倒装芯片封装材料_各向异性导电胶的研究进展

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
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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。
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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
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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。