ACF键合中导电粒子捕捉及变形的影响机理与实验*

朱钦淼，陶 波，徐仁骁，黄 扬，吴光华

（华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉 430074）

1 引言

微电子产业是当今信息化时代的第一大产业，而微电子封装技术是微电子产业的关键技术，进入21世纪后微电子封装技术进入特大规模集成电路时代，需要向高密度、超小型、多端子封装等方向发展。ACF因具有小间距、工艺简单、封装温度低以及不含铅等优点，越来越普遍地应用于微电子封装中。导电性能是微电子封装的重要指标，ACF封装中芯片凸点捕捉的导电粒子数以及粒子变形量对封装的导电性能产生很大的影响，为了提高微电子封装的导电性能，必须深入了解不同工艺参数下导电粒子捕捉与变形的影响机理。

Chan小组通过实验总结出不同键合压力[1~3]和键合温度[1~2,4~7]对导电性能的影响规律。马里兰大学Pecht与香港城市大学Chan合作通过巧妙设计测试实验得出不同键合参数对导电效果及可靠性的影响，并给出合理解释[8]。但是结合导电粒子的捕捉与变形的研究却十分缺乏，这样将无法系统地反映出封装过程中导电性能的影响机理。

为了弥补以上工作的不足，本文通过实验研究不同键合工艺对导电粒子捕捉与变形的影响，为探究键合工艺对导电性能的影响机理提供支持。

2 实验设计

实验用的凸点为金凸点，长70 μm、宽50 μm、高15 μm，如图1所示。ACF导电胶由日立公司生产，型号为AC-8955YW-23，主要参数如表1所示。

图1 凸点

表1 ACF主要参数

为探索键合温度、压力对导电粒子捕捉与变形的影响，实验温度范围设定为130~230 ℃，每20 ℃设置一个实验测点，实验压力范围设定为40~100 MPa，每20 MPa设置一个实验测点。键合过程可分为导电粒子再分布、导电粒子变形和环氧树脂固化三个阶段，如图2所示。

导电粒子在键合过程中会发生变形和破裂，当变形量增大而破裂，在一定范围内时导电粒子的电阻会减小，当导电粒子被完全压裂时电阻会骤增甚至断路[9]。本文根据导电粒子的变形量将其分为4类，如图3所示：Ⅰ类导电粒子基本没有受压变形，电阻很大。Ⅱ类导电粒子镀金导电层产生1条裂口，电阻相比于Ⅰ类导电粒子有所减小。Ⅲ类导电粒子镀金层出现2~5条裂口，电阻达到最小值。Ⅳ类导电粒子呈花椒状，电阻阻值急剧增大，甚至可以被视为断路。

图2 键合过程的三个阶段

图3 不同变形程度的导电粒子

3 结果与讨论

3.1 实验结果

不同热压条件下，凸点捕捉导电粒子的情况（任意选取凸点）如表2所示。不同键合温度、键合压力下单个凸点平均捕捉导电粒子个数如图4所示。

当键合温度低于230 ℃时，总体呈现出以下规律：（1）随着键合压力增加，捕捉粒子数呈现减少的趋势；（2）130 ℃键合温度下捕捉粒子数相对较多。

当键合温度达到230 ℃时，平均捕捉粒子数骤增至87左右。不同键合温度、键合压力下各类导电粒子个数如图5所示。

在4组不同键合压力下，键合温度的影响具有一致性。在130~170 ℃间，随温度升高，导电粒子比例呈现由Ⅰ类向Ⅳ类转变的趋势；在170~190 ℃间，导电粒子比例呈现出Ⅳ类降低、Ⅲ类增多的趋势。在190~210 ℃间，导电粒子比例呈现由Ⅳ类向Ⅰ类转变的趋势；键合温度上升至230 ℃时，所有导电粒子在键合时均为Ⅰ类。

表2 不同热压条件下的凸点捕捉粒子及粒子变形情况

图4 不同键合温度、键合压力下单个凸点平均捕捉导电粒子个数

在6组键合温度下，除230 ℃以外，键合压力的影响具有一致性。从40 Mpa增至100 Mpa，导电粒子比例均呈现由Ⅰ类向Ⅳ类转变的趋势。

3.2 理论分析

3.2.1 工艺参数对粒子捕捉的影响分析

导电粒子在液态环氧树脂基质中的运动满足Navier-Stokes方程：

图5 不同键合温度、键合压力下单个凸点平均捕捉各类导电粒子个数

由式（2）可知，当键合温度升高、环氧树脂基质粘度η降低或者键合压力增大时，导电粒子随液态环氧树脂运动趋势加剧。但是导电粒子运动仅能在环氧树脂呈液态时进行，键合温度高时，有效固化前时长减短，导电粒子可运动时间缩短。

3.2.1 工艺参数对粒子变形的影响分析

键合过程中键合温度增大时环氧树脂基质杨氏模量减小，导电粒子更容易发生变形，从而由Ⅰ类向Ⅳ类转变。当键合温度继续增大时，有效固化前时长缩短，导电粒子受压时长缩短，在并未完全受压变形的情况下环氧树脂基质已完全固化，从而由Ⅳ类向Ⅰ类转变。当键合温度达到230 ℃时，由于有效固化前时长过短导致导电粒子还未受压导电胶就已经固化，因而全为Ⅰ类导电粒子。

键合过程中键合压力增大时，施加在导电粒子上的压力也随之增大，因而除230 ℃以外，同一键合温度下键合压力越大导电粒子受压变形越明显。

4 结论

本文通过实验研究不同键合工艺下导电粒子的捕捉与变形情况，得到了不同工艺参数下的变化规律并给出了解释。实验结果表明随着键合压力增加，导电粒子捕捉数呈现出减少的趋势，导电粒子的变形呈现出增大的趋势；随着键合温度增加，导电粒子变形量呈现出先增大后减小的趋势。170 ℃为拐点，当键合温度达到230 ℃时，导电粒子捕捉数由40左右骤升至87，且均为未变形的Ⅰ类导电粒子。这一结论可以结合实际导电性能用于研究ACF键合的导电机理。

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