導電膠性能對器件分層的影響

石海忠，張學兵，張蓓蓓，聶 蕾

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通，226006）

1 引言

QFP（quad flat package，四側引腳扁平封裝）是表面貼裝型封裝之一，引腳從四個側面引出呈海鷗翼（L）型，其不僅用于微處理器、數(shù)字邏輯LSI電路，而且也用于VTR 信號處理、音響信號處理等模擬LSI 電路。引腳中心距有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多種規(guī)格。根據(jù)塑封體厚度分為 QFP（2.0mm～3.6mm厚)、LQFP（1.4mm厚）和TLQFP（1.0mm厚）三種。隨著客戶對LQFP產品可靠性要求的不斷提高，器件分層的問題也逐步得到封裝工程師的重視，此類分層問題主要跟塑封料和導電膠兩種材料相關。對于LQFP類產品，導電膠引起的分層問題急需改善，本文通過對多種導電膠性能和最終成品的可靠性研究，為未來產品導電膠的選擇提供理論依據(jù)。

2 實驗條件

樣品封裝條件：我們選擇四款LQFP常用的導電膠，芯片尺寸約為10mm×10mm，框架載片區(qū)域為露銅，導電膠厚度統(tǒng)一控制在20μm ～40μm，樣品封裝過程中除了導電膠型號和對應的固化條件有差異外，其他條件盡量保持相同，采用塑封體為28mm×28mm×1.4mm、引線間距為0.40mm的HLQFP256代表性外形進行導電膠分層的測試。

樣品封裝后進行C-SAM和T-SAM掃描，確認分層狀況，然后采用IPC/JEDEC J-S-STD-020D.1 Level 3進行預處理：前烘（Dry Bake），125（-0/+5）℃/24h；吸濕（Moisture Soak），30+2℃/60+3%RH/192h；紅外回流（IR Ref l ow），260℃（max）/3個循環(huán)。最后再進行C-SAM和T-SAM掃描確認分層狀況。

3 導電膠的性能

我們對四種導電膠的主要性能進行了比較，具體見表1。

表1 四種導電銀膠的主要性能比較

根據(jù)表1所示性能進行分析，導電膠A的常溫和高溫剪切力分別達到14.0kg和2.0kg（均為最大），說明導電膠A跟框架界面之間的相對粘結力最大；玻璃化轉變溫度的數(shù)據(jù)說明導電膠A和C最低在30℃左右，而B和D相對較高，一般來說玻璃化轉變溫度較低比較好；在室溫或高溫條件下，導電膠B、C、D具有較高的動態(tài)拉伸模量，而導電膠A的高低溫動態(tài)拉伸模量相對均較低。大家知道，動態(tài)拉伸模量是指材料在彈性變形階段內，正應力和對應的正應變的比值，動態(tài)拉伸模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發(fā)生彈性變形越??；綜合導電膠主要性能而測算的應力指數(shù)表明導電膠A、B、C、D依次升高，表1中所示的導電膠性能參數(shù)是否對最終器件的分層有直接影響，根據(jù)接下來的分層實驗將進一步討論。

4 實驗前后的分層掃描結果及分析

表2 器件經過MSL3分層實驗前后的分層掃描結果

如表2所示，器件在MSL3之前沒有任何分層，但在實驗后，有的器件出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，其中使用導電膠D的器件出現(xiàn)大量的分層現(xiàn)象；使用導電膠A的器件，MSL3后沒有觀察到分層現(xiàn)象（參見圖1（a））；使用導電膠B、C的器件MSL3后在兩個界面均出現(xiàn)了少數(shù)分層（其中導電膠B的分層圖片參見圖1（b），導電膠C的分層圖片參見圖1（c））。器件發(fā)生分層的主要原因是導電膠、硅片、框架材質、塑封料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，在回流焊過程中產生的應力大于粘結力時產生界面分層。

為了明確導電膠性能參數(shù)和器件分層之間的相關性，我們首先討論導電膠粘接性能的影響。四種導電膠的常溫剪切力都大于6kg，在封裝后的零小時均沒有任何分層，說明這個性能完全可以滿足實際需要，因此不是我們尋找的主要因素；四種導電膠的高溫剪切力存在較大差異，導電膠D的高溫粘接性能相對最差，這個因素也可以解釋使用導電膠D的器件為什么分層現(xiàn)象最為明顯；導電膠B和C的高溫剪切力基本一致且相對較低，結果顯示均出現(xiàn)少量的分層且發(fā)生比例接近；導電膠A高溫剪切力最高，沒有發(fā)生分層，由此推斷導電膠的高溫剪切力是影響器件分層的一個重要因素。

圖1 器件分層照片（左C-SAM/右T-SAM）

再討論四種導電膠的玻璃化轉變溫度和動態(tài)拉伸模量性能參數(shù)。B和D兩者的玻璃化轉變溫度較高，同時常溫動態(tài)拉伸模量也相對較高（如表1所示），因此兩者在經過回流焊測試時產生的應力較大。A和C兩者的玻璃化轉變溫度較低，同時常溫動態(tài)拉伸模量也比較低，但是導電膠C的高溫動態(tài)拉伸模量明顯高于導電膠A，根據(jù)實驗結果，導電膠A在使用100mm2大芯片的情況下依然可以通過MSL3測試，而導電膠C出現(xiàn)了界面分層，說明了在一定的常溫和高溫粘接強度的條件下，導電膠的常溫動態(tài)拉伸模量同時也相對比較小的情況下，導電膠的高溫動態(tài)拉伸模量相對越低，對器件的抗分層能力越強。我們得出在較大芯片的情況下，不僅需要關注低溫動態(tài)拉伸模量和玻璃化轉變溫度，更需要考察導電膠的高溫動態(tài)拉伸模量，當器件在經歷高溫回流焊的過程時，高溫下較低的動態(tài)拉伸模量有利于吸收溫度變化所引起的應力。

最后，我們根據(jù)表2的實驗結果以及圖2中不同導電膠的高溫動態(tài)拉伸模量、應力指數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)綜合導電膠主要性能的應力指數(shù)越高、高溫動態(tài)彈性模量越高，發(fā)生分層的比例和風險越高，反之，發(fā)生分層的比例和風險越低。

圖2 250℃下導電膠動態(tài)拉伸模量和應力指數(shù)

另外，我們也發(fā)現(xiàn)導電膠的揮發(fā)物含量、擴散等對載片臺正面與塑封料之間的界面分層也有一定的負面影響，這里不再詳細討論。

5 結束語

綜上所述，根據(jù)導電膠性能參數(shù)和器件分層實驗情況，明確了LQFP類導電膠主要性能參數(shù)對器件分層有直接的影響。在具備較高的高溫剪切力的前提下，如果導電膠具有較低的玻璃化轉變溫度、較低的常溫和高溫動態(tài)拉伸模量，那么導電膠在回流焊過程中產生的應力會比較小，發(fā)生導電膠分層的比例和風險非常?。摧d片臺正面與導電膠之間的界面分層），最終器件將具備較強的抗分層能力和比較高的可靠性。

[1] 高麗蘭. 微電子封裝中導電膠連接可靠性研究[J]. 固體力學學報，2010.

[2] 向昊. 各向異性導電膠的研究與應用現(xiàn)狀[J]. 粘結，2008.