白蘭萍(封裝工藝及新產(chǎn)品引進(jìn)工程部 -飛思卡爾半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司,天津 300385)

?

電子封裝互連材料的分析

白蘭萍
(封裝工藝及新產(chǎn)品引進(jìn)工程部 -飛思卡爾半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司,天津 300385)

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,集成電路技術(shù)得到了十足的發(fā)展,在電子封裝中對(duì)互聯(lián)材料及其工藝提出了要求越來(lái)越高,并且隨著綠色封裝的興起,無(wú)鉛焊料與導(dǎo)電膠得到了快速的發(fā)展。現(xiàn)階段,凸點(diǎn)制作技術(shù)與導(dǎo)電膠技術(shù)仍然存在不同程度的缺陷,鑒于此,本文以材料為出發(fā)點(diǎn),闡述了電子封裝的內(nèi)涵,介紹了無(wú)鉛焊料與綠色封裝的發(fā)展,并提出導(dǎo)電膠及其技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,以供參考。

【關(guān)鍵詞】電子封裝 無(wú)鉛焊料 綠色封裝

1 電子封裝概述

電子封裝是指自芯片制造完成開始，將裸芯片、金屬、有機(jī)物、陶瓷等物質(zhì)進(jìn)行加工，制成元件、板卡、電路板等等，最終實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的組裝過程。如圖1就是某電子產(chǎn)品系統(tǒng)的總成結(jié)構(gòu)圖。

由圖1我們可以看出，通過半導(dǎo)體材料加工制成的具有特定功能的芯片并不具有孤立，要將其應(yīng)有的功能充分的發(fā)揮出來(lái)，就必須與其他元件相配合，通過I/O進(jìn)行互聯(lián)才能夠?qū)崿F(xiàn)。關(guān)于電子封裝的主要功能，具體介紹如下：第一，信號(hào)輸入、實(shí)現(xiàn)輸出端向外界的過渡；第二，電源輸出、實(shí)現(xiàn)輸出端向外界的過度；第三，散熱功能；第四，保護(hù)器件，避免外界環(huán)境對(duì)其造成的影響。

就整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)而言，電子封裝可分為三級(jí)，即一級(jí)封裝、二級(jí)封裝以及三級(jí)封裝。其中集成電路元件的封裝為一級(jí)封裝，其又被稱為微電子封裝，在電子封裝領(lǐng)域中發(fā)展最快。二級(jí)封裝指的是在印刷電路板上安裝已封裝完成的一系列元器件，例如IC元件、板上芯片、接插件、阻容元件等等。三級(jí)封裝指的是在主機(jī)板上插入電路板卡，實(shí)現(xiàn)整機(jī)技術(shù)的形成。

其中集成電路的封裝在電子制造領(lǐng)域中有著十分重要的作用與地位，它作為中間連接的部分，除了要負(fù)荷下有元器件貼裝與電路板組裝的發(fā)展趨勢(shì)，還需要滿足上游晶圓與芯片制造技術(shù)的發(fā)展要求。目前，集成電路產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用，其設(shè)計(jì)、制造以及封裝測(cè)試三大部分支撐著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，電子產(chǎn)品生產(chǎn)中封裝所產(chǎn)生的成本已經(jīng)占到了接近60%，在IT產(chǎn)業(yè)中封裝產(chǎn)業(yè)占到了12%，IC產(chǎn)業(yè)中封裝產(chǎn)業(yè)占到了49%。微電子封裝與電子產(chǎn)品有著十分密切的聯(lián)系，電子產(chǎn)品乃至整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)核心都受到其重要的影響，在目前的電子行業(yè)制造中屬于非常先進(jìn)的技術(shù)。目前，全球集成電路封裝的發(fā)展規(guī)律大致可以概括為以下幾個(gè)方面：

第一，密度不斷提高、I/O數(shù)不斷增加；第二，產(chǎn)品表面貼裝密度不斷提高；第三，頻率、功率不斷提高；第四，產(chǎn)品越來(lái)越微型化，成本越來(lái)越低；第五，多芯片封裝正逐步取代單芯片封裝；第六，三維立體封裝逐漸取代兩維平面封裝；第七，系統(tǒng)封裝逐漸得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展；第八，電子封裝對(duì)綠色環(huán)保提出的要求更高。

2 無(wú)鉛焊料與綠色封裝的發(fā)展

微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展之處是將硅作為代表材料，各元器件之間的互聯(lián)模式比較固定，元件引腳焊接一直以來(lái)都是以鉛錫焊料為主。到了20世紀(jì)90年代，電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，這加速了電子產(chǎn)品的更新，電子產(chǎn)品越來(lái)越容易變成電子垃圾，進(jìn)而增加了鉛污染的可能性，社會(huì)各界人員也對(duì)其予以了高度重視并展開了深入的研究，旨在保護(hù)人類健康與生態(tài)環(huán)境。鉛及其化合物能夠通過人類的呼吸道、食道以及皮膚進(jìn)入人體，然后對(duì)人體蛋白質(zhì)的正常合成起到抑制作用，對(duì)人體中樞神經(jīng)造成損害，進(jìn)而引發(fā)一系列慢性疾病，例如精神混亂、生殖功能障礙、高血壓、貧血等等。特別是兒童受到鉛的危害更大，對(duì)于其正常發(fā)育以及智商有著嚴(yán)重的影響。目前，電子工業(yè)造成鉛污染的主要來(lái)源就是Sn-Pb合金焊料的使用，電子產(chǎn)品一旦被棄用，其中的鉛就會(huì)通過各種介質(zhì)流入到自然環(huán)境中，包括土壤、地表水中，對(duì)其造成污染，盡管這些鉛的含量比較少，但是造成的影響卻十分嚴(yán)重，尤其是溶于水的鉛而形成的酸雨，更是嚴(yán)重威脅到生態(tài)環(huán)境，再加上這些雨水會(huì)滲入到人類使用的地下水中，進(jìn)而進(jìn)入人體，對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重的影響。此外，由于電子產(chǎn)品中的鉛很難得到有效的回收，并且與原始鉛相比，回收鉛產(chǎn)生的α粒子放射非常高，容易導(dǎo)致軟件出錯(cuò)，如果重復(fù)使用，不僅無(wú)法起到良好的效果，反而對(duì)集成電路生產(chǎn)有害。

目前，使用鉛的替代品是替代錫鉛焊料的主要方案，例如鉍、銀、鋅等等。目前，Sn-Ag-Cu系列材料在無(wú)鉛焊料中的應(yīng)用最為廣泛，其最低熔點(diǎn)為216℃、最高熔點(diǎn)達(dá)到了229℃，在無(wú)鉛合金中的耐高溫性比較強(qiáng)，其力學(xué)性能也較高，具有良好的可焊性，但是這種材料也存在一定的缺陷，就是回流溫度高，需要印制電路板與器件具有一定的耐熱性。而Sn-Zn則屬于中溫系的無(wú)鉛合金，其熔點(diǎn)與Sn-Pb相近，具有好的機(jī)械性能，然而也存在焊料易被氧化的影響，其保存具有一定的難度，并且缺乏較好的浸潤(rùn)性，存在一些可能出現(xiàn)的腐蝕性問題，例如活性劑殘?jiān)⒀趸鹊?。而低溫系焊料主要有Sn-58Bi，其熔點(diǎn)為139℃，缺點(diǎn)也比較明顯，例如延展性不強(qiáng)、具有較大的脆性以及較差的機(jī)械性能等等?，F(xiàn)有的無(wú)鉛焊料在熔點(diǎn)、浸潤(rùn)性、機(jī)械強(qiáng)度等方面都存在的不同程度的問題，并且相對(duì)重要且通用的無(wú)鉛焊料大部分都在日本與歐美的專利保護(hù)范圍內(nèi)，這對(duì)于中國(guó)而言是非常不利的。

除了上述方案外，還可以利用由導(dǎo)電材料與有機(jī)物組成的復(fù)合材料來(lái)替代錫鉛焊料，例如導(dǎo)電膠，這屬于最常見的復(fù)合材料，相比于無(wú)鉛焊料，導(dǎo)電膠的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，具有較低的工藝溫度，因此在熱敏元器件的粘結(jié)上比較適用；其次，導(dǎo)電膠不需要清洗焊劑，產(chǎn)生的成本低，并且能夠在細(xì)間距間實(shí)現(xiàn)互連。然而現(xiàn)有的商用導(dǎo)電膠也存在一系列問題，在電阻率、熱導(dǎo)性、機(jī)械性能以及電流負(fù)荷能力方面有待提升，這使得導(dǎo)電膠的應(yīng)用受到了一定的限制，需要對(duì)其性能與可靠性進(jìn)行優(yōu)化。

3 導(dǎo)電膠技術(shù)

3.1 概述

上文提到的導(dǎo)電膠最早是在上世紀(jì)50年代中期某研究人員提出的銀填充環(huán)氧樹脂導(dǎo)電材料的專利中出現(xiàn)。導(dǎo)電膠是替代傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的重要材料，其能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)間距連接，工藝溫度低以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，最為關(guān)鍵的是它不含有對(duì)人體與環(huán)境有害的Pb材料，因此在電子產(chǎn)業(yè)中一直受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

導(dǎo)電膠的成分為聚合物基體材料與導(dǎo)電填料，其導(dǎo)電性良好，并且具有連接功能。導(dǎo)電填料起到提供電學(xué)通路的作用，使電學(xué)性能得以實(shí)現(xiàn)；聚合物基體材料的作用則是提供粘結(jié)與機(jī)械支持。大部分聚合物的組成成分都是聚合物頂聚體與固化劑，以及少量的添加劑，例如催化劑、偶聯(lián)劑以及稀釋劑等等，如此使得導(dǎo)電膠的工藝性能與使用價(jià)值得以提高。熱固性樹脂與熱塑性樹脂是比較常見的導(dǎo)電膠聚合物基體材料，其中熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯、硅樹脂等等；而熱塑性樹脂有馬來(lái)酰胺樹脂、聚酰亞胺等等。在聚合物基體固化時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮，這對(duì)于其中導(dǎo)電填料相互接觸的分散有著積極的影響，以此實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電通路的形成。熱固性樹脂的熱穩(wěn)定性較高，并具有較大的粘結(jié)強(qiáng)度與較強(qiáng)的抗腐蝕能力，因此在商用導(dǎo)電膠中屬于比較常用的材料之一。

導(dǎo)電填料的形狀、尺寸各有不同，都屬于金屬粉體，例如金、銀、銅、鎳、碳復(fù)合材料等導(dǎo)電材料。不同的導(dǎo)電材料其到電阻率也各有不同。金具有比較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)與導(dǎo)電性，但是由于成本較高，其應(yīng)用并不是非常廣泛；銀在所有金屬材料中具有最好的導(dǎo)電性，同時(shí)還具有比較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其氧化物的導(dǎo)電性也比較良好。有關(guān)研究表明，在導(dǎo)電膠中電遷移效應(yīng)不會(huì)發(fā)生在銀填料身上，究其原因，可能是由于基體樹脂固化后，銀表面由于鈍化作用而出現(xiàn)鈍化層，對(duì)電遷移現(xiàn)象的發(fā)生造成了一定的限制，因此在導(dǎo)電填料中，銀的應(yīng)用非常廣泛。銅具有活潑的化學(xué)性質(zhì)，表面的氧化率很高，銅基導(dǎo)電黏膠老化之后，會(huì)出現(xiàn)體阻抗增加的情況。無(wú)鉛焊料Sn-Ag-Cu系列與Sn-Bi系列填充到聚合物中也可以形成導(dǎo)電膠。導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性在很大程度上受到了其形態(tài)的影響，對(duì)于各向異性導(dǎo)電膠而言，薄片狀是導(dǎo)電填料中最常見的形態(tài)，這是由于薄片填料的接觸面積比球形填料更大。納米銀粉、納米銀線在導(dǎo)電膠中也常被當(dāng)做導(dǎo)電填料來(lái)使用。

3.2 導(dǎo)電膠的導(dǎo)電原理

根據(jù)導(dǎo)電方向，可將導(dǎo)電膠分為各向異性導(dǎo)電膠與各向同性導(dǎo)電膠。對(duì)于各向異性導(dǎo)電膠而言，其導(dǎo)電方向只有垂直方向，其電導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)是利用了容量相對(duì)較低的導(dǎo)電填充材料，其容量較低造成了晶粒間接觸不充分，使導(dǎo)電膠在X-Y方向上的導(dǎo)電難以實(shí)現(xiàn)，而施加了一定壓力在Z方向上，進(jìn)而俘獲兩個(gè)元件上導(dǎo)電表面之間的導(dǎo)電顆粒，一旦出現(xiàn)電子連續(xù)，聚合物就會(huì)由于化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行固化，兩個(gè)元件也因此由電絕緣聚合材料粘結(jié)到一起，同時(shí)為元件表面與導(dǎo)電顆粒之間壓力的維持提供幫助。對(duì)于各向同性導(dǎo)電膠而言，其導(dǎo)電性在X、Y、Z三個(gè)方向都能夠?qū)崿F(xiàn)，這主要是由于導(dǎo)電材料的填充更多。導(dǎo)電膠的電性能會(huì)隨著導(dǎo)電填料的濃度的提升而發(fā)生轉(zhuǎn)變，由絕緣體變成導(dǎo)體，并通過導(dǎo)電顆粒之間的相互接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。在低填充濃度下，各向同性導(dǎo)電膠的電阻率與填料濃度成反比例關(guān)系，然而，當(dāng)填料濃度處于臨界點(diǎn)之下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電阻率驟降，這一臨界值Vc被稱為過濾閥值。研究表明，當(dāng)填充濃度處于Vc值時(shí)，所有導(dǎo)電顆粒相互接觸，導(dǎo)電性并不受填充濃度增加的影響。

3.3 導(dǎo)電膠的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料相比，導(dǎo)電膠的優(yōu)勢(shì)很多，然而迄今為止，ECA工藝仍有待提高，尤其是在可靠性方面存在一定的不足，具體表現(xiàn)為導(dǎo)電膠接觸電阻的穩(wěn)定性并不理想。如果導(dǎo)電膠與非貴重金屬終端元件處于持續(xù)高溫與高濕度的環(huán)境下，其接觸電阻基本全部都是呈現(xiàn)一個(gè)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

導(dǎo)電膠在半導(dǎo)體集成電路的連接與組裝上的應(yīng)用比較常見，主要有晶片粘貼、倒裝芯片連接、表面貼裝等方面。晶片粘結(jié)膠的主要作用是在襯底以高可靠性的形式進(jìn)行集成電路芯片機(jī)械安裝，導(dǎo)電膠黏結(jié)有許多優(yōu)勢(shì)，例如使IC晶片的應(yīng)力集中降低，固化溫度低以及生產(chǎn)成本較低更。在LCD中，ACA的應(yīng)用比較早，其作用是連接載帶自動(dòng)鍵合的輸出引線電極和LCD面板上透明的In-Sn氧電極。而近來(lái)在倒裝芯片技術(shù)中焊接替代物是ACA的主要研究?jī)?nèi)容。ACA的優(yōu)勢(shì)在于其分辨率非常高，處理速度較快，具有較低的工藝溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)焊機(jī)焊接。ACA的倒裝焊流程為：在基板上涂覆ACA，對(duì)位帶有凸點(diǎn)的IC與基板上的金屬電極焊區(qū)施加壓力于芯片，使ACD進(jìn)行固化，如此就實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電粒子與凸點(diǎn)與焊間上下接觸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的目的，而在X、Y平面的各向?qū)щ娏Ｗ觿t沒有連續(xù)性與導(dǎo)電性。在倒裝內(nèi)連接也可利用ICA，其連接是在存在凸點(diǎn)的情況下進(jìn)行，由于屬于各向同性，因此在電氣連接的部分必須有選擇性的添加導(dǎo)電膠，同時(shí)還要確保材料擴(kuò)散不會(huì)發(fā)生在放置與處理的過程中，否則在分離通道內(nèi)很可能造成短路。為了使ICA得到更加準(zhǔn)確的沉積，通?？梢酝ㄟ^絲網(wǎng)或摸版印刷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)不需要在鍵合過程中施加壓力，否則可能會(huì)在安裝過程中出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。當(dāng)處于高容量條件下，ICA在輸入、輸出焊盤上的印刷可以采用高精度絲網(wǎng)印刷技術(shù)，但需要考慮襯底軌道終端對(duì)凸點(diǎn)化工藝的需求，同時(shí)也需要考慮到倒裝焊盤凸點(diǎn)化的影響。與ACA相比，ICA在這一方面具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，然而在鍵合強(qiáng)度的對(duì)比上，ICA倒裝鍵合仍有待提升，為了使其鍵合的持續(xù)可靠性得以提升，應(yīng)添加單獨(dú)的填充步驟。

除了電子組裝，導(dǎo)電膠在其他領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，例如電磁屏蔽領(lǐng)域、噴墨打印領(lǐng)域、接觸壓力測(cè)量領(lǐng)域、防靜電領(lǐng)域以及LED領(lǐng)域等等。目前，配方與工藝是導(dǎo)電膠研究與發(fā)展的兩個(gè)重要方向，關(guān)于各類因素度導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能影響的研究，旨在使導(dǎo)電性能、可靠性以及機(jī)械性能得以優(yōu)化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信導(dǎo)電膠技術(shù)必然得到充足的發(fā)展與進(jìn)步，并在電子制造領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]楊艷,尹立孟,冼健威等.綠色電子制造及綠色電子封裝材料[J].電子工藝技術(shù),2008,29(5):256-261.

[2]余德超,談定生.電鍍銅技術(shù)在電子材料中的應(yīng)用[J].電鍍與涂飾, 2007,26(2):43-47.

[3]倪曉軍,梁彤翔.導(dǎo)電膠的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料,2002,21 (1):1-3,7.DOI:10.3969/j.issn.1001-2028.2002.01.001.

[4]熊勝虎,黃卓,田民波等.電子封裝無(wú)鉛化趨勢(shì)及瓶頸[J].電子元件與材料,2004,23(3):29-31.