导电胶性能对器件分层的影响

石海忠，张学兵，张蓓蓓，聂 蕾

（南通富士通微电子股份有限公司，江苏 南通，226006）

1 引言

QFP（quad flat package，四侧引脚扁平封装）是表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼（L）型，其不仅用于微处理器、数字逻辑LSI电路，而且也用于VTR 信号处理、音响信号处理等模拟LSI 电路。引脚中心距有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多种规格。根据塑封体厚度分为 QFP（2.0mm～3.6mm厚)、LQFP（1.4mm厚）和TLQFP（1.0mm厚）三种。随着客户对LQFP产品可靠性要求的不断提高，器件分层的问题也逐步得到封装工程师的重视，此类分层问题主要跟塑封料和导电胶两种材料相关。对于LQFP类产品，导电胶引起的分层问题急需改善，本文通过对多种导电胶性能和最终成品的可靠性研究，为未来产品导电胶的选择提供理论依据。

2 实验条件

样品封装条件：我们选择四款LQFP常用的导电胶，芯片尺寸约为10mm×10mm，框架载片区域为露铜，导电胶厚度统一控制在20μm ～40μm，样品封装过程中除了导电胶型号和对应的固化条件有差异外，其他条件尽量保持相同，采用塑封体为28mm×28mm×1.4mm、引线间距为0.40mm的HLQFP256代表性外形进行导电胶分层的测试。

样品封装后进行C-SAM和T-SAM扫描，确认分层状况，然后采用IPC/JEDEC J-S-STD-020D.1 Level 3进行预处理：前烘（Dry Bake），125（-0/+5）℃/24h；吸湿（Moisture Soak），30+2℃/60+3%RH/192h；红外回流（IR Ref l ow），260℃（max）/3个循环。最后再进行C-SAM和T-SAM扫描确认分层状况。

3 导电胶的性能

我们对四种导电胶的主要性能进行了比较，具体见表1。

表1 四种导电银胶的主要性能比较

根据表1所示性能进行分析，导电胶A的常温和高温剪切力分别达到14.0kg和2.0kg（均为最大），说明导电胶A跟框架界面之间的相对粘结力最大；玻璃化转变温度的数据说明导电胶A和C最低在30℃左右，而B和D相对较高，一般来说玻璃化转变温度较低比较好；在室温或高温条件下，导电胶B、C、D具有较高的动态拉伸模量，而导电胶A的高低温动态拉伸模量相对均较低。大家知道，动态拉伸模量是指材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值，动态拉伸模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小；综合导电胶主要性能而测算的应力指数表明导电胶A、B、C、D依次升高，表1中所示的导电胶性能参数是否对最终器件的分层有直接影响，根据接下来的分层实验将进一步讨论。

4 实验前后的分层扫描结果及分析

表2 器件经过MSL3分层实验前后的分层扫描结果

如表2所示，器件在MSL3之前没有任何分层，但在实验后，有的器件出现了分层现象，其中使用导电胶D的器件出现大量的分层现象；使用导电胶A的器件，MSL3后没有观察到分层现象（参见图1（a））；使用导电胶B、C的器件MSL3后在两个界面均出现了少数分层（其中导电胶B的分层图片参见图1（b），导电胶C的分层图片参见图1（c））。器件发生分层的主要原因是导电胶、硅片、框架材质、塑封料之间热膨胀系数的不匹配，在回流焊过程中产生的应力大于粘结力时产生界面分层。

为了明确导电胶性能参数和器件分层之间的相关性，我们首先讨论导电胶粘接性能的影响。四种导电胶的常温剪切力都大于6kg，在封装后的零小时均没有任何分层，说明这个性能完全可以满足实际需要，因此不是我们寻找的主要因素；四种导电胶的高温剪切力存在较大差异，导电胶D的高温粘接性能相对最差，这个因素也可以解释使用导电胶D的器件为什么分层现象最为明显；导电胶B和C的高温剪切力基本一致且相对较低，结果显示均出现少量的分层且发生比例接近；导电胶A高温剪切力最高，没有发生分层，由此推断导电胶的高温剪切力是影响器件分层的一个重要因素。

图1 器件分层照片（左C-SAM/右T-SAM）

再讨论四种导电胶的玻璃化转变温度和动态拉伸模量性能参数。B和D两者的玻璃化转变温度较高，同时常温动态拉伸模量也相对较高（如表1所示），因此两者在经过回流焊测试时产生的应力较大。A和C两者的玻璃化转变温度较低，同时常温动态拉伸模量也比较低，但是导电胶C的高温动态拉伸模量明显高于导电胶A，根据实验结果，导电胶A在使用100mm2大芯片的情况下依然可以通过MSL3测试，而导电胶C出现了界面分层，说明了在一定的常温和高温粘接强度的条件下，导电胶的常温动态拉伸模量同时也相对比较小的情况下，导电胶的高温动态拉伸模量相对越低，对器件的抗分层能力越强。我们得出在较大芯片的情况下，不仅需要关注低温动态拉伸模量和玻璃化转变温度，更需要考察导电胶的高温动态拉伸模量，当器件在经历高温回流焊的过程时，高温下较低的动态拉伸模量有利于吸收温度变化所引起的应力。

最后，我们根据表2的实验结果以及图2中不同导电胶的高温动态拉伸模量、应力指数的比较，发现综合导电胶主要性能的应力指数越高、高温动态弹性模量越高，发生分层的比例和风险越高，反之，发生分层的比例和风险越低。

图2 250℃下导电胶动态拉伸模量和应力指数

另外，我们也发现导电胶的挥发物含量、扩散等对载片台正面与塑封料之间的界面分层也有一定的负面影响，这里不再详细讨论。

5 结束语

综上所述，根据导电胶性能参数和器件分层实验情况，明确了LQFP类导电胶主要性能参数对器件分层有直接的影响。在具备较高的高温剪切力的前提下，如果导电胶具有较低的玻璃化转变温度、较低的常温和高温动态拉伸模量，那么导电胶在回流焊过程中产生的应力会比较小，发生导电胶分层的比例和风险非常小（即载片台正面与导电胶之间的界面分层），最终器件将具备较强的抗分层能力和比较高的可靠性。

[1] 高丽兰. 微电子封装中导电胶连接可靠性研究[J]. 固体力学学报，2010.

[2] 向昊. 各向异性导电胶的研究与应用现状[J]. 粘结，2008.