LCD驅(qū)動(dòng)芯片CoF封裝技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展*

胡張琪，王 健，郭 函，陳 瑜，崔成強(qiáng)，王鋒偉，蔡 堅(jiān)（. 清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京 00084；. 安捷利電子科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 59）

LCD驅(qū)動(dòng)芯片CoF封裝技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展*

胡張琪1，王 健2，郭 函1，陳 瑜1，崔成強(qiáng)2，王鋒偉2，蔡 堅(jiān)1
（1. 清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京 100084；
2. 安捷利電子科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215129）

摘 要：撓性封裝基板具有可彎折、重量輕、厚度薄等特點(diǎn)?；趽闲曰宓腃oF互連技術(shù)逐漸成為薄膜晶體管液晶顯示屏（TFT-LCD）驅(qū)動(dòng)芯片的主流封裝技術(shù)。針對(duì)液晶顯示系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)芯片CoF封裝技術(shù)的4種主要互連技術(shù)——ACA連接技術(shù)、NCA連接技術(shù)、焊料連接技術(shù)和金-金熱壓技術(shù)的原理、特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行了總結(jié)，提出了未來CoF互連技術(shù)可能出現(xiàn)的新工藝和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：CoF封裝；各向異性導(dǎo)電膠；非導(dǎo)電膠；金-金熱壓；驅(qū)動(dòng)芯片

1　引言

薄膜晶體管液晶顯示屏（TFT-LCD，Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）技術(shù)的成熟推動(dòng)了以平板電腦、智能手機(jī)等為代表的電子設(shè)備的高速發(fā)展。在這些顯示系統(tǒng)中，面板外部的半導(dǎo)體模塊（即驅(qū)動(dòng)芯片）是液晶面板模組必不可少的一部分。驅(qū)動(dòng)芯片通過傳送電子信號(hào)來控制面板上每個(gè)獨(dú)立的像素點(diǎn)，由此，液晶面板才能快速且精確地呈現(xiàn)清晰的畫面。隨著TFT-LCD的廣泛應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)芯片的封裝尤其是驅(qū)動(dòng)芯片與液晶面板的互連技術(shù)也得以不斷發(fā)展。

目前，液晶顯示系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)芯片與液晶面板的互連主要采用覆晶薄膜（CoF，chip-on-flex）封裝技術(shù)。液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片是CoF封裝技術(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象，占整個(gè)CoF市場(chǎng)銷售額的85%以上[1]。顯示驅(qū)動(dòng)芯片的CoF技術(shù)是指將驅(qū)動(dòng)液晶單元的裸芯片直接封裝在撓性基板上。在這種互連技術(shù)中，驅(qū)動(dòng)芯片的電信號(hào)經(jīng)由芯片與基板的鍵合點(diǎn)、基板上的金屬線路而到達(dá)被控制的像素點(diǎn)。隨著液晶顯示屏分辨率要求越來越高、驅(qū)動(dòng)芯片I/O端口數(shù)越來越多，在有限的顯示區(qū)域內(nèi)，CoF封裝技術(shù)也面臨著凸點(diǎn)節(jié)距小、密度高等亟待解決的問題。本文將結(jié)合這些問題，著重描述近年來針對(duì)CoF封裝技術(shù)開展的研究和取得的進(jìn)展。

2　CoF封裝技術(shù)的特點(diǎn)

液晶顯示系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)芯片封裝技術(shù)主要有CoG（Chip-on-Glass）和CoF（Chip-on-Flex）技術(shù)。CoF技術(shù)與CoG技術(shù)相比，具有質(zhì)量輕、分辨率高、撓曲性好、芯片封裝密度高、支持返修等優(yōu)點(diǎn)，更適應(yīng)電子元器件體積變小、互連密度更高的發(fā)展需要，是未來重要的高密度封裝技術(shù)。

首先，CoF封裝技術(shù)可提高液晶面板利用率。如圖1，在相同面積的玻璃面板上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片采用CoF封裝時(shí)，液晶面板的有效顯示面積高于采用CoG技術(shù)。由于CoF封裝技術(shù)是將芯片焊接在撓性基板上而不是液晶面板上，故所占用面板的預(yù)留面積較小，液晶面板的利用率增大，有效顯示面積也會(huì)增大。當(dāng)其他條件一定時(shí)（如每英寸像素一定），大的有效顯示面積則對(duì)應(yīng)更高的顯示分辨率，這將提高液晶面板的性能參數(shù)。

圖1 相同玻璃面板上采用CoG和CoF技術(shù)的結(jié)構(gòu)對(duì)比

其次，CoF封裝技術(shù)可提高芯片封裝密度。由于撓性基板具有質(zhì)量輕、可彎折的特點(diǎn)，基于撓性基板的CoF封裝技術(shù)可以將驅(qū)動(dòng)芯片封裝在液晶面板附近的任意位置（如圖2所示，芯片位于液晶面板的正下方區(qū)域），打破了CoG技術(shù)中所要求芯片必須位于玻璃面板之上的局限，故CoF封裝技術(shù)比CoG更能提高驅(qū)動(dòng)芯片的封裝密度。如今，一個(gè)普通的液晶顯示模組至少含有20顆驅(qū)動(dòng)芯片，CoF技術(shù)可提高驅(qū)動(dòng)芯片封裝密度的特點(diǎn)無疑在一定程度上迎合了產(chǎn)業(yè)的需求，促進(jìn)了CoF技術(shù)本身的發(fā)展[2]。

另外，采用各向異性導(dǎo)電膠連接技術(shù)的CoF封裝支持返修。隨著液晶顯示面板的尺寸變大，其制程更為復(fù)雜和嚴(yán)苛，成本也隨之提高。當(dāng)大尺寸液晶顯示器出現(xiàn)功能異常時(shí)，例如液晶驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)分配失誤或者遭受機(jī)械損壞，考慮到成本問題，顯示器的返修顯得十分關(guān)鍵和必要。以更換芯片這類返修為例，對(duì)CoG封裝技術(shù)而言，摘除鍵合在玻璃面板上的芯片比較困難，并且很有可能損害周圍的LCD模塊。然而，對(duì)于采用各向異性導(dǎo)電膠連接技術(shù)的CoF封裝體則十分便捷、安全。CoF封裝技術(shù)只需從輕薄的撓性基板上取下即可，損害LCD模組的可能性較小，完全支持返修。這一優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在大尺寸液晶面板（16英寸及以上）尤為有利。

圖2 CoG與CoF技術(shù)中驅(qū)動(dòng)芯片的相對(duì)位置對(duì)比

最后，CoF撓性封裝基板生產(chǎn)效率較高、彎曲性能良好。CoF封裝技術(shù)所采用的CoF撓性封裝基板多以柔性薄膜為基材（如聚酰亞胺PI），故可成卷生產(chǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)裝置的輔助下生產(chǎn)效率較高；同時(shí)CoF基板彎曲性能良好，在應(yīng)用范圍上突破了傳統(tǒng)封裝形式的約束，隨著基板的彎折，亦可實(shí)現(xiàn)多芯片的三維封裝，提高封裝密度。

3　CoF封裝中的互連技術(shù)

根據(jù)用于互連的材料和工藝特點(diǎn)，Co F封裝中的互連方法主要可以分為各向異性導(dǎo)電膠（Anisotropic Conductive Adhesive，ACA）連接工藝、非導(dǎo)電膠（Non-Conductive Adhesive，NCA）連接工藝、金-金熱壓技術(shù)和焊料連接技術(shù)，這些方法技術(shù)都有不同的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。并且，互連技術(shù)的工藝水平不是孤立發(fā)展，而是與撓性基板的制程以及其特征尺寸如最小線寬/線間距、最小鉆孔尺寸等密切相關(guān)。

如今，撓性基板量產(chǎn)的最小線寬/線間距還處于10 μm/15 μm水平（偏差±5 μm）。這一數(shù)值是產(chǎn)業(yè)界對(duì)基板加工能力的表征。在撓性基板的制造中，有3個(gè)方面的原因制約了這一參數(shù)的提升，分別是：超薄銅箔、干膜厚度以及側(cè)蝕。要想獲得較細(xì)的線寬/線間距，作為導(dǎo)電層的銅箔厚度要盡可能薄，而均勻性滿足要求的超薄銅箔因制作原因不易獲?。涣硗?，在銅線路的刻蝕中（減成法），作為抗蝕劑的干膜厚度極限約10 μm，制造也很困難，這給刻蝕微細(xì)線路帶來不利；最后，很難避免的側(cè)蝕問題也在一定程度上阻礙了撓性基板最小線寬/線間距這一特征尺寸的提升。

撓性基板的這一尺寸限制影響了互連技術(shù)的發(fā)展。例如非導(dǎo)電膜技術(shù)從理論上可以實(shí)現(xiàn)間距20 μm的封裝，但實(shí)際情況是量產(chǎn)的撓性基板還沒有達(dá)到最小間距低于20 μm的水平。故從某種程度上說，撓性基板工藝能力的提升與原材料的技術(shù)革新等將會(huì)極大地促進(jìn)CoF互連技術(shù)的進(jìn)步。

3.1各向異性導(dǎo)電膠連接技術(shù)

驅(qū)動(dòng)芯片和撓性基板之間采用各向異性導(dǎo)電膠（以下簡稱ACA）技術(shù)封裝時(shí)，電路的互連是通過ACA內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。ACA是一種含有一定微小尺寸導(dǎo)電顆粒的樹脂材料，當(dāng)ACA被涂覆或者貼合于驅(qū)動(dòng)芯片與撓性基板之間后，經(jīng)過一段時(shí)間的加熱加壓作用，導(dǎo)電顆粒隨著樹脂流動(dòng)而填充到鍵合區(qū)域，即在芯片凸點(diǎn)和撓性基板金屬線路之間“搭橋”，由此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。選擇一定粒徑的導(dǎo)電顆粒及其添加量的ACA即可滿足芯片和基板之間縱向的電路互連，同時(shí)在橫向上實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)裹c(diǎn)之間的電氣絕緣。各向異性導(dǎo)電膠技術(shù)可適用于最小線寬/線間距不小于20 μm的撓性基板封裝。

圖3 采用各向異性導(dǎo)電膠（ACA）技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)示意圖

由于ACA互連技術(shù)是靠導(dǎo)電顆粒將芯片凸點(diǎn)與基板焊盤連接而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，故技術(shù)本身帶來兩方面的限制，分別是面臨窄節(jié)距應(yīng)用的局限和引入較大接觸電阻。這兩方面的限制也成為了研究ACA互連技術(shù)的兩個(gè)主要方面。

3.1.1 窄節(jié)距應(yīng)用限制

當(dāng)凸點(diǎn)節(jié)距較小時(shí)，由于導(dǎo)電顆粒粒徑的限制，凸點(diǎn)之間不可避免地發(fā)生短路。韓國科學(xué)技術(shù)院的Kyoung-Lim Suk等研究[3]發(fā)現(xiàn)，凸點(diǎn)節(jié)距為20 μm時(shí)，約5%的凸點(diǎn)發(fā)生短路（通過測(cè)量凸點(diǎn)與凸點(diǎn)之間的絕緣電阻，如未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值108Ω，則判斷為短路）。從圖4可以看出，樹脂中的導(dǎo)電顆粒填充在相鄰兩凸點(diǎn)之間，造成了短路的現(xiàn)象。

圖4 ACF技術(shù)在凸點(diǎn)節(jié)距變小時(shí)，發(fā)生短路[3]

產(chǎn)業(yè)界普遍意識(shí)到ACA互連工藝在窄節(jié)距應(yīng)用中面臨的短路問題是ACA技術(shù)的主要限制。為了解決這個(gè)問題，臺(tái)灣新竹清華大學(xué)的Lu S. T通過改變凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)相連凸點(diǎn)之間的電氣絕緣[4]。作者提出了一種新型的側(cè)壁絕緣的柔順型凸點(diǎn)（Sidewallinsulated Compliant-bump）結(jié)構(gòu)。該柔順型凸點(diǎn)是側(cè)壁絕緣、表面鍍金的聚合物凸點(diǎn)（文中使用的是聚酰亞胺即PI）。如圖5所示，該凸點(diǎn)本是聚酰亞胺凸點(diǎn)，通過在其外表面濺射一層金層，然后濕法刻蝕掉凸點(diǎn)一側(cè)的金屬使得PI露出，由此實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)裹c(diǎn)的絕緣。圖中顯示的PI即是被刻蝕掉了金屬層后暴露出來的凸點(diǎn)一側(cè)。文中詳細(xì)介紹了凸點(diǎn)的制備流程，并使用ACF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了節(jié)距達(dá)到20 μm的CoF互連。作者通過測(cè)量絕緣電阻、接觸電阻、剝離強(qiáng)度來評(píng)估互連質(zhì)量，通過溫濕度貯存試驗(yàn)（85 ℃，85%相對(duì)濕度，1 000 h）、熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)（-55～125 ℃，1 000次）檢驗(yàn)互連結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)果表明，該新型凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)與ACA工藝結(jié)合后，互連接頭非常可靠，且凸點(diǎn)節(jié)距可達(dá)20 μm，若將該技術(shù)在成本方面優(yōu)化后投入產(chǎn)業(yè)界，則有可能拓寬ACA技術(shù)在窄節(jié)距互連中的應(yīng)用范圍。

3.1.2 引入大接觸電阻

采用各向異性導(dǎo)電膠技術(shù)形成的互連接點(diǎn)的接觸電阻大。導(dǎo)電顆粒連接芯片與基板使得互連節(jié)點(diǎn)的接觸電阻比共晶焊大，且接觸電阻隨環(huán)境變化而波動(dòng)，影響器件可靠性[5]。研究指出導(dǎo)電粒子之間的相互作用以及導(dǎo)電粒子靠近凸點(diǎn)時(shí)的邊際效應(yīng)會(huì)影響凸點(diǎn)周圍電場(chǎng)分布繼而增加附加電阻，華中科技大學(xué)的陳顯才等人從這個(gè)角度出發(fā)，推導(dǎo)了多導(dǎo)電粒子的接觸電阻模型，并利用該模型討論了粒子數(shù)量以及粒子直徑的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)多個(gè)導(dǎo)電粒子接觸電阻的影響[6]。作者認(rèn)為要維持接觸電阻的一致性和穩(wěn)定性，需要保證一個(gè)凸點(diǎn)捕捉的導(dǎo)電粒子數(shù)量處于一個(gè)合理范圍，這樣才能使附加電阻達(dá)到最?。煌瑫r(shí)對(duì)導(dǎo)電顆粒本身的直徑均一性也提出了要求。文中通過實(shí)驗(yàn)指出，為避免橫向短路，可設(shè)單個(gè)凸點(diǎn)捕捉到的粒子數(shù)量不超過18，該數(shù)值及原理的提出也許可作為高密度封裝中ACA導(dǎo)電粒子濃度上限的依據(jù)；同時(shí)指出，要獲得小而穩(wěn)定的電阻，粒子直徑的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)控制在0.87 μm以內(nèi)，這是在接觸電阻的相對(duì)波動(dòng)范圍不超過10%的前提下，該結(jié)論亦可為商用ACA制造中對(duì)導(dǎo)電粒子直徑分布的控制方面提供參考意義。

圖5 側(cè)壁絕緣、表面鍍金的柔順性凸點(diǎn)SEM圖[4]

3.1.3 優(yōu)化工藝參數(shù)

除了短路問題之外，ACA工藝參數(shù)（主要是鍵合溫度及時(shí)間）對(duì)鍵合性能的影響也引起了研究人員的興趣。C. K. Chung利用有限元分析的方法分析CoF鍵合過程中ACA的熱行為，在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下探究ACA的固化程度對(duì)鍵合接頭的熱、力學(xué)穩(wěn)定性的影響[7]。研究指出，ACA的固化程度、固化機(jī)理與時(shí)間、溫度緊密相關(guān)，CoF互連的可靠性強(qiáng)烈依賴ACA的固化程度。

為了探索鍵合溫度和鍵合時(shí)間與固化度的關(guān)系，陳顯才等人從膠體的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并提出了ACA的固化動(dòng)力學(xué)方程[6]：

該微分方程定量描述了溫度、時(shí)間與固化度之間的關(guān)系，其數(shù)值積分的求解結(jié)果與差示掃描量熱儀（DSC，Differential Scanning Calorimeter）測(cè)得的數(shù)據(jù)良好吻合。ACA的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為深入研究ACA固化度與工藝參數(shù)之間的聯(lián)系提供了數(shù)理基礎(chǔ)。

Shyh Ming Chang等通過測(cè)量經(jīng)過不同條件的可靠性試驗(yàn)后樣品的接觸電阻來探索ACA技術(shù)中的工藝參數(shù)（溫度、壓力、時(shí)間）對(duì)鍵合質(zhì)量的影響并以此優(yōu)化工藝參數(shù)[8]。研究表明，當(dāng)鍵合溫度和時(shí)間固定時(shí)，接觸電阻隨著鍵合壓力的增大而減小。同時(shí)，值得注意的是，基于ACA技術(shù)的CoF封裝產(chǎn)品在溫度循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出極好的可靠性，但在高溫高濕環(huán)境中（60 ℃，95%相對(duì)濕度，500 h），性能顯著下降（表現(xiàn)為接觸電阻的大幅變化）。

3.2非導(dǎo)電膠連接技術(shù)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片和撓性基板之間采用非導(dǎo)電膠（NCA）技術(shù)封裝時(shí)，電路的互連是通過芯片的金屬凸點(diǎn)與基板的金屬線路直接接觸實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示。NCA是不含導(dǎo)電顆粒的材料，常見的有膏狀和薄膜狀兩種類型，分別稱為非導(dǎo)電膠（NCP，Non-conductive Paste）和非導(dǎo)電膜（NCF，Nonconductive Film）。以NCF為例，當(dāng)NCF被貼合于芯片和基板之間時(shí)，加壓使芯片凸點(diǎn)穿透其正下方的NCF薄膜而與對(duì)應(yīng)的撓性基板線路直接接觸，由此實(shí)現(xiàn)電連接。緊接著，NCF受熱固化，其收縮可以固定芯片凸點(diǎn)和印制線間的直接接觸。NCF在一定溫度下的固化收縮不僅保證了驅(qū)動(dòng)芯片和撓性基板之間穩(wěn)定的電連接，還提供了二者一定的機(jī)械連接，從這兩個(gè)方面保證了封裝體良好的鍵合性能。如前所述，從理論上講，非導(dǎo)電膠技術(shù)可適用于最小間距小于20 μm的撓性基板封裝，但最小間距小于20 μm仍是撓性封裝基板產(chǎn)業(yè)界追求的目標(biāo)，目前還沒有量產(chǎn)的最小間距小于20 μm的撓性基板。

圖6 采用非導(dǎo)電膠（NCA）技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)示意圖

非導(dǎo)電膠的成分中沒有導(dǎo)電顆粒的存在，故從根本上解決了在窄節(jié)距應(yīng)用中相鄰?fù)裹c(diǎn)短路的問題。因此，相比ACA技術(shù)而言，NCA技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。但鑒于NCA在該技術(shù)中起到的重要作用，NCA材料本身也必須滿足較高的要求，如良好的收縮性和快速固化能力、低熱膨脹系數(shù)和良好的電氣絕緣特性等。并且，在工藝實(shí)現(xiàn)方面，NCA技術(shù)對(duì)芯片凸點(diǎn)高度均一性、撓性基板表面平整度等方面也有更嚴(yán)格的要求。綜合以上各方面的原因，NCA技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)界以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)NCA的研究還處于研究、試驗(yàn)階段。從目前看來，NCA技術(shù)也不可能取代ACA技術(shù)。如前所述，互連技術(shù)的發(fā)展不是獨(dú)立的，伴隨著撓性基板的制程以及最小線寬/線間距等工藝能力的提升，NCA技術(shù)一定會(huì)有長足的發(fā)展。國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)對(duì)NCA技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面：NCF失效模式和工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響。

3.2.1 NCA失效模式

Chun Chih Chuang對(duì)采用NCA技術(shù)的CoF封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)以評(píng)估接頭連接界面的粘附力大小，并通過測(cè)量芯片與基板構(gòu)成的菊花鏈電阻評(píng)估電氣特性。最后，將通過這兩項(xiàng)測(cè)試的樣品進(jìn)行溫濕度貯存試驗(yàn)（85 ℃，85%相對(duì)濕度）來檢驗(yàn)基于NCA技術(shù)的CoF封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。經(jīng)過可靠性測(cè)試的樣品在鍵合區(qū)域出現(xiàn)了分層失效的現(xiàn)象[9]，如圖7（a）、（b）所示。分層失效有兩種形式：第一種失效是由分層現(xiàn)象的擴(kuò)散引起的。如圖7（a）所示，NCA與撓性基板之間由于粘附力減弱而產(chǎn)生分層，分層沿著NCA與基板以及NCA與Cu印制線的界限一直擴(kuò)散到了Cu印制線的頂端，最終導(dǎo)致了芯片上的金凸點(diǎn)與基板上的印制線分離；第二種失效則由裂紋引起，NCA內(nèi)部的微小裂紋會(huì)隨著非導(dǎo)電膠本身的熱膨脹而累積，最終擴(kuò)大為金凸點(diǎn)與印制線之間的裂縫，造成了封裝鍵合的失效，如圖7（b）所示。

3.2.2 NCA工藝參數(shù)優(yōu)化

芯片倒裝鍵合的工藝流程中有3個(gè)主要的工藝參數(shù)：溫度、壓力和時(shí)間。其中，鍵合壓力是NCA工藝中非常重要的參數(shù)。芯片的金屬凸點(diǎn)和基板上的銅焊盤在一定鍵合壓力下產(chǎn)生直接接觸，若壓力過大，芯片極易破碎；壓力太小，接頭連接則不可靠。香港城市大學(xué)的Y. C. Chan等人在鍵合壓力分別為80 N、100 N時(shí)，采用NCA技術(shù)對(duì)測(cè)試芯片和撓性基板進(jìn)行封裝，將封裝體經(jīng)過400個(gè)溫度區(qū)間為-55～125℃的熱循環(huán)[10]。此時(shí)從接頭界面SEM圖像上可直觀得出：鍵合壓力為100 N時(shí)的接頭鍵合質(zhì)量較好，芯片金屬凸點(diǎn)和基板印制線結(jié)合緊密，沒有明顯縫隙，如圖8（b）所示。同時(shí)，Y. C. Chan還對(duì)NCP、NCF兩種形態(tài)的非導(dǎo)電材料進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。文中指出，呈液態(tài)的NCP流動(dòng)平緩、填充良好，使用NCP材料的封裝結(jié)構(gòu)在接頭質(zhì)量、電氣連接和熱循環(huán)測(cè)試方面都明顯優(yōu)于使用NCF材料的樣品。該結(jié)論表明兩種物理形態(tài)的非導(dǎo)電膠在實(shí)際封裝工藝中產(chǎn)生了不同的可靠性表現(xiàn)，那么在對(duì)接頭質(zhì)量電氣性能要求較高的產(chǎn)品進(jìn)行封裝時(shí)，則不能隨意選擇二者當(dāng)中的一種或者是相互交換使用。

圖8 NCF工藝中不同鍵合壓力下封裝體經(jīng)熱循環(huán)后的界面SEM圖[10]

與各向異性導(dǎo)電膠技術(shù)相似，鍵合溫度影響化學(xué)反應(yīng)以及非導(dǎo)電膠的固化度。S. C. Tan研究了溫度對(duì)采用NCF技術(shù)中的CoF互連接頭電氣性能的影響[11]。研究指出，鍵合溫度對(duì)接頭鍵合質(zhì)量的影響實(shí)際上是通過影響NCF的化學(xué)反應(yīng)而作用的。實(shí)驗(yàn)表明，NCF的固化程度大于或等于86%時(shí)（固化程度表征NCF化學(xué)反應(yīng)的程度），互連接頭可靠、剝離強(qiáng)度也更高。但鍵合溫度并非越高越好。作者指出，溫度過高（≥240℃）時(shí)，非導(dǎo)電膠會(huì)在金屬凸點(diǎn)的下方區(qū)域形成一層阻擋層，降低了芯片凸點(diǎn)與基板線路之間的有效結(jié)合面積，導(dǎo)致接頭的電氣接觸不充分、不可靠。

S. C. Tan以撓性基板和硅芯片的互連為研究對(duì)象，其中撓性基板的Cu印制線上帶有鎳金鍍層（Cu 厚8 μm、鍍鎳4 μm、鍍金0.4 μm），芯片一側(cè)為金凸點(diǎn)，提出了一套NCF技術(shù)的最優(yōu)化參數(shù)，如表1。在該參數(shù)的指導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)獲得了機(jī)械性能和電氣性能優(yōu)良的CoF樣品。

表1 NCF技術(shù)的最優(yōu)化參數(shù)[11]

關(guān)于NCF固化程度對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，Yu Wei Huang做了更多的研究[12]。作者利用DSC觀察了在不同鍵合溫度和鍵合時(shí)間下NCF的化學(xué)反應(yīng)程度，采用公式（2）量化NCF固化的百分比，并得出NCF固化程度強(qiáng)烈依賴鍵合溫度和鍵合時(shí)間的結(jié)論。

其中，α指NCF的固化百分比，ANCF,0、Aref,0分別指NCF以及參考區(qū)域的初始面積，ANCF,t、Aref,t指NCF以及參考區(qū)域在時(shí)間為t時(shí)的面積。

3.3焊料連接技術(shù)

在撓性基板的制造工序中，常采用化學(xué)鎳金（ENIG）、化學(xué)鎳鈀金（ENEPIG）等方法對(duì)銅印制線進(jìn)行表面處理。焊料連接技術(shù)是指芯片上的焊料凸點(diǎn)與銅印制線上的表面金屬化層如鎳、金發(fā)生反應(yīng)，在接觸面形成金屬間化合物，由此實(shí)現(xiàn)電氣互連。由于常用的無鉛焊料中合金成分多為共晶合金（如SnCu0.7）或近共晶合金（如SAC305），焊料連接技術(shù)有時(shí)也被稱作共晶焊接技術(shù)。從本質(zhì)上來說，焊料連接屬軟釬焊技術(shù)。焊料連接工藝如圖9所示。

芯片與基板之間完成鍵合以后，一般需要填充底部填充膠（underfill），其目的是實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的機(jī)械連接，也可保護(hù)、加強(qiáng)已有的電氣互連結(jié)構(gòu)。

由于焊料連接技術(shù)是通過形成金屬間化合物實(shí)現(xiàn)互連，故焊點(diǎn)強(qiáng)度較高。但這種方法的焊接溫度也比較高。以金鍍層與錫銀銅焊料鍵合為例，焊接溫度一般在240～280 ℃之間，這要求基板必須具有較高的耐熱性才能承受鍵合時(shí)的熱沖擊。同時(shí)，280 ℃左右的高溫對(duì)整個(gè)工藝流程的溫度兼容性也提出了挑戰(zhàn)[13]。

圖9 焊料連接工藝中的互連結(jié)構(gòu)示意圖

低溫鍵合始終是產(chǎn)業(yè)界追求的方向。一方面，CoF封裝正在尋找鍵合溫度較低的工藝技術(shù)，如各向異性導(dǎo)電膠、非導(dǎo)電膠技術(shù)等；另一方面，許多基板廠商也在研制和開發(fā)具有高耐熱性的撓性基板。美國杜邦公司研制的KAPTON?聚酰亞胺（PI）薄膜[14]的工作溫度范圍為-269～400 ℃，具有較高的耐熱性，常用作撓性基板中的絕緣材料。有關(guān)報(bào)道指出，撓性基板制造商日本Mectron與韓國材料廠商LG化學(xué)合作開發(fā)出了用于撓性基板的新型絕緣材料[15]。這種材料通過改良撓性基板的聚酰亞胺薄膜基材的構(gòu)造，可承受350℃以上的高溫，提高了基板的耐熱性。

3.4金-金熱壓技術(shù)

金-金熱壓技術(shù)指芯片上Au凸點(diǎn)與基板上鍍Au/ Ni的Cu印制線之間的直接鍵合，屬于金屬擴(kuò)散焊。與焊料連接技術(shù)不同的是，芯片與基板之間不是通過金屬間化合物形成連接，而是二者接觸面的原子相互擴(kuò)散，在整個(gè)接觸面上形成金屬鍵所致。

金屬擴(kuò)散焊接是一種固態(tài)連接工藝，在黃巖建立的金屬擴(kuò)散焊接的原子反應(yīng)模型中[16]，提出了用原子反應(yīng)率μ描述金屬擴(kuò)散焊進(jìn)行的程度。

其中，N0為焊接表面單位面積上的原子數(shù)，N為到某一時(shí)刻t，焊接面上生成金屬鍵的單位面積原子數(shù)。

作者建立了金屬擴(kuò)散焊原子成鍵反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中，當(dāng)μ=1時(shí)，表示原子反應(yīng)在整個(gè)接觸面上均發(fā)生，擴(kuò)散焊接完成。

相關(guān)研究指出，金-金熱壓鍵合中，即使是在較高的鍵合壓力下，擴(kuò)散界面的原子反應(yīng)率μ也低于2.5%，故金屬鍵的形成效率較低，但金-金熱壓技術(shù)可以形成接觸良好的接頭，其原因就在于高鍵合壓力下，盡管金屬鍵作用較小，但此時(shí)鍵合界面的摩擦力（銅印制線的側(cè)壁與金凸點(diǎn)之間的摩擦力，如圖10陰影區(qū)域所示）卻隨著鍵合壓力的提高而提高。鍵合界面的摩擦力阻礙了金凸點(diǎn)和銅印制線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在很大程度上增強(qiáng)了互連接頭的結(jié)合強(qiáng)度。也就是說，金屬鍵對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很少[17]，高鍵合壓力下，鍵和界面的摩擦力對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度起主要作用。因此，金-金熱壓鍵合技術(shù)要求較高的鍵合壓力值（文獻(xiàn)推薦值為235 MPa[17]），但過高的壓力容易造成電路結(jié)構(gòu)的損壞，故工藝不易控制。

圖10 陰影區(qū)域產(chǎn)生銅印制線的側(cè)壁與金凸點(diǎn)之間的摩擦力[17]

在對(duì)金-金熱壓技術(shù)的研究中，研究者除了探尋合適的鍵合壓力之外，還試圖從理論上對(duì)比和結(jié)合金-金非導(dǎo)電膜技術(shù)。二者結(jié)合的出發(fā)點(diǎn)無疑是想提高封裝體的鍵合強(qiáng)度和可靠性，但這也面臨兩大問題：一是NCA技術(shù)本身對(duì)芯片和基板表面質(zhì)量要求較高；二是需要降低鍵合壓力，否則芯片極易損壞。只有解決好這兩個(gè)核心問題，才可能將這一概念實(shí)體化。

4　CoF封裝中互連技術(shù)新方向

如前所述，可以總結(jié)到，典型的4種互連技術(shù)都是在芯片一側(cè)做單質(zhì)金屬凸點(diǎn)或焊料凸點(diǎn)，在基板一側(cè)經(jīng)金屬鍍層表面處理，采用導(dǎo)電顆粒連接、回流、熱壓等方式實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的電連接。新型的互連技術(shù)可考慮從基板出發(fā)做更多鍵合工藝。撓性基板的SoP（Solder-on-Pad）技術(shù)正是基于這個(gè)思路產(chǎn)生的，但并不是CoF封裝中互連技術(shù)的唯一新方向。SoP也應(yīng)用于在剛性基板的高密度互連中，即在剛性基板的焊盤上印刷、回流焊料凸點(diǎn)，再與芯片鍵合。然而，SoP技術(shù)在撓性基板的應(yīng)用上還未曾有過，其原因在于：焊料凸點(diǎn)隨著撓性基板的彎折和卷曲易受剪切力而脫落（剛性基板并不會(huì)彎折或卷曲，故不存在該問題）。為了保護(hù)撓性基板上的焊料凸點(diǎn)，本文提出了一種新型的撓性基板SoP結(jié)構(gòu)，如圖11所示。該結(jié)構(gòu)利用位于Cu印制線上的厚PI膜作為焊料印刷的天然模板，省卻了絲網(wǎng)的制作，并可為焊盤內(nèi)的焊料凸點(diǎn)提供側(cè)向保護(hù)。厚PI膜以及開孔可以在撓性基板的設(shè)計(jì)和制程中實(shí)現(xiàn)。

圖11 撓性基板SoP技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

通過制作撓性基板，并在撓性基板的Cu焊盤上經(jīng)印刷、回流形成帽狀焊料凸點(diǎn)（Solder Cap），之后將植有金凸點(diǎn)的硅芯片與帶有焊料凸點(diǎn)的撓性基板對(duì)準(zhǔn)、回流后，得到了如圖12所示的互連截面。從圖12可知，位于中間部位的焊料凸點(diǎn)與兩側(cè)的金凸點(diǎn)（上方）、Cu焊盤（下方）各自形成了金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)了芯片與基板之間的電互連。Cu焊盤的開口直徑約為35 μm，整個(gè)焊點(diǎn)的高度小于50 μm，有利于實(shí)現(xiàn)高密度撓性基板上的互連。

5　總結(jié)

面向TFT-LCD驅(qū)動(dòng)芯片的CoF封裝技術(shù)正伴隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而不斷整合、細(xì)化、優(yōu)化。CoF互連技術(shù)在顯示系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。其中低溫度的鍵合工藝一直是工業(yè)界追求的方向。共晶連接技術(shù)必須在降低工藝溫度方面有所突破才能持續(xù)發(fā)展；導(dǎo)電膠技術(shù)的發(fā)展依賴導(dǎo)電膠材料本身的優(yōu)化；非導(dǎo)電膠技術(shù)因其不含導(dǎo)電顆?？蓮母旧媳苊庀噜?fù)裹c(diǎn)短路現(xiàn)象，迎合當(dāng)前集成電路對(duì)窄節(jié)距的需求，或?qū)⒊蔀镃oF技術(shù)的主流工藝。非導(dǎo)電膠技術(shù)與金-金熱壓技術(shù)的結(jié)合或?qū)浹a(bǔ)非導(dǎo)電膠技術(shù)鍵合強(qiáng)度不夠的缺點(diǎn)，若能降低鍵合壓力，則二者的結(jié)合技術(shù)將會(huì)擁有更大的應(yīng)用市場(chǎng)。撓性基板的卷對(duì)卷生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高以及微細(xì)線路（最小線寬/線間距低于20 μm）的制作工藝實(shí)現(xiàn)也將極大地促進(jìn)微細(xì)節(jié)距驅(qū)動(dòng)芯片互連技術(shù)的發(fā)展。撓性基板本身除了用金屬鍍層作表面處理之外，也可考慮進(jìn)行新工藝的應(yīng)用，如文中提及的在撓性基板上印刷焊料凸點(diǎn)等，將豐富互連技術(shù)的種類和內(nèi)容。

圖12 采用撓性基板SoP技術(shù)鍵合后的焊點(diǎn)SEM圖

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中圖分類號(hào)：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2015）06-0001-08

收稿日期：2015-5-10

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（2014ZX02503）

作者簡介：

胡張琪（1989—），女，重慶忠縣人，清華大學(xué)微電子學(xué)系碩士研究生，研究方向?yàn)樾酒c撓性基板的CoF封裝及可靠性。

Research Status and Perspective of CoF Package Technology for LCD Drive IC

HU Zhangqi1, WANG Jian2, GUO Han1, CHEN Yu1, CUI Chengqiang2, WANG Fengwei2, CAI Jian1
（1. Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. AKM Electronics Technology (Suzhou) Company Ltd, Suzhou 215129, China）

Abstract:The flexible packaging substrate is characterized by its flexibility, light wight and thin thickness. The CoF interconnection technology based on FPC has become the mainstream technology for LCD Drive IC. In the paper, the principium,characteristic, research status and perspective of four main interconnection methods including ACA, NCA, solderinterconnection and Au-Au Termocompression are reviewed. A possible new interconnection method and the perspective of CoF packaging are also presented.

Key words:CoF package; ACA; NCA; Au-Au termocompression; drive IC