淺析半導(dǎo)體芯片粘接用導(dǎo)電膠

1、淺析半導(dǎo)體芯片粘接用導(dǎo)電膠摘要：簡(jiǎn)要敘述用于半導(dǎo)體集成電路封裝芯片粘接用材料-環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠組 成成分、特性,重點(diǎn)介紹了環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠在使用過(guò)程中要考慮的因素。關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠；應(yīng)力計(jì)算；流動(dòng)性隨著半導(dǎo)體集成電路封裝產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，已占據(jù)了國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的主體地位，如 何選擇電子封裝材料的問(wèn)題顯得更加重要。據(jù)資料顯示，大部分集成電路都要使用芯片粘接 用材料，而環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠（簡(jiǎn)稱銀膠）是最常見的粘著劑材料。本文將對(duì)環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠 組成成分、特性，使用材料加以介紹，希望對(duì)IC封裝工程師們?cè)谶x擇芯片粘接材料，研究封 裝機(jī)理方面有所幫助?，F(xiàn)在，最為廣泛使用于芯片粘著劑的高分子材料可分為環(huán)氧樹

2、脂（EPOXY），聚亞醯氨 （POLYIMIDE）和硅氧烷聚亞醯氨（SILOX-ANE POLYIMIDE）。在此僅就目前使用較廣泛的環(huán)氧樹脂 做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。1銀膠的組成要素熟化后的芯片粘著劑的物理化學(xué)特性取決于樹脂與催化劑的選擇與組合，是最主要的組成要素。但是芯片粘著劑所需的各種特性并非僅由這2種要素組 成；因此，需將其它物質(zhì)加入以達(dá)到所需的特性。所以在完整的方程式中，應(yīng)包含下列要素中的3種或更多種的組合，使其能達(dá)到最佳的 性能表現(xiàn)：（1）樹脂。樹脂的選擇通常會(huì)影響制程特性、性能特性和化學(xué)反應(yīng)性。（2）催化劑。 催化劑與樹脂的不同組合會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)性，稱之為觸媒，引發(fā)聚合反應(yīng)。（3）填充劑。

3、填充 劑的選擇會(huì)影響制程特性，比如黏度和流動(dòng)性；還會(huì)影響熱應(yīng)力特性、熱傳導(dǎo)、機(jī)械強(qiáng)度和 電傳導(dǎo)性。一般銀膠含銀量為70%80%，大量的銀粉填充劑可大大降低樹脂的收縮現(xiàn)象。 （4）彈性劑。屬于性質(zhì)改質(zhì)劑。彈性特質(zhì)可用降低鍵結(jié)密度來(lái)達(dá)到，通常是使用較高分子量的 樹脂得以實(shí)現(xiàn)。但要使彈性特質(zhì)有重大改變，則必須在配方上做結(jié)構(gòu)性調(diào)整，如使用富彈性 的樹脂、富彈性的催化劑或彈性調(diào)整劑。（5）稀釋劑。在樹脂系統(tǒng)中可用來(lái)降低黏度的物質(zhì)稱 為稀釋劑。稀釋劑可分為反應(yīng)型及非反應(yīng)型。（6）加速劑。加速劑的添加是為縮短烘烤時(shí)間及 烘烤溫度。常用的加速劑有環(huán)烷酸鉆、二乙苯銨及二甲苯銨。2銀膠之特性減低應(yīng)力之方向。要減低

4、應(yīng)力之產(chǎn)生，可從下列方向著手：（1）降低銀膠層之彈率；（2）降低銀膠烘烤溫度；（3）加大銀膠層厚度。粘著劑的應(yīng)力吸收能力 可間接由曲率量測(cè)技術(shù)表示出來(lái)。一個(gè)高應(yīng)力吸收能力的粘著劑能呈現(xiàn)較大的曲率值。影響曲率因素。A.溫度膨脹系數(shù)：芯片與引線框架的溫度膨脹系數(shù)差距愈大則曲率值愈 小。B.烘烤溫度：粘著劑若在室溫熟化，則曲率值將呈現(xiàn)無(wú)限大。C.芯片尺寸：較大尺寸的 芯片其曲率值將會(huì)較小。D.粘著層厚度：較厚之粘著層其曲率值將會(huì)較大。E.芯片與引線框架的厚度：較厚之蕊 粒與引線框架曲率值將會(huì)較大。高熱傳導(dǎo)性。以環(huán)氧樹脂而言，高分子是很差的導(dǎo)體，添加銀可提升電傳導(dǎo)性，同時(shí)也 增高熱傳導(dǎo)性。但相對(duì)于共晶

5、和錫鉛材料而言，添加銀的環(huán)氧樹脂和聚亞醯氨還是比他們差 很多。對(duì)塑封膠體破壞的影響。塑封膠體被破壞，A型崩裂：引線框架芯片座背面產(chǎn)生分離現(xiàn) 象其產(chǎn)生因素：銀膠烘烤后引線框架芯片座產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng)；引線框架芯片座背面污染。B型 崩裂：銀膠粘著面結(jié)合失敗產(chǎn)生分離現(xiàn)象的產(chǎn)生因素：應(yīng)力無(wú)法分散；銀膠層之水氣膨脹； 銀膠層之內(nèi)應(yīng)力。C型崩裂：芯片表面產(chǎn)生分離現(xiàn)象其產(chǎn)生因素：銀膠烘烤后芯片產(chǎn)生應(yīng)力 效應(yīng)；芯片表面污染。3制程上考慮的諸因素3.1銀膠規(guī)格、流動(dòng)性和使用性大部份的芯片粘著封裝都要求大量生產(chǎn)，因此高速生產(chǎn)是一重要的考慮因素。流動(dòng)性應(yīng) 是影響芯片粘著劑使用性的最重要的變量，直接影響上芯機(jī)的速度，除此之

6、外，也會(huì)影響膠 的擴(kuò)散性和點(diǎn)膠時(shí)在引線框架上的流動(dòng)。影響流動(dòng)性最大之因素為芯片粘著劑的粘度。一般 而言，高分子均呈剪變效應(yīng)，也就是粘度會(huì)隨膠的內(nèi)剪切應(yīng)力的增加而降低。粘性流動(dòng)為物 料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，抵抗流動(dòng)的程度。銀膠內(nèi)含高量的填充銀粉，屬于聚合物中極為罕見之膨脹性流體，其黏度隨剪切速率增 加而升高，此現(xiàn)象稱之為切變?cè)龀?。黏度?duì)使用性之影響。較高之黏度時(shí)剪切速率較低，會(huì)產(chǎn)生液滴現(xiàn)象。相對(duì)之，較低黏 度時(shí)剪切速率較高，易發(fā)生拖尾現(xiàn)象。樹脂擴(kuò)散是因低分子量的高分子體在引線框架上游離 的現(xiàn)象。當(dāng)高分子體游離至壓焊區(qū)時(shí)，會(huì)造成無(wú)法壓焊等問(wèn)題。樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為 表面能。其與引線框架的粗糙度有

7、極大關(guān)連，粗糙度大的引線框架，其樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象愈大。 表面污染會(huì)增加表面能，如常添加于引線框架鍍銀制程中做光亮劑或加速劑的硒(Se)，將引 線框架烘烤于200C，30min，可消除樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象，其原因即為此熱能可將殘留的硒與銀 作用而轉(zhuǎn)化成具有較低表面能的Ag2Se化合物。一般而言，含溶劑的芯片粘著劑較含100% 固形物的芯片粘著劑較不易產(chǎn)生樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象。芯片粘著劑會(huì)因下列因素影響其使用期限。黏度增加：芯片粘著劑黏度增加會(huì)劇烈地影 響其點(diǎn)膠性、拉絲和其它制程特性。在室溫下，100%固形物的芯片粘著劑會(huì)隨時(shí)間而逐漸 硬化，使得黏度增加。含溶劑的芯片粘著劑會(huì)因溶劑的揮發(fā)使得黏度增加。一般以黏度增加2

8、5%來(lái)定義使用期限。 阻抗值的增加：導(dǎo)電性芯片粘著劑之阻抗值會(huì)隨其在室溫下儲(chǔ)放時(shí)間的增加而增加。因此， 應(yīng)對(duì)每一情況設(shè)下可容忍之最大阻抗值，以定義其使用期限。樹脂分離：所有含銀的環(huán)氧樹脂均易受樹脂分離的影響，由于樹脂因重力而由結(jié)構(gòu)中分 離出來(lái)。一般而言，較低黏度的粘著劑較易受樹脂分離的影響。這現(xiàn)象對(duì)針管包裝較麻煩， 因?yàn)樗灰紫衿垦b的可重新攪拌。某些環(huán)氧樹脂甚至?xí)谝话銉?chǔ)存溫度-20C- 5C產(chǎn)生樹脂 分離，而-40C儲(chǔ)存溫度則可防止此現(xiàn)象的發(fā)生。3.2粘著性芯片粘著劑必須在壓焊制程中提供足夠強(qiáng)度，且須依不同的應(yīng)用提供足夠的熱傳導(dǎo)性和 電傳導(dǎo)性。芯片粘著強(qiáng)度：粘著層一般而言，25|im是最佳厚

9、度。邊緣高度對(duì)小尺寸芯片而 言，邊緣高度提供大部份的粘著強(qiáng)度。但太高的邊緣高度可能會(huì)形成離子攀爬，造成周圍的 樹脂擴(kuò)散現(xiàn)象，而污染鋁墊?？湛兹缜八?，含溶劑的芯片粘著劑容易在粘著層產(chǎn)生空孔。對(duì)小尺寸芯片而言，空孔會(huì)造成粘著強(qiáng)度不足。因此須對(duì)空孔程度訂定規(guī)范，以提供壓焊所 須的粘著強(qiáng)度。3.3其他特性空孔明顯地會(huì)影響粘著層的熱傳導(dǎo)性，但是空孔程度高至50%，對(duì)P-DIP，PLCC，SOIC 或QFP塑封并不會(huì)有太大影響。含銀的環(huán)氧樹脂之電傳導(dǎo)阻抗性取決于熟化條件。導(dǎo)電率 (體電阻)指電流在銀膠中流通的難易程度。銀膠吸水的主要因素為分子中所含的OH親水基團(tuán)，吸水后會(huì)對(duì)電氣性質(zhì)或機(jī)械性質(zhì)造 成嚴(yán)重的損害。4可靠度上的考慮因素鋁金屬腐蝕機(jī)構(gòu)是因水氣所帶出的離子雜質(zhì)形成的。鋁金屬與其表層上一層自然產(chǎn)生的多孔性氧化物很容易受到氯或漠化物的侵蝕，塑封用膠及銀膠均 是氯離子的來(lái)源。溫度高低來(lái)回作用使得IC塑封中的內(nèi)應(yīng)力增加，而此熱應(yīng)力就是使IC破 壞的原因。對(duì)于大尺寸芯片與銅引線框架或?qū)?yīng)力敏感的芯片進(jìn)行粘著時(shí)，粘著劑須提供良 好的應(yīng)力吸收能力。過(guò)高的熱應(yīng)力會(huì)造成芯片剝離或碎裂。有些含銀粘著劑的電傳導(dǎo)性會(huì)隨 時(shí)間而改變，但對(duì)大多數(shù)IC而言，這種改變不會(huì)有影響。結(jié)束語(yǔ)本文僅對(duì)環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠的組成、選用材料，基本特性，使用中考慮的因素等做一簡(jiǎn)單的介紹，但愿能使業(yè)界同仁對(duì)銀膠的組成有一