w hic h ca n help de vel op new conductive adhesive films us ed as microelect ronic int e rconnection mat e rials wit h excelle nt perf or mance p rice ratio. Key words :a nis ot r opic conduct i ve a dhesi ve f il m ; el ect r onic p ac ka gi ng ; p r op e r t y ; r es e a r c h p r og r es s
5 各向异性导电胶膜存在的技术问题及研究方向 5. 1 存在的技术问题
目前 , Pb/ Sn 焊料仍在电子表面封装技术中大 量应用 , 导电胶膜虽具有许多优点 , 但因其自身存 在的亟待解决的问题 ,仍然不能完全取代 Pb/ Sn 焊 料 。导电胶膜主要存在以下问题 : ①电导率低 ,对于 一般的元器件 , 大多导电胶膜均可接受 , 但对于功 率器件 , 则不一定 ; [18 - 19 ] ②耐冲击性差 [20 ] , 长期机 械强度和电稳定性差 [20 - 24 ]; ③粘接效果受元器件类 型 、PCB (印刷线路板) 类型影响较大 ; ④固化时间 长 。由基体树脂和金属导电粒子组成的导电胶膜 , 其电导率低于 Pb/ Sn 焊料 , 为了解决这一问题 , 国 内外的科研工作者做了以下的努力 : 提高导电颗粒 之间的接触紧密度 ; 增加金属颗粒的填充量 ; 用醛 类去除金属填充物表面的金属氧化物 ; 采用纳米级 的填充粒子等 。Daoqiang L u [25 ]在研究中发现只有 当胶体固化时导电颗粒实现紧密接触才能形成导 电通道 。
导电通道学说主要用来解释电阻率与填料浓 度的关系 , 它并不涉及导电的本质 , 只是从宏观上 解释导电胶膜的导电现象 ; 隧道效应理论是应用量 子力学来研究导电胶膜与导电粒子间隙的关系 , 它 与导电填料的浓度及导电胶膜使用温度有直接的 关系 ; 而电场发射理论只是隧道效应导电机理中一 种比较特殊的情况 [9 ]。对于各向异性导电胶膜 ,除了 以上 3 种导电机理外还有以下因素影响其导电性 : ①使导电粒子均匀分散 , 加压固化 ; ②使导电粒子 在磁力线作用下偏移 ; ③加入比导电粒子粒径小的 绝缘粒子 ; ④使用弹性导电粒子并加压固化 。
1前言 随着电子产品向小型化 、便携化方向发展 , 器
件集成度的不断提高 ,传统的 Pb/ Sn 焊料存在一系 列材料及工艺问题 , 已经不能满足工艺要求 , 迫切 需要开发新型连接材料 。目前 , 各国都在抓紧研究 Pb/ Sn合金焊料的替代品 ,在微电子组装领域 , 导 电胶膜将逐渐代替传统的 Pb / Sn 焊料 。与传统的 Pb/ Sn 焊料相比 ,导电胶膜主要存在如下优点 [1 - 4 ]: ①导电胶膜线分辨率高 , 适用于更精细的引线间距 和高密度 I/ O 组装 , 自身密度小 , 相同应用条件下 需要量少 (约为其它类型微电子互连材料的一半) , 符合微电子产品微型化 、薄型化和轻量化的发展要 求 ; ②可低温连接 , 能减小互连过程中的疲劳损伤 和应力开裂失效问题 , 因而特别适合于热敏感元器 件的互连和非可焊性表面的互连 ; ③具有较高的柔