ACF鍵合中導(dǎo)電粒子捕捉及變形的影響機理與實驗*

朱欽淼，陶 波，徐仁驍，黃 揚，吳光華

（華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

1 引言

微電子產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今信息化時代的第一大產(chǎn)業(yè)，而微電子封裝技術(shù)是微電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，進入21世紀(jì)后微電子封裝技術(shù)進入特大規(guī)模集成電路時代，需要向高密度、超小型、多端子封裝等方向發(fā)展。ACF因具有小間距、工藝簡單、封裝溫度低以及不含鉛等優(yōu)點，越來越普遍地應(yīng)用于微電子封裝中。導(dǎo)電性能是微電子封裝的重要指標(biāo)，ACF封裝中芯片凸點捕捉的導(dǎo)電粒子數(shù)以及粒子變形量對封裝的導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大的影響，為了提高微電子封裝的導(dǎo)電性能，必須深入了解不同工藝參數(shù)下導(dǎo)電粒子捕捉與變形的影響機理。

Chan小組通過實驗總結(jié)出不同鍵合壓力[1~3]和鍵合溫度[1~2,4~7]對導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。馬里蘭大學(xué)Pecht與香港城市大學(xué)Chan合作通過巧妙設(shè)計測試實驗得出不同鍵合參數(shù)對導(dǎo)電效果及可靠性的影響，并給出合理解釋[8]。但是結(jié)合導(dǎo)電粒子的捕捉與變形的研究卻十分缺乏，這樣將無法系統(tǒng)地反映出封裝過程中導(dǎo)電性能的影響機理。

為了彌補以上工作的不足，本文通過實驗研究不同鍵合工藝對導(dǎo)電粒子捕捉與變形的影響，為探究鍵合工藝對導(dǎo)電性能的影響機理提供支持。

2 實驗設(shè)計

實驗用的凸點為金凸點，長70 μm、寬50 μm、高15 μm，如圖1所示。ACF導(dǎo)電膠由日立公司生產(chǎn)，型號為AC-8955YW-23，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 凸點

表1 ACF主要參數(shù)

為探索鍵合溫度、壓力對導(dǎo)電粒子捕捉與變形的影響，實驗溫度范圍設(shè)定為130~230 ℃，每20 ℃設(shè)置一個實驗測點，實驗壓力范圍設(shè)定為40~100 MPa，每20 MPa設(shè)置一個實驗測點。鍵合過程可分為導(dǎo)電粒子再分布、導(dǎo)電粒子變形和環(huán)氧樹脂固化三個階段，如圖2所示。

導(dǎo)電粒子在鍵合過程中會發(fā)生變形和破裂，當(dāng)變形量增大而破裂，在一定范圍內(nèi)時導(dǎo)電粒子的電阻會減小，當(dāng)導(dǎo)電粒子被完全壓裂時電阻會驟增甚至斷路[9]。本文根據(jù)導(dǎo)電粒子的變形量將其分為4類，如圖3所示：Ⅰ類導(dǎo)電粒子基本沒有受壓變形，電阻很大。Ⅱ類導(dǎo)電粒子鍍金導(dǎo)電層產(chǎn)生1條裂口，電阻相比于Ⅰ類導(dǎo)電粒子有所減小。Ⅲ類導(dǎo)電粒子鍍金層出現(xiàn)2~5條裂口，電阻達到最小值。Ⅳ類導(dǎo)電粒子呈花椒狀，電阻阻值急劇增大，甚至可以被視為斷路。

圖2 鍵合過程的三個階段

圖3 不同變形程度的導(dǎo)電粒子

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

不同熱壓條件下，凸點捕捉導(dǎo)電粒子的情況（任意選取凸點）如表2所示。不同鍵合溫度、鍵合壓力下單個凸點平均捕捉導(dǎo)電粒子個數(shù)如圖4所示。

當(dāng)鍵合溫度低于230 ℃時，總體呈現(xiàn)出以下規(guī)律：（1）隨著鍵合壓力增加，捕捉粒子數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢；（2）130 ℃鍵合溫度下捕捉粒子數(shù)相對較多。

當(dāng)鍵合溫度達到230 ℃時，平均捕捉粒子數(shù)驟增至87左右。不同鍵合溫度、鍵合壓力下各類導(dǎo)電粒子個數(shù)如圖5所示。

在4組不同鍵合壓力下，鍵合溫度的影響具有一致性。在130~170 ℃間，隨溫度升高，導(dǎo)電粒子比例呈現(xiàn)由Ⅰ類向Ⅳ類轉(zhuǎn)變的趨勢；在170~190 ℃間，導(dǎo)電粒子比例呈現(xiàn)出Ⅳ類降低、Ⅲ類增多的趨勢。在190~210 ℃間，導(dǎo)電粒子比例呈現(xiàn)由Ⅳ類向Ⅰ類轉(zhuǎn)變的趨勢；鍵合溫度上升至230 ℃時，所有導(dǎo)電粒子在鍵合時均為Ⅰ類。

表2 不同熱壓條件下的凸點捕捉粒子及粒子變形情況

圖4 不同鍵合溫度、鍵合壓力下單個凸點平均捕捉導(dǎo)電粒子個數(shù)

在6組鍵合溫度下，除230 ℃以外，鍵合壓力的影響具有一致性。從40 Mpa增至100 Mpa，導(dǎo)電粒子比例均呈現(xiàn)由Ⅰ類向Ⅳ類轉(zhuǎn)變的趨勢。

3.2 理論分析

3.2.1 工藝參數(shù)對粒子捕捉的影響分析

導(dǎo)電粒子在液態(tài)環(huán)氧樹脂基質(zhì)中的運動滿足Navier-Stokes方程：

圖5 不同鍵合溫度、鍵合壓力下單個凸點平均捕捉各類導(dǎo)電粒子個數(shù)

由式（2）可知，當(dāng)鍵合溫度升高、環(huán)氧樹脂基質(zhì)粘度η降低或者鍵合壓力增大時，導(dǎo)電粒子隨液態(tài)環(huán)氧樹脂運動趨勢加劇。但是導(dǎo)電粒子運動僅能在環(huán)氧樹脂呈液態(tài)時進行，鍵合溫度高時，有效固化前時長減短，導(dǎo)電粒子可運動時間縮短。

3.2.1 工藝參數(shù)對粒子變形的影響分析

鍵合過程中鍵合溫度增大時環(huán)氧樹脂基質(zhì)楊氏模量減小，導(dǎo)電粒子更容易發(fā)生變形，從而由Ⅰ類向Ⅳ類轉(zhuǎn)變。當(dāng)鍵合溫度繼續(xù)增大時，有效固化前時長縮短，導(dǎo)電粒子受壓時長縮短，在并未完全受壓變形的情況下環(huán)氧樹脂基質(zhì)已完全固化，從而由Ⅳ類向Ⅰ類轉(zhuǎn)變。當(dāng)鍵合溫度達到230 ℃時，由于有效固化前時長過短導(dǎo)致導(dǎo)電粒子還未受壓導(dǎo)電膠就已經(jīng)固化，因而全為Ⅰ類導(dǎo)電粒子。

鍵合過程中鍵合壓力增大時，施加在導(dǎo)電粒子上的壓力也隨之增大，因而除230 ℃以外，同一鍵合溫度下鍵合壓力越大導(dǎo)電粒子受壓變形越明顯。

4 結(jié)論

本文通過實驗研究不同鍵合工藝下導(dǎo)電粒子的捕捉與變形情況，得到了不同工藝參數(shù)下的變化規(guī)律并給出了解釋。實驗結(jié)果表明隨著鍵合壓力增加，導(dǎo)電粒子捕捉數(shù)呈現(xiàn)出減少的趨勢，導(dǎo)電粒子的變形呈現(xiàn)出增大的趨勢；隨著鍵合溫度增加，導(dǎo)電粒子變形量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。170 ℃為拐點，當(dāng)鍵合溫度達到230 ℃時，導(dǎo)電粒子捕捉數(shù)由40左右驟升至87，且均為未變形的Ⅰ類導(dǎo)電粒子。這一結(jié)論可以結(jié)合實際導(dǎo)電性能用于研究ACF鍵合的導(dǎo)電機理。

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