電子封裝互連材料的分析

白蘭萍(封裝工藝及新產品引進工程部 -飛思卡爾半導體(中國)有限公司,天津 300385)

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電子封裝互連材料的分析

白蘭萍
(封裝工藝及新產品引進工程部 -飛思卡爾半導體(中國)有限公司,天津 300385)

【摘 要】隨著科學技術的不斷進步,集成電路技術得到了十足的發展,在電子封裝中對互聯材料及其工藝提出了要求越來越高,并且隨著綠色封裝的興起,無鉛焊料與導電膠得到了快速的發展。現階段,凸點制作技術與導電膠技術仍然存在不同程度的缺陷,鑒于此,本文以材料為出發點,闡述了電子封裝的內涵,介紹了無鉛焊料與綠色封裝的發展,并提出導電膠及其技術的應用與發展,以供參考。

【關鍵詞】電子封裝 無鉛焊料 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、有機物、陶瓷等物質進行加工，制成元件、板卡、電路板等等，最終實現電子產品的組裝過程。如圖1就是某電子產品系統的總成結構圖。

由圖1我們可以看出，通過半導體材料加工制成的具有特定功能的芯片并不具有孤立，要將其應有的功能充分的發揮出來，就必須與其他元件相配合，通過I/O進行互聯才能夠實現。關于電子封裝的主要功能，具體介紹如下：第一，信號輸入、實現輸出端向外界的過渡；第二，電源輸出、實現輸出端向外界的過度；第三，散熱功能；第四，保護器件，避免外界環境對其造成的影響。

就整個封裝結構而言，電子封裝可分為三級，即一級封裝、二級封裝以及三級封裝。其中集成電路元件的封裝為一級封裝，其又被稱為微電子封裝，在電子封裝領域中發展最快。二級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。三級封裝指的是在主機板上插入電路板卡，實現整機技術的形成。

其中集成電路的封裝在電子制造領域中有著十分重要的作用與地位，它作為中間連接的部分，除了要負荷下有元器件貼裝與電路板組裝的發展趨勢，還需要滿足上游晶圓與芯片制造技術的發展要求。目前，集成電路產業在國民經濟發展中發揮著十分重要的作用，其設計、制造以及封裝測試三大部分支撐著集成電路產業的發展。現階段，電子產品生產中封裝所產生的成本已經占到了接近60%，在IT產業中封裝產業占到了12%，IC產業中封裝產業占到了49%。微電子封裝與電子產品有著十分密切的聯系，電子產品乃至整個系統發展的技術核心都受到其重要的影響，在目前的電子行業制造中屬于非常先進的技術。目前，全球集成電路封裝的發展規律大致可以概括為以下幾個方面：

第一，密度不斷提高、I/O數不斷增加；第二，產品表面貼裝密度不斷提高；第三，頻率、功率不斷提高；第四，產品越來越微型化，成本越來越低；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，系統封裝逐漸得到廣泛的應用與發展；第八，電子封裝對綠色環保提出的要求更高。

2 無鉛焊料與綠色封裝的發展

微電子產業的發展之處是將硅作為代表材料，各元器件之間的互聯模式比較固定，元件引腳焊接一直以來都是以鉛錫焊料為主。到了20世紀90年代，電子產品產業得到了快速的發展，這加速了電子產品的更新，電子產品越來越容易變成電子垃圾，進而增加了鉛污染的可能性，社會各界人員也對其予以了高度重視并展開了深入的研究，旨在保護人類健康與生態環境。鉛及其化合物能夠通過人類的呼吸道、食道以及皮膚進入人體，然后對人體蛋白質的正常合成起到抑制作用，對人體中樞神經造成損害，進而引發一系列慢性疾病，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，對于其正常發育以及智商有著嚴重的影響。目前，電子工業造成鉛污染的主要來源就是Sn-Pb合金焊料的使用，電子產品一旦被棄用，其中的鉛就會通過各種介質流入到自然環境中，包括土壤、地表水中，對其造成污染，盡管這些鉛的含量比較少，但是造成的影響卻十分嚴重，尤其是溶于水的鉛而形成的酸雨，更是嚴重威脅到生態環境，再加上這些雨水會滲入到人類使用的地下水中，進而進入人體，對人類的健康造成嚴重的影響。此外，由于電子產品中的鉛很難得到有效的回收，并且與原始鉛相比，回收鉛產生的α粒子放射非常高，容易導致軟件出錯，如果重復使用，不僅無法起到良好的效果，反而對集成電路生產有害。

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系列材料在無鉛焊料中的應用最為廣泛，其最低熔點為216℃、最高熔點達到了229℃，在無鉛合金中的耐高溫性比較強，其力學性能也較高，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則屬于中溫系的無鉛合金，其熔點與Sn-Pb相近，具有好的機械性能，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性，存在一些可能出現的腐蝕性問題，例如活性劑殘渣、氧化等等。而低溫系焊料主要有Sn-58Bi，其熔點為139℃，缺點也比較明顯，例如延展性不強、具有較大的脆性以及較差的機械性能等等。現有的無鉛焊料在熔點、浸潤性、機械強度等方面都存在的不同程度的問題，并且相對重要且通用的無鉛焊料大部分都在日本與歐美的專利保護范圍內，這對于中國而言是非常不利的。

除了上述方案外，還可以利用由導電材料與有機物組成的復合材料來替代錫鉛焊料，例如導電膠，這屬于最常見的復合材料，相比于無鉛焊料，導電膠的工藝相對簡單，具有較低的工藝溫度，因此在熱敏元器件的粘結上比較適用；其次，導電膠不需要清洗焊劑，產生的成本低，并且能夠在細間距間實現互連。然而現有的商用導電膠也存在一系列問題，在電阻率、熱導性、機械性能以及電流負荷能力方面有待提升，這使得導電膠的應用受到了一定的限制，需要對其性能與可靠性進行優化。

3 導電膠技術

3.1 概述

上文提到的導電膠最早是在上世紀50年代中期某研究人員提出的銀填充環氧樹脂導電材料的專利中出現。導電膠是替代傳統Sn-Pb焊料的重要材料，其能夠實現細間距連接，工藝溫度低以及生產成本低等優勢，最為關鍵的是它不含有對人體與環境有害的Pb材料，因此在電子產業中一直受到了廣泛的關注與應用。

導電膠的成分為聚合物基體材料與導電填料，其導電性良好，并且具有連接功能。導電填料起到提供電學通路的作用，使電學性能得以實現；聚合物基體材料的作用則是提供粘結與機械支持。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、偶聯劑以及稀釋劑等等，如此使得導電膠的工藝性能與使用價值得以提高。熱固性樹脂與熱塑性樹脂是比較常見的導電膠聚合物基體材料，其中熱固性樹脂包括環氧樹脂、聚氨酯、硅樹脂等等；而熱塑性樹脂有馬來酰胺樹脂、聚酰亞胺等等。在聚合物基體固化時會產生收縮，這對于其中導電填料相互接觸的分散有著積極的影響，以此實現了導電通路的形成。熱固性樹脂的熱穩定性較高，并具有較大的粘結強度與較強的抗腐蝕能力，因此在商用導電膠中屬于比較常用的材料之一。

導電填料的形狀、尺寸各有不同，都屬于金屬粉體，例如金、銀、銅、鎳、碳復合材料等導電材料。不同的導電材料其到電阻率也各有不同。金具有比較穩定的化學性質與導電性，但是由于成本較高，其應用并不是非常廣泛；銀在所有金屬材料中具有最好的導電性，同時還具有比較穩定的化學性質，其氧化物的導電性也比較良好。有關研究表明，在導電膠中電遷移效應不會發生在銀填料身上，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鈍化層，對電遷移現象的發生造成了一定的限制，因此在導電填料中，銀的應用非常廣泛。銅具有活潑的化學性質，表面的氧化率很高，銅基導電黏膠老化之后，會出現體阻抗增加的情況。無鉛焊料Sn-Ag-Cu系列與Sn-Bi系列填充到聚合物中也可以形成導電膠。導電填料的導電性在很大程度上受到了其形態的影響，對于各向異性導電膠而言，薄片狀是導電填料中最常見的形態，這是由于薄片填料的接觸面積比球形填料更大。納米銀粉、納米銀線在導電膠中也常被當做導電填料來使用。

3.2 導電膠的導電原理

根據導電方向，可將導電膠分為各向異性導電膠與各向同性導電膠。對于各向異性導電膠而言，其導電方向只有垂直方向，其電導率的實現是利用了容量相對較低的導電填充材料，其容量較低造成了晶粒間接觸不充分，使導電膠在X-Y方向上的導電難以實現，而施加了一定壓力在Z方向上，進而俘獲兩個元件上導電表面之間的導電顆粒，一旦出現電子連續，聚合物就會由于化學反應而進行固化，兩個元件也因此由電絕緣聚合材料粘結到一起，同時為元件表面與導電顆粒之間壓力的維持提供幫助。對于各向同性導電膠而言，其導電性在X、Y、Z三個方向都能夠實現，這主要是由于導電材料的填充更多。導電膠的電性能會隨著導電填料的濃度的提升而發生轉變，由絕緣體變成導體，并通過導電顆粒之間的相互接觸實現導電。在低填充濃度下，各向同性導電膠的電阻率與填料濃度成反比例關系，然而，當填料濃度處于臨界點之下時，會導致電阻率驟降，這一臨界值Vc被稱為過濾閥值。研究表明，當填充濃度處于Vc值時，所有導電顆粒相互接觸，導電性并不受填充濃度增加的影響。

3.3 導電膠的應用

與傳統的Sn-Pb焊料相比，導電膠的優勢很多，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，具體表現為導電膠接觸電阻的穩定性并不理想。如果導電膠與非貴重金屬終端元件處于持續高溫與高濕度的環境下，其接觸電阻基本全部都是呈現一個增長的態勢。

導電膠在半導體集成電路的連接與組裝上的應用比較常見，主要有晶片粘貼、倒裝芯片連接、表面貼裝等方面。晶片粘結膠的主要作用是在襯底以高可靠性的形式進行集成電路芯片機械安裝，導電膠黏結有許多優勢，例如使IC晶片的應力集中降低，固化溫度低以及生產成本較低更。在LCD中，ACA的應用比較早，其作用是連接載帶自動鍵合的輸出引線電極和LCD面板上透明的In-Sn氧電極。而近來在倒裝芯片技術中焊接替代物是ACA的主要研究內容。ACA的優勢在于其分辨率非常高，處理速度較快，具有較低的工藝溫度，能夠實現無焊機焊接。ACA的倒裝焊流程為：在基板上涂覆ACA，對位帶有凸點的IC與基板上的金屬電極焊區施加壓力于芯片，使ACD進行固化，如此就實現了導電粒子與凸點與焊間上下接觸，實現導電的目的，而在X、Y平面的各向導電粒子則沒有連續性與導電性。在倒裝內連接也可利用ICA，其連接是在存在凸點的情況下進行，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電膠，同時還要確保材料擴散不會發生在放置與處理的過程中，否則在分離通道內很可能造成短路。為了使ICA得到更加準確的沉積，通常可以通過絲網或摸版印刷技術來實現，該技術不需要在鍵合過程中施加壓力，否則可能會在安裝過程中出現翹曲現象。當處于高容量條件下，ICA在輸入、輸出焊盤上的印刷可以采用高精度絲網印刷技術，但需要考慮襯底軌道終端對凸點化工藝的需求，同時也需要考慮到倒裝焊盤凸點化的影響。與ACA相比，ICA在這一方面具有一定的競爭優勢，然而在鍵合強度的對比上，ICA倒裝鍵合仍有待提升，為了使其鍵合的持續可靠性得以提升，應添加單獨的填充步驟。

除了電子組裝，導電膠在其他領域也有一定的應用，例如電磁屏蔽領域、噴墨打印領域、接觸壓力測量領域、防靜電領域以及LED領域等等。目前，配方與工藝是導電膠研究與發展的兩個重要方向，關于各類因素度導電膠導電性能影響的研究，旨在使導電性能、可靠性以及機械性能得以優化。隨著科學技術的不斷進步，相信導電膠技術必然得到充足的發展與進步，并在電子制造領域中得到越來越廣泛的應用。

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