（材料学专业论文）焊膏的制备与细间距导电胶膜可靠性初步研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文在简要介绍了电子封装的基本工艺之后，从两种先进电子封装材料和技 术着手开展了两部分工作：表面安装( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y s m t ) 焊膏的开发； 各向异性导电胶( a n i s o t r o p i c a l l yc o n d u c t i v ef i l m a c f ) 倒装芯片互连的机械热性能初 步研究。 研发出了一套拥有自主产权的焊膏材料与生产技术。从应用的角度提出了焊膏 的构成部分焊粉以及焊剂载体物质的具体选用准则；并对配方中的溶剂、成膜剂、 活性剂、触变剂及焊粉进行了优化设计；摸索出了一套合适的焊膏配制工艺步骤和 参数；采用相关国际标准对所配制的焊青进行了全面的性能测试并与国际流行的品 牌焊膏进行了性能对比。( 结果表明：开发的焊膏在粘度及其特性、热挥发、焊料球、 抗塌落、印刷、焊接应用等方面均具有优良性能，各项指标达到q q s 5 7 1 e ( 相关 国际标准) 的中等水平，适合于中高档电子产品应用。手 提出了敏感剪切因子、粘度变化率随剪切速率变化关系、粘度抖动三个概念， 用来表征焊膏的粘度及其变化特性：敏感剪切因子越大，焊膏的触变性越好；粘度 变化率随剪切速率的变化越缓慢，焊膏的触变性范围越宽；粘度的正抖动越大，越 不利于焊膏的抗塌落性能。， 研究了向异性导电胶膜倒装芯片互连的结合强度。偌果表明：剪切强度随着绑 定温度的增加显著增加；冲击强度随绑定温度的增加是一个先增后减的过程。绑定 压力对接合强度影响不大。导电颗粒造成导电胶整体结构上的不均匀以及不连续， 其变形、开裂以及在导电胶中形成多重间隙等会促进互连结构的断裂与分离。互连 结构中存在的气泡也会因减少接触面积和提供裂纹扩展通道而显著降低互连结合强 度。尹 采用热分析方法对各向异性导电胶膜的热固化行为进行了研究。结果表明a c f 的热稳定性随固化温度的增加而里下降趋势。较高的温度促进了固化反应，高温加 速了热氧化过程从而导致交联网络的断链，这种断链降低了a c f 的热稳定性。l ， 关键词：电子封装i 表面安装技术j 焊膏；倒装芯片j 各向异性导电胶 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e rs i m p l ei n t r o d u c t i o no fb a s i cp r o c e s s e si ne l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt w o p a r t so f w o r k sw i t hr e s p e c tt ot w oa d v a n c e de l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g i e s o n ep a r t w a ss o l d e rp a s t ed e v e l o p m e n tf o rs u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ( s m t ) t h eo t h e rw a sm e c h a n i c a la n d t h e r m a ls t u d y o f n i pc h i p i n t e x c o u n e c t i o n b o n d e d w i t ha n i s o t r o p i e a l l y c u n d u c t i v c f i l m ( a c f ) ak i n do fs o l d e rp a s t em a t e r i a la n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dw i t h p r o p e r t yr i g h t ad e t a i l e dr u l ef o rm a t e r i a ls e l e c t i o no f t h ec o m p o s i t i o n a lc o m p o n e n t - f l u xv e h i c l ea n d s o l d e ra l l o y - w a sp u tf o r w a r da f o r m u l aw a sd e s i g n e da n do p t i m i z e d ，i n c l u d i n gs o l v e n t , r o s i n ，a c t i v a t o r t h i x o t r o p i ea g e n ta n d s o l d e rp o w d e r as e to f p r o c e s sa n d p a r a m e t e r f o rm a n u f a c t u r i n gs o l d e r p a s t ew a s e s t a b l i s h e d b yc o m p a r i n gw i t hf a m o u sc o m m e r c i a ls o l d e rp a s t e ，t h em a i np r o p e r t i e so f t h es e l f - m a d e s o l d e rp a s t ew e r et e s t e da n de v a l u a t e da c c o r d i n gt oq q - s - 5 7 1 es t a n d a r d i tw a sf o u n dt h a tt h e s e l f - m a d es o l d e rp a s t eh a de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nv i s c o s i t y , t h e r m a lv o l a t i l i z a t i o n , s o l d e rb a i l i n g ， s l u m p ，p r i m i n ga n ds o l d e r i n g ，w h i c hw a s s u i t a b l ef o rm e d i u ml e v e la p p l i c a t i o n t h r e e c o n c e p t s - s h e a r i n g s e n s i t i v ef a c t o r , v i s c o s i t y - c h a n g i n gr a t ev e r s u s s h e a r i n g r a t ea n d v i s c u s i t yv a r i a t i o n - w e r ed e f i n e d t oc h a r a c t e r i z ev i s c o s i t y t h eh i g h e rt h es h e a r i n gs e n s i t i v ef a c t o r , t h e b o r e rt h et h i x o t r o p y t h em o r em o d e r a t “it h ev i s c o s i t y - c h a n g i n gr a t ev g t s u ss h e a r i n gr a t e ，t h ew i d e r t h et h i x o t r o p i cr a n g e t h em o r es e r i o u st h ev i s c o s i t yv a r i a t i o n , t h ep o o r e rt h es l u m pr e s i s t a n c e t h ea d h e s i o ns t r e n g t ho f t h e f l i pc h i p i n t e r c o n n e c f i o nb o n d e dw i t ha c fw a ss t u d i e d t h es h e a r i n g s 仃a n g t hk e p ti n c r e a s i n ga sb o n d i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，w h i l et h ei m p a c ts 廿c n g t hi n c r e a s e df i r s ta n d d e c r e a s e da f t e r w a r d s t h ea d h e s i o ns t r e n g t hm a i n t a i n e dn e a r l yc o n s t a n ta sb o n d i n gt e m p e r a t u r ev a r i e d c o n d u c t i v ep a r t i c l e sr e d u c e dt h ea d h e s i o ns t r e n g t hs e r i o u s l yb e c a u s et h e yn o to n l yd e s t r o y e dp h y s i c a l i n t e g r i t yo f t h em a t e r i a l ，b u ta l s oi n d u c e dd e f o r m a t i o n , c r a c ka n dm u l t i - g a p si nt h ei n t e r c o r m e c t i o n a i r b u b b l e se n t r a p p e di nt h ei n t e r c o n n e c t i o na l s od e g r a d e dt h ea d h e s i o ns 扛e n g 山d u et or e d u c i n gc o n t a c t a r e aa n dp r o v i d i n gc r a c k p a t h t h a r m a la n a l y s i sw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ec n g i n gb e h a v i o ro fa c et h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e r m a ls t a b i l i t yo fa c fd e c r e a s e da sc u r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d h i g h e rb o n d i n gt e m p e r a t u r e p r o m o t e dc u r i n gr e a c t i o n h i g h b o n d i n gt e m p e r a t u r ea c c e l e r a t e dt h e r m a lo x i d a t i o np r o c e s s ，w h i c h c a u s e dc h a i ns c i s s o r i n gi nt h ec r o s s - l i n kn e t w o r k t h es c i s s o r i n go f t h en e t w o r kc a u s e dt h er e d u c t i o ni n t h et h e r m a ls t a b i l i t yp e d b m 锄c e so f t h e a c e k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y , s o l d e rp a s t e ，f l i pc h i p ，a n i s o t r o p i c a l l y c o n d u c t i v ef i l m 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 电子封装简介 1 1 1 封装的定义 电子封装是指从电路设计的完成开始，工程师们将金属、半导体、陶瓷、玻璃、 有机塑料等物质制造成芯片、元件、板卡、电路板等，最终组装互连成电子产品和 系统的整个制造过程。封装起到了电学连接、机械支撑、功率和信号分配、散热等 作用。 1 1 2 封装的级别与主要工艺 从硅片到电子产品的制造流程和封装级别分别见示意图1 1 和1 2 t 2 1 。 图1 1 电子产品制造流程示意图 图1 2 封装的级别示意图 华中科技大学硕士学位论文 单晶硅经过系列半导体工艺制造成晶片；晶片经过一级封装互连到基板上而制 成元器件；元器件经过二级封装焊接到子板上形成板卡；板卡经过三级封装接插到 母板上组装成艇个电子产品系统。 半导体工艺主要包括f 3 】：生长与切割单晶硅、外延生长单晶硅薄膜、氧化沉积 s i o ：薄膜、化学气相沉积、照相形成电路图、刻蚀产生器件结构、沉积多晶硅和介 电薄膜、扩散和离子注入形成导体、电极与导线制作等系列过程。 一级封装常用引线键合( w i r eb o n d i n g - w b ) 、和倒装芯片( f l i pc h i p f c ) 技术两种 主要工艺技术。w b 是b e l l 实验室在1 9 5 7 年最先采用的一种器件封装技术。它是指 将半导体芯片的i o 端与相应的封装引脚之间用直径为几十到几百微米的a u 、a i ( 掺 l 的s i 或者m 曲或者c u 丝，采用超声、热压或者热声方式进行圃相焊接而互连的 一种工艺技术。引线键合按照键合形状的不同可分为球形键合和楔形键合两种方式， 如图1 3 和1 4 所示【4 ”。 图1 3 球形键合的结构图i 4 楔形键合的结构 f c 是m 公司在1 9 6 0 年最先开发的种器件封装技术。它是指通过芯片上的铅 锡合金凸点( 或a u 、n i 或者导电聚合物凸点) 等直接将芯片面朝下用焊料或者导电胶 互连到基板( 或者载体，或者电路板) 上的一种工艺技术。“倒装”是相对于引线键合 而来的，在引线键合中，芯片的面朝上，而在f c 中，芯片面朝下。f c 的基本工艺将 在1 3 节中详细介绍。 二级封装有两种主要的工艺技术，包括通孔安装( p i nt h r o u g hh o l e - p t h ) 和表面 安装技术( s u r f a c em o u n tt e e l m o l o g y - s m t ) 。 p t h 是7 0 年代出现的用于电路板互连的一种传统方法。它是指将元器件引脚插 入印制电路板( p r i n t e dc k c u i tb o a r d - p c b ) 的通孔中，引脚与焊盘及其导线在p c b 的另 一面进行焊接互连。其工艺步骤有：插装元器件、涂布焊剂、预热、波峰焊接、后 续的冷却、检测与清洗等。主要流程见示意图1 5 。所使用的元器件一般是分立元件( 电 阻、电容、晶体管、开关、连接器等) 和i c ，通常由手动或者自动插装机完成插装。 2 华中科技大学硕士学位论文 焊剂是指具备助焊作用的化学混合物，一般为液态，其涂布方式有涂刷、浸渍、 发泡、喷射和喷雾，工业上最常用白g 是发泡和喷雾两种方式。焊接方法主要是波峰 焊( w a v es o l d e r i n g ) ，是将插有元件的p c b 以稍微倾斜的角度通过含有两个波峰的熔融 焊料槽上方【6 1 。液态铅锡波峰润湿铜焊盘和元件引脚而形成焊点。图1 6 是p t h 后的 电路板形貌。 图1 5 通孔安装示意图 困1 6 通孔安装后的电路板形貌 s m t 是7 0 年代初采用，目前在工业界很流行的p c b 组装主流技术【_ ”。它是指 将元器件贴放在涂有焊膏的基板( p c b ) 表面，而进行通过回流焊工艺完成的一种 互连组装工艺技术。相对于p t h 而言，元器件贴装在p c b 表面，其引脚不必穿过 p c b 。关于s m t 将在1 2 节中详细介绍。 三级封装主要使用缆线( c a b l e ) 、联接器( c o n n e c t o r ) 、插座( s o c k e t ) 和导线 华中科技大学硕士学位论文 ( c o n d u c t o r ) 等将各个子系统集成为一个系统。图1 7 是缆线和联结器的一个例子。 图1 7 缆线和联接器 实际上，对于工艺所属的封装级别没有严格意义的划分。板上芯片技术( c h i po n b o a r d c o b ) 贝i 介于一级和二级封装之间，它是将晶片直接互连到板卡上的一种技术， 其互连采用f c 或者t a b 技术。例如液晶显示器互连技术中就采用了这种技术。关 于c o b 和t a b ，可参考相关文献【8 9 o 1 1 3 元件封装形式及其演变 随着半导体工艺和封装技术的进步，芯片封装成的元件形式发生了很大的变化。 相继出现了系列封装形式：晶体管外形封装( t r a n s i s t o ro u t l i n e t o ) 、单列直插封装 ( s i n g l eh l l i l l op a c k a g e - s i p ) 、双列直插封装u a li n l i n ep a ：k a g e - d l p ) 、针阵列封装( p i n g r i da r r a y - p g a ) 、小外形封装( s m a r to u t l i n ep 卸k a g e - s 0 哟、四周扁平封装( q u a df l a t p a c k a g e q f p ) 、球阵列封装a l lg r i d a n a y - b g a ) ，见图1 8 。最近几年还出现了芯片 尺寸封装，它不是指某一类元件，而是指被封装芯片的面积和封装的面积之比在i - i 2 范围内，读者可以参考文献【1 0 1 。目前有些元件的引脚数日甚至可以达到1 0 0 0 以上【l l 】； 晶片到元件的一级封装中引脚间距可达4 5 p r o ，元件到板卡的二级封装中引脚间距为 可达0 2 r a m 。可以看到，引脚从周边向面阵列、引脚从插装形式向表面安装形式发 展。总体说来，元件封装向着尺寸减小、重量减小、引脚增多、功能增多、可靠性 提高、成本降低、使用方便等方向发展。 t o t os i pd i p 4 华中科技大学硕士学位论文 图1 8 元件封装的形式及其演变示意图 1 2 表面安装技术和焊膏 1 2 1s m t 的基本工艺 s m t 的基本工艺流程为：焊膏印刷、元器件贴装、回流焊接、后续工艺r 检测、 返修和清洗等) 。图1 9 是其主要步骤的示意图，图1 1 0 是s m t 安装后的p c b 形貌 图。整个s m t 的生产自动化程度很高，全行业普遍采用全电脑控制的专用生产线。 焊膏印刷在印刷机中完成：人工进行p c b 裸板上架和在模板上放置焊膏：机器 将p c b 输送到模板下面，通过多视觉的精确对位系统将焊盘与模板上对应开口对准； 刮刀以一定的角度、压力和速度向前运动，使得焊膏在模板表面滚动，从而漏进开 孔中：模板以一定的脱模速度提起，焊膏就漏印到p c b 相应的焊盘上。印刷完毕的 p c b 被自动传出到下一流程，而印刷机开始新一轮印刷。 p c b 上的元器件贴装在贴片机中完成：预先按照具体板子在贴片机上安置元器 件，设置拾取头的x - y 运动程序；印刷好焊膏p c b 传入贴片机后，机器采用真空拾 取头将安置好的元器件拾起；在红外对位后，拾取头释放真空而将元器件准确安放 到p c b 上印有焊膏的固定位置上。放好元器件的板子传出到下一流程，贴片机开始 新一轮的贴装。往往根据贴装元件类型的需要，生产线上一般有2 3 台不同类型的贴 片机。 回流焊接在回流炉中完成：根据实际需要，设置好炉子里面各温区的温度、传 送带的运动速度；贴片完成后的p c b 整体在传送带的作用下进入回流炉；在系列温 区中，经过预热、焊膏活化、焊膏熔化而焊接、冷却，而在元器件引脚与p c b 焊盘 之间形成焊点。焊好的p c b 输出到下一流程。回流炉里面的加热方式有：红外、热 风和汽相加热，较高级的炉子还可配制氮气保护，以减少焊接缺陷。 华中科技大学硕士学位论文 图1 9s m t 工艺流程示意图 图1 1 0s m t 焊接后的p c b 形貌 后续工艺( 检测、返修、清洗等) ：对组装好的p c b 要进行焊接质量和装配质量 的检测：检查内容包括焊接缺陷、电性能等；所用设备有放大镜、显微镜、飞针测 试仪、自动光学检钡g ( a u t oo p t i c a li n s p e e t i o n - a o i ) 、x - r a y 检测系统、功能测试仪等。 检查不合格的产品要在专用的返修台上进行返修；顺便要提及的是，在焊膏印刷和 华中科技大学硕士学位论文 元器件贴装后，也有对缺陷进行检测的工序。对于非免清洗以及高清洁度要求的板 卡，组装板还需要在清洗机里用清洗剂进行清洗，以去除焊接后p c b 表面的有害残 渣和其它污染物，提高板卡的长期可靠性。清洗方式包括浸泡清洗、超声波清洗、 气相清洗、喷淋清洗等。 1 2 2s m t 的特点 s m t 由于具有以下优点【1 2 】而备受业界青睐： ( 1 ) 封装密度高、电子产品体积小、重量轻：贴片元件的体积和重量只有传统插装元 件的1 1 0 左右：节约了p c b 的面积；与p t h 相比，采用s m t 之后，电子产品 体积一般会缩小4 0 6 0 ，重量减轻6 0 8 0 。 f 2 ) 电性能好：微小元件的密集排布，使得寄生阻抗、电容得以降低；连接线路的缩 短，减少了传输延迟和噪音；电磁辐射和吸收的减少，改善了电磁兼容性和敏感 性。 f 3 ) 可靠性高：焊点的缺陷率低、元器件的散热提高、组件的热匹配改善、柔顺引脚 的抗振能力、某些元件的互连界面减少等，使得组件的使用寿命加长。 f 4 ) 生产效率高、成本低：高度自动化的批量生产，节约了材料、能源、设备、工序、 人力、时间等。 1 2 3 焊膏及其作用 随着s m t 逐步取代p t h 技术，s m t 已经成为二级封装的主流技术。焊膏已经 成为电子组装中最重要的工艺材料之一。 焊膏是由球形合金焊料粉与有机焊剂载体混合而成的膏状稳定混合物。在常温 下，焊膏可将电子元件粘附在既定位置；当焊膏被加热到一定温度时，随着焊剂载 体内部分物质的挥发与焊料粉的熔化，元件与焊盘互连在一起，冷却后形成冶金结 合的焊点1 1 3 。焊膏在s m t 中的作用包括：粘固元件；促进焊料润湿；清除氧化物、 硫化物、微量杂质和吸附层；保护元件引脚和焊粉表面防止再次氧化；形成牢固的 冶金结合等。 1 2 4 焊膏的分类 按合金焊料的熔化温度范围( 见表1 1 ) 来划分，可分为低、中、高温焊膏。最常 用于s m t 的为中温焊膏，其合金的熔化温度范围为1 7 9 - 1 9 0 0 c ，也即s n 6 2p b 3 6 a 9 2 、 s n 6 3p b 3 7 和s n 6 0p b 4 0 合金。表1 1 中其它的焊料一般不用做s m t 工艺的焊膏中。 按焊剂载体物质以及活性分可分为弱活化( r o s i n r 型) 、中等活化( r o s i nm i l d l y a c t i v a t e d r m a 型) 、强活化( r o s i ns u p e ra c t i v a t e d - r s a 型) 等焊膏。助焊成膜物质主 要是树脂，而活性剂一般为有机酸或者胺以及盐，其中有的含卤素离子。 表1 1 一些焊料合金的熔化温度以及焊接温度范围 7 华中科技大学硕士学位论文 按清洗方式可分为溶剂清洗、水清洗、免清洗焊膏。一般说来，活性高或者焊 后残留物多的焊膏，其残留物腐蚀性大。所以，焊接后要对板卡进行清洗。常用的 清洗溶剂为三氯一三氟乙烷( c h c c f 3 ) 与酒精的混合液、氟利昂( c f c l l 3 ) 。这些物质 给臭氧层和环境带来威胁。自从1 9 9 0 年禁止c f c 的使用以来( 蒙特利尔协定【1 4 】) ，人 们相继采用了水洗和免清洗技术。其中近几年来，免清洗焊膏的使用配以氮气保护 焊接技术很流行。免洗焊膏具备低松香树脂含量、低离子残渣、低卤素含量、助焊 性能良好等特点：其焊后残留物极少、腐蚀性低，可不用清洗。从而在降低成本、 提高质量、节约工序、保护环境等方面很有利，受到电子工业界的欢迎。 1 3 倒装芯片技术和导电胶 1 3 1 倒装芯片技术的基本工艺 倒装芯片的主要的工艺步骤包括【l 列：底部金属层( u n d e r b u m pm e t a l l i z a t i o n u b m ) 沉积、凸点制作( b u m p i n g ) 、互连( i n t e r c o n n e c t i o n ) 、底部填充( u n d e r f i l l i n g ) 和固化 ( c u r i n g ) 。 f 1 ) u b m 沉积 因为焊料等不能和芯片上的灿基底直接互连，所以要在其上面沉积过渡层，称 之为底部金属层沉积。一般地，u b m 包括三层结构l l6 j ：扩散阻挡粘附层( 0 1 5 0 2 岬) 、润湿层( 1 5 岬1 ) 、抗氧化层( o 0 5 - 0 1 岫) 。所用的材料组合出现了t f f c “a u 、 华中科技大学硕士学位论文 t “c u 、t u c u f n i 、t i w c “a u 、c f f c l l a u 、n f a u 、t i n i p d 等，根据不同的凸点材 料以及互连工艺要求而定。目前采用的沉积工艺主要有溅射、蒸镀、化学镀三种基 本方法。 f 2 ) 凸点制作 在u b m 准备好后，要在上面制备出一定厚度的球形或者方形凸点，作为芯片互 连的引脚。对于凸点制作，则出现了很多种不同的方法，主要有：印刷焊料凸点、 化学镀n i 凸点、蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、钉头焊料凸点、放球凸点、焊料转 移凸点、导电聚合物凸点【l ”。一般地，u b m 与凸点制作工艺是连续进行的。现以印 刷焊料和化学镀方法介绍凸点形成的工艺流程。 图1 1 1 是印刷焊料凸点成型的主要工艺步骤示意刚”j 。首先采用溅射清洗的方法 去除a 1 盘表面的氧化物和有机残留物，同时使得钝化层表面粗糙；然后在其表面依 次溅射a l 、n i 和c u 薄层，并且刻蚀掉多余的u b m 部分；接着印刷一定厚度的焊膏； 最后将焊膏回流熔化成凸点小球。 图1 1 1 焊料印刷方法制备凸点示意图 化学镀n i 主要用于u b m 的沉积，但是如果沉积比较厚的n i ，则可直接沉积出 凸点，用于导电胶的互连。图1 1 2 是化学镀n j 方法制备方形凸点主要工艺示意图 1 9 , 2 0 。首先采用碱性清洗液去除舢盘表面的油污，并用酸性溶液腐蚀掉氧化物和杂 质；然后把a l 盘浸入含z n ( o h ) 2 、n a o h 、和f e 、n i 或者c u 的混合强碱溶液中进 行锌酸盐活化处理，使得舢表面沉积一层z n ；接着进行n i p 化学镀，沉积一层比 华中科技大学硕士学位论文 较厚的( 典型值：2 0 5 0 p m ) n i ：最后浸镀一层较薄的( 约5 i _ t m ) a u 。 图1 1 2 化学镀n i 方法制备凸点示意图 f 3 ) 互连、底部填充和固化 对于互连组装，出现了焊料和导电胶两种连接材料。焊料互连一般采用回流、 热压、热声等焊接互连方法；而导电胶互连则采用热压粘结方法。 若用焊料互连，一般要进行底部填充有机胶，然后进行热或者紫外光固化，见示 意图1 1 3 。底部填充一般采用流动注入法【2 l 】：而c p w o n g 则提出非流动( n o f l o w ) 的 方法圈，即首先在基板上的互连区整体涂覆一层特殊材料，然后进行焊接，使互连、 填充与固化一步完成，其中特殊材料起到焊剂、粘结、填充等多重作用。 图1 1 3 焊料互连倒装芯片及其底部填充与固化示意图 若用导电胶互连，则省去了底部填充工艺。首先在互连区涂覆一层导电胶( 或者 膜) ；然后让芯片凸点与基板焊盘对位；接着进行热压预绑定和绑定，使得导电胶固 化，见示意图1 1 4 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 4 导电胶互连倒装芯片示意图 1 3 2 倒装芯片技术的特点 相对于传统的芯片面朝上的w b 技术而言，f c 具备以下优点，因而得到广泛的 应用： ( 1 ) 小尺寸：小的i c 引脚图形使得封装的高度和重量可以减小。 ( 2 ) 功能增强：使用倒装芯片能增加f o 的数量。i o 不像导线键合中出于四周而受 到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等的互 连。一般的倒装芯片焊盘可达4 0 0 个。 ( 3 ) 性能增加：短的互连线减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、较好 的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。 h ) 提高了可靠性：大芯片的环氧填充确保了高可靠性。倒装芯片可减少三分之二 的互连引脚数。 f 5 ) 提高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。 1 3 3 导电胶技术及其应用特点 人们在追求产品的高性能同时，更注重它的无毒、环境友好等特点，在环保意 识、相关法律、市场需求等因素的约束和推动下，损害环境和健康的含铅材料在电 子行业中的使用受到一定限制，使得导电胶成为传统锡铅焊料的替代品之一。近年 来，导电胶在电子工业界得到广泛的应用田】，例如液晶显示( l c d ) 面板、硬盘驱动器 ( h d d ) 磁头、以及微波高频通讯、存储器模块、等离子体显示器( p d p ) 、光耦合器件、 以及s m t 元器件等等的封装互连。 导电胶主要由有机连接部分( 预聚体、导电填料、稀释剂、交联剂、催化剂等) 与导电填料部分( 金属颗粒等) 组成。它在储存条件下具有流动性，通过加热或其他方 式可以发生固化，从而形成具有一定强度的连接，并发挥导电作用。 预聚体是导电胶中的主要组分，主要为树脂类( 如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅 树脂和丙烯酸树腊) ，它含有活性基团，为固化后的聚合物基体提供分子骨架；它也 是粘结强度的主要来源；导电胶的力学性能和粘接性能主要由聚合物基体决定。稀 华中科技大学硕士学位论文 释剂用来调节体系粘度，使之适合工艺要求。交联剂是多官能团化合物，可以连接 预聚体，形成网络结构，也是固化后体系的一部分。催化剂可以提高固化速度，降 低固化条件。为提高固化后导电胶的强度和韧性，有时还需要添加一定的增强剂和 增韧剂。 导电填料分为金属填料( 金、银、铜、镍、铋等) 和非金属填料( 如炭粉、碳纤维 等) 两大类。银由于具备较高的导电率、化学稳定性好、可加工性好、成本低( 相对于 金) 等特点而广泛用于各向同性导电胶( i c a ) 中。各向同性导电胶中的填料有较多选择 2 4 , 2 5 ，如：薄片状和颗粒状的银混合、疏松多孔的银粉、银粉和低熔点金属混合。 各向异性导电胶( a c a ) 的填料一般则有：镍粉、塑料( 或者玻璃) 球形颗粒表面涂以金、 镍、铜等薄层。碳纤维等的导电性差，用于低端产品，如键盘、屏蔽器等。 对于导电胶的导电机理，一般包括本征导电和穿流导电。本征导电主要由粒子 之间的接触而导电。穿流导电是由于足够靠近的粒子发生介电击穿，产生量子机械 电子隧道效应，从而驱动电子的传输。r i t t e r 2 6 】认为，在导电的开始，主要是穿流机 制，伴随着外加电流对粒子的极化；在进一步大电流的极化作用下，颗粒开始迁移 并发生粗化，从而引发颗粒之间的接触本征导电。在填料粒子临界体积比例p c 范围 内，电阻率并不随填料的比例的增加而显著下降。而在p c 处，电阻急剧下降，因而 p c 被称为穿流阈值。这个阈值随颗粒的尺寸、形状、在有机基体中的取向等不同而 异。 导电胶互连应用具备以下特点而倍受工业界青睐【2 7 】： ( 1 ) 无铅：它属于无毒且低挥发的有机化学品，因而属于环保材料。 ( 2 ) 适合于细间距互连：在一级封装的主流技术倒装芯片口t i pc h i p ) g 连中，采用导 电胶时，引脚凸点目前可达超细间距4 0 微米，比传统锡铅焊料互连凸点间距提高至 少一个数量级。因此，不但可以显著地改善互连的电性能，而且有利于互连的进一 步微型化。 ( 3 ) 工艺温度较低：传统的焊料互连一般温度都在2 2 0 0 c 以上，因而不能适用于很多 热敏感的材料、器件以及结构的应用。导电胶互连的温度范围为1 5 0 1 7 0 0 c ，而且可 进行短时间的局部的热和压互连。对于对温度很敏感的器件来说，低温互连是唯一 的选择，低温工艺可以降低热应力，也降低了对基板的要求，而且可以降低能量消 耗。 ( 4 ) 节约封装的工序：互连i 訇形很简单，免去了例如掩膜等材料和工艺。对于一级封 装，免去了底部填充工艺；对于二级封装，则免去了焊剂涂布和清洗等工艺。 ( 5 ) 互连性能好：具备很好的柔性、抗蠕变性和较好的阻尼特性。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 4 导电胶的分类 按基体树脂不同来分，可分为热塑性和热固性导电胶。热固性基体材料最初是 单体或预聚合物，在固化过程中发生聚合反应，高分子链连接形成三维交联结构， 在高温下仍然具备抗变形能力，不易流动。热塑性基体材料由很长的聚合物链构成， 这些聚合物链很少有支链，不易形成交联的三维网状结构，所以在高温下易流动。 按导电方向不同来分，可分为各向同性( i s o t r o p i c c o n d u c t i v e a d h e s i v e s i c a l 和各 向异性( a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e s a c a ) 两大类。i c a 在各个方向有相同的导 电性，用于芯管连接、表面安装互连。其中的金属粒子浓度达到“穿流阈值”i ”】，金 属粒子可能互相接触形成最初的导电通道，固化时由于聚合物体积的缩小，金属粒 子的距离进一步拉近，从而建立各个方向的导电通道。a c a 只在z 方向导电，在 x y 方向不导电，有胶状和薄膜状两种形态，广泛用于液晶显示电路板电连接。其 中的金属粒子浓度低于“穿流阈值”，在互连固化的同时对准对应的焊盘施加压力， 促使在这一方向形成导电通道，见图1 1 4 。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 国际上焊膏生产、应用和研究状况 国际上由于电子生产技术非常成熟，所以相关的配套焊膏材料与技术的发展也 非常成熟。自7 0 年代s m t 问世以来，人们对焊膏就给予了极大的关注，而且应用 时对其质量有严格的要求和控制。国际知名的焊接组装材料研究开发供应商有a i m ( 美国) 、h e r a e u s ( 德国的贺利氏牌) 、k e s t e r ( 美国的凯斯特牌) 、s e n j u ( b 本的千住牌) ， a l p h a m e t a l ( 美国爱尔法牌) 、日本的半田牌焊膏等等，已经开发出成熟的传统型、水 溶型、免清洗型、无铅型等多种类系列焊膏，并应用于各大电子组装公司。多年来， 广大学者对焊膏的研究非常活跃t 2 9 4 ”，各学术机构对高性能焊膏的组成配方、印刷 与焊接行为、残留物特性、焊后清洗、焊膏测试、机械性能、电学性能、热学性能 以及可靠性方面研究非常活跃。而且已经建立了完善的各种标准，供世界各国的研 究者、供应商和用户参考。如日本工业标准s i s z 3 1 9 7 、美国联邦规范q q s 5 7 1 e 、 国际电子封装协会标准i p c s p 8 1 9 。 现在大多数电子组装公司还在使用传统的免清洗焊膏，然而更先进的产品正在 悄然出现。这些焊膏提供更佳的印制性能，较宽的回流曲线范围和更强的探针可测 试性，同时也提供稳定的、一致的产品搁置寿命和批量一致性。以下从几个方面简 要介绍焊膏技术的新进展【4 2 】。 ( 1 ) 印制特性 传统的焊膏仅满足基本的工艺印刷要求，而对于更高的印刷工艺要求，如闲置 华中科技大学硕士学位论文 时间( 印刷机停机时间) 、印刷速度和切变变稀等方面并非满足要求，且印刷工艺适应 范围范围有限，从而会引起相应的缺陷，使生产速度受限制。最新研制的焊膏在闲 置时间、印刷速度和切变变稀等三个方面具有较宽的工艺适应范围。 据估计s m t 缺陷中5 0 的缺陷是模板印刷工艺引起的。为了减少与印刷有关 的缺陷，必须保证每次在每一焊盘上的印刷量均匀一致。在印刷条件下变化时，焊 膏仍具有相应的稳定性是减少s m t 缺陷率的关键。最新的焊膏可实现一致的印刷量、 任意的闲置时间、印刷速度和切变变稀。 f 2 ) 闲置时间 焊膏的闲置时间被定义为模板印刷机因维修或其它原因而允许停机的最长时 间，要求焊膏在闲置时间后的首次印刷中没有任何的印刷缺陷发生。传统焊膏的闲 置时间为1 0 2 0 m i n ，最新的焊膏能够闲置6 0 1 2 0 m i n 而不发干或产生印刷问题。 每经过一次印刷行程都会有少量的焊膏残留在模板开孔中。残留的焊膏会在开 孔中干燥并且在闲置时间后的首次印刷过程中阻止模板干净地脱离p c b 。如果发生 6 0 r a i n 的闲置时间，旧的焊膏产品将要求5 1 0 次印刷行程后才能实现有效印刷。闲 置时间长的焊膏可在较长的停机时间后的首次印刷中具有可接受的印刷质量，因此 它减少了闲置后的模板清洗以及避免焊膏的浪费，大大提高了生产线的速度。 这一改进是在焊膏化学成分中调整所用溶剂体系的结果。调整的溶剂体系在室 温下具有较低的蒸发率，因而减少了焊膏发干现象，大大地增大了丝网印刷机的工 艺范围，允许操作者在维修、换班、生产线变化或操作休息片刻的停机后立即恢复 生产。 ( 3 ) 印刷速度 从9 0 年代中期，大多数焊膏的允许的最高印刷速度仅为2 5 4 5 0 8c m s ，因为 s m t 工程师认为整个生产线的速度不完全取决于模板印刷机的速度。因此印刷速度 被设置得非常低，其印刷性能良好，焊膏在慢速印刷时的滚动性能和印刷清晰度非 常好。然而随着快速贴片设备的发展，s m t 生产线的速度有了极大的提高，慢速的 模板印刷工序成为s m t 生产工艺的瓶颈之一。这导致s m t 工程师要求焊膏能够适 应1 0 1 6 2 0 3 2 e r r d s 的较高印刷速度，且印刷质量没有任何的实质退化。 如果在高速印刷的应用中使用传统的焊膏，其结果将是不良的滚动和细间隙区 域的涂覆量不足。新产品已经降低了粘度和粘性，它能够使焊膏流入细间隙开孔中， 从而提高印刷速度。最先进的焊膏能够以2 5 4 或2 0 3 2 e m s 的速度涂覆合适的焊膏 量。 减小粘度有助于提高传统焊膏的印刷速度和闲置时间，但是只简单地减小粘度 1 4 华中科技大学硕士学位论文 将不能解决这些问题。减小粘度会出现其它一些问题，例如冷却塌落，不良的块状 清晰度( 潜在的桥接原因) 和不良的温度和湿度稳定性。因此在减小焊膏粘度的同时不 降低焊膏的抗塌落性能是对高速印刷焊膏的必要要求。粘度和抗塌落并非必定相关 的，减小粘度的焊膏容易塌落，但这不是必然结果。通过调整焊膏的化学成分可以 改善焊膏的抗塌落性能，使焊膏粘度降低而在塌落性能上没有任何变化。 ( 4 ) 切变变稀 切变变稀是指在切变力的作用下焊膏的粘度性能变低的现象。切变变稀特性使 得焊膏的桥接缺陷增加。因此开发抗切变变稀的焊膏就要使焊膏能经得住高的切变 压力而不丧失焊膏粘度性能。传统焊膏在高速印刷环境下其粘度被破坏得非常快， 而新的焊膏能够在提高印刷速度的同时而不明显变稀。变稀直接影响焊膏的粘度和 印刷性，变稀最小化是焊膏制造者的目标。 如果焊膏在印刷操作期间相对稳定，并与印刷速度和闲置时间无关，则可实现 一致的印刷质量。 ( 5 ) 回流焊 每一种焊膏都有其最佳或推荐的回流温度曲线。然而许多s m t 工艺不能遵循这 些曲线。随着组装板卡样式和元件样式的不断变化，要求焊膏能够适用于任何s m t 生产线，而与生产线的速度、曲线、元件的金属化问题无关。 传统的焊膏含有活化剂，它相对依赖于特定的回流温度曲线形式，若与推荐的 温度曲线发生偏差就会引起焊料不润湿或焊料反润湿问题。例如，一种焊膏会成功 地适用于3 m i n 曲线( 室温到峰值温度) 和2 1 0 0 c 的峰值温度，但可能不适用于5 m i n 曲线和具有较高的峰值温度。这种焊膏随着曲线扩展超出推荐的曲线要求将开始反 润湿。这样的焊膏在回流曲线的润湿区会把助焊活性快速耗尽，因而这种焊膏只能 适用于较短的回流曲线。相反，其它焊膏在经历长时间的热曲线时会有良好的润湿 性( 5 r a i n ，2 2 5 。c ) ，但却不适用于较快的回流温度曲线( 3 r a i n ，2 1 0 0 c ) 。这样的产品在 经历较短的回流曲线时表现出不完全润湿现象，因为这种焊膏要求具有较长的润湿 区来活化助焊剂，这就是它们什么不适用于快速曲线的原因。 标准免清洗焊膏的工艺范围较窄，会出现很多的润湿问题，尤其是随着s m t 工 艺热要求的不断变化，使得一些焊膏不能经历大b g a 器件所要求的曲线。某些最新 的免清洗焊膏具有恒定的润湿性能，在达到回流温度前几乎完全与时间和温度无关。 ( 6 1 残渣与可测试性 传统的焊膏焊后在焊点上留有残留物，对在线探针测试( i c t ) 来说它又硬又粘。 硬的残留物阻碍