（化工过程机械专业论文）各向异性导电胶膜黏弹性力学行为的实验研究.pdf

中文摘要1 随着微电子封装技术的发展及绿色电子工业的兴起，各向异性导电胶膜 ( a c f ) 作为一种新兴的绿色封装互连材料，日益受到电子工业和研究者的广泛 关注。本文利用动态力学分析仪( d m a ) 对固化后a c f 的黏弹性力学性能进行 了较为全面的实验研究，对a c f 基本数据的积累及在微电子封装中的应用具有 重要意义。 通过对固化前后胶体微观结构的对比分析，发现固化后a c f 的交联度明显 提高。利用单频和多频温度扫描实验考察了a c f 的动态力学性能。结果表明： 随温度的连续升高，固化后的a c f 依次出现玻璃态、黏弹态和橡胶态三种性态 的转变；玻璃化转变温度随频率升高而增大并且与频率满足a r r h e n i u s 关系。确 定a c f 的玻璃化转变温度为1 4 9 3 4 。 通过单轴拉伸、蠕变恢复和应力松弛实验研究了a c f 的准静态力学性能。 结果表明：a c f 是非线性黏弹性材料，其拉伸力学性能具有明显的温度依赖性 和率相关性；随温度升高，杨氏模量和拉伸强度降低而断裂应变增大；加载率和 应变率增大后，杨氏模量和拉伸强度增大而断裂应变减小；加载率对a c f 拉伸 力学性能的影响在高温下表现得更加明显；升温和加载对蠕变恢复和应力松弛 过程具有加速作用；a c f 在加载和卸载瞬时体现出线性黏弹性性质，加载瞬时 产生的应变在卸载瞬时全部消失；0 是a c f 蠕变过程线性黏弹性与非线性黏弹 性的临界温度；较低温度时，应力松弛过程与加载应变水平关系较大，而在高温 下与加载应变几乎无关。 应用s c h a p e r y 非线性黏弹性本构模型，建立了a c f 适用的蠕变本构方程： 通过向蠕变参数添加湿热老化因子的方法给出了考虑老化的蠕变本构方程，所建 方程能够较好地预测未老化和经过老化后a c f 的蠕变行为。 关键词：各向异性导电胶膜，黏弹性力学性能，蠕变本构方程，d m a 1 国家自然科学基金资助项目( 1 0 6 7 2 1 1 8 ) 。 a b s t r a c t 2 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n gt e c h n o l o g ya n dt h er i s eo f g r e e ne l e c t r o n i ci n d u s t r y , a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v ef i l m ( a c f ) h a sa t t r a c t e d m o l ea n dm o r ea t t e n t i o na san e wk i n do fg r e e np a c k a g i n gi n t e r c o n n e c tm a t e r i a l s i n t h i sp a p e r ，v i s c o e l a s t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u r e da c fw e r ec o m p r e h e n s i v e l y s t u d i e do nad y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r ( d m a ) ，w h i c hw a ss i g n i f i c a n tf o ra c f d a t a b a s ea n dt h ea p p l i c a t i o no f a c fi nm i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g c r o s s l i n k i n gd e g r e eo fa c fw a sf o u n dt ob ee n h a n c e do b v i o u s l ya f t e rc u r i n g t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o rt h em j c r o s t r u c t u r e so fc o l l o i db e f o r ea n da f t e rc u r i n g p r o c e s s d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa c fw e r es t u d i e db yc o n d u c t i n gs i n g l e f r e q u e n c ya n dm u l t i f r e q u e n c yt e m p e r a t u r es w e e pt e s t s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tw i t h t h ec o n t i n u ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，c u r e da c fc o m e st h r o u g ht r a n s i t i o no ft h r e e s t a t e si n t u r n ：g l a s ss t a t e ，v i s c o e l a s t i c s t a t ea n dr u b b e rs t a t e g l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gf r e q u e n c yw h i c hm e e tt h ea r r h e n i u s r e l a t i o n s h i p t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f a c fw a sd e t e r m i n e da s14 9 3 4 0 c q u a s i s t a t i cm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fa c f w e r es t u d i e dt h r o u g ht e s t so fu n i a x i a l t e n s i o n ，c r e e p r e c o v e r y ，a n ds t r e s sr e l a x a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ta c fi sak i n do f n o n l i n e a rv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l s ，a n di t st e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o wo b v i o u s d e p e n d e n c yo nt e m p e r a t u r ea n dr a t e w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，y o u n g s m o d u l u sa n dt e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s ea n du l t i m a t es t r a i ni n c r e a s e s y o u n g sm o d u l u s a n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s ea n du l t i m a t es t r a i nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f l o a d i n g r a t ea n ds t r a i nr a t e t h ee f f e c to fl o a d i n gr a t eo nt h et e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a c fi sm o l eo b v i o u sa th i g h e rt e m p e r a t u r e t h ei n c r e a s e so ft e m p e r a t u r ea n dl o a d a c c e l e r a t et h ep r o c e s s e so fc r e e p r e c o v e r ya n ds t r e s sr e l a x a t i o n a c fs h o w sl i n e a r v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e sa tt h em o m e n to fl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，a n dt h es t r a i nc a u s e d a ti n s t a n t a n e o u sl o a d i n gf u l l yd i s a p p e a r sw h e nu n l o a d i n g t h el e v e l so f l o a d i n gs t r a i n h a v eg r e a te f f e c to nt h ep r o c e s so fs t r e s sr e l a x a t i o nu n d e rl o w e rt e m p e r a t u r e ，b u t a l m o s tn oe f f e c tu n d e rh i g h e rt e m p e r a t u r e ac r e e pc o n s t i t u t i v ee q u a t i o nf o ra c fw a se s t a b l i s h e db a s e do ns c h a p e r y s n o n l i n e a rv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l m o l e o v e nh y g r o t h e r m a la g i n gf a c t o r sw e r e 2t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 10 6 7 21 18 ) a d d e dt ot h ec r e e pp a r a m e t e r st oi m p r o v et h ee s t a b l i s h e dc r e e pc o n s t i t u t i v em o d e lf o r a g i n ge f f e c t s 。s i m u l a t i o n so ft h e s et w om o d e l ss h o wg o o dp r e d i c t i o no nt h ec r e e p b e h a v i o r so f a c fb e f o r ea n da f t e ra g i n g ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v ef i l m ，v i s c o e l a s t i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c r e e pc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，d m a 主要符号说明 主要符号说明 蠕变初始柔量老化因子，无因次 蠕变系数老化因子，无因次 蠕变指数老化因子，无因次 时标因子，m i n 线性黏弹性蠕变柔量的初始柔量，m p a - 1 非线性黏弹性蠕变柔量，m p a l 指数系数，无因次 频率常数，h z 蠕变常数，无因次 活化能，j 储能模量 损耗模量 复数模量 绝对模量 频率，h z m p a m p a m p a m p a 非线性系数，无因次 非线性系数，无因次 非线性系数，无因次 蠕变指数，无因次 线性黏弹性蠕变指数，无因次 玻尔兹曼常数，j k 接触电阻，q 蠕变时间，m i n 损耗因子，无因次 蠕变恢复过程中卸载的时刻，m i n 哆 万 巳 筇4口 c c f f f r 厂 岛 蜀 刀 尺 足， 协 主要符号说明 f d 丁 i 万 岛 幽 m ( 少) 占 气 蜀 爿 s 盯 o - o l 缈 湿热老化时间，h 温度， 玻璃化转变温度， 应变滞后相位差，弧度 卸载瞬时应变跳跃值，无因次 非线性黏弹性蠕变的净蠕变柔量，m p a - 1 黏弹性蠕变柔量的瞬时量，m p a 1 应变，无因次 应变振幅，无因次( 第二章) 蠕变阶段的初始应变，无因次( 第四章) 蠕变的最终应变，无因次 卸载瞬间应变跳跃值，无因次 恢复阶段的初始应变，无因次 应力，m p a 应力振幅，m p a 折算后的时间，m i n 角频率，弧度s 缩略语 a c a a c f c o f c o g d m a d s c e c a f e m i c i c a l c d m e m s s e m 砌 缩略语 a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v ef i l m c h i p - o n - f l e x c h i p - - o n - g l a s s d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y e l e c t r i c a ic o n d u c t i v ea d h e s i v e s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n t e g r a t e dc i r c u i t i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m i c r o - e l e c t r o n - - m e c h a n i c a ls y s t e m s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t a p ea u t o m a t e db o n d i n g - 6 1 各向异性导电胶 各向异性导电胶膜 芯片与柔性基板粘接 芯片与玻璃基板粘接 动态力学分析仪 差示扫描量热计 导电胶 有限元方法 集成电路 各向同性导电胶 液晶显示屏 微电子机械系统 扫描电镜 载带自动焊 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：涨树宗 签字日期： 扣7 年多月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：苏树宜 签字日期：护罗年彭月i 日 新繇伊杠 签字日期：坼6 月 沙日 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬琼尬 微电子机械系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o n m e c h a n i c a ls y s t e m ) 属多学科交 叉的前沿研究领域，它涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及 生物医学等学科与技术。微电子机械系统在2 1 世纪将发展成为庞大的高新技术 产业。微电子机械的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的 元件和系统。当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象和和宏观世界有很大差别。 力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能起重要作用。在微小尺寸领域，与特征 尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成 比例的黏性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大。因此，在微观尺 度下的力学、热力学、微流体力学、微摩擦学和微机械学等的基础理论研究显得 尤为重要吲。m e m s 的制作主要基于两大技术：i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术和 微机械方n - r _ 技术。其中，l c 技术主要用于制作m e m s 中的信号处理和控制系统， 而微机械加工技术则主要包括硅体微加工技术、硅表面微加工技术、l i g a ( l i g a 是德文l i t h o g r a p i e 光刻、g a l v a n o f o r m u n g 电铸和a b f o r m u n g 铸塑三个词的缩写) 技术、准l i g a 技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。晶片键合技术和微机 械组装技术通常又统称为微电子封装技术【4 】。 一般说来，用硅圆片制作出各种芯片起，微电子封装可以分为三级，即芯片 级封装、板级封装、系统级封装【5 ，6 】。在国际上，所谓微电子封装是一个很广泛 的概念，包含组装和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封 装( s c p ) 设计和制造、多芯片封装( m c m ) 设计和制造、芯片后封装工艺、 各种封装基板设计和制造、芯片互连与组装、封装总体电性能、机械性能、热性 能和可靠性设计、封装材料、封装工模夹具以及绿色封装等多项内容。封装对于 半导体集成电路和器件有4 个基本功能。即：为半导体芯片提供机械支撑和环境 保护；接通半导体芯片的电流通路；提供信号的输入和输出通路；提供热通路， 散逸半导体芯片产生的热量1 7 】。它直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机 械性能，还影响其可靠性和成本，同时，对系统的小型化常起着关键作用【8 】o 在 过去的2 0 年里，工业生产和学术研究都致力于高频集成的研究，这可显著提高 电子器件的功率，实现尺寸的小型化并减轻重量，这些努力在很大程度上促进了 微电子封装的发展。 第一章文献综述 a c f 是在聚合物基体( 如环氧基的胶) 中掺入一定量( 一般为3 1 5 ，体 积百分比) 的导电粒子而形成的薄膜。导电粒子一般为在表面镀有n i a u 涂层的 球形树脂微颗粒( 一般情况下，外面还会有一层绝缘薄膜) ，大小一般在 2 9 m 1 0 p m 之间畔】。在粘接前的a c f 中，其导电粒子一般呈近似均匀分布，互 不接触，加之有一层绝缘膜，所以a c f 本身是不导电的。未使用的a c f 一般都 有上下两层保护膜，在粘接过程中先后将其保护膜揭掉。通常情况下，a c f 的 粘接过程包括预粘接和粘接两道工艺。当对a c f 加压、加热后，它会变软化( 呈 胶体状态) ，导电粒子可以流动并均匀分布，使得每条线路有一定数量的导电粒 子，保证稳定的电阻值，它主要由粘接温度和固化时间来确定【3 5 , 3 6 】。在粘接压力 的作用下，导电粒子绝缘膜破裂，芯片上的凸台和与之对应的基板线路之间夹着 多个受压变形的导电粒子，由这些变形的导电粒子实现上、下凸台之间的电互连， 其他区域的粒子互不接触，并且密度分布很小，不足以在横向形成导电通路。因 此，实现了在z 轴方向上导电而在x ，y 轴方向上绝缘的各向异性互连。芯片与 基板整体被a c f 的高分子聚合物( 树脂) 固化，实现了电子封装的机械支撑和 散热。a c f 的粘接过程与导电粒子的结构如图1 1 所示【3 7 , 3 8 】。 粘接完成之后，a c f 在互连器件中起到电路连接和机械连接的作用【3 9 】。如 前所述，它与锡铅焊连接相比具有很多的优点；但各向异性导电胶膜连接也存在 着一些不足之处，如：它连接后的接触电阻( 足) 要比锡铅焊的高，而且在湿 热的情况下导电电阻不够稳定，粘接时胶体需要一定的固化时间，影响了大规模 生产速度。再者，线路的金属凸台与基板线路之间的导电粒子数分布不均匀，会 产生每条电路电阻不相同的现象。由于导电粒子的电阻率比较高，工作时会产生 很高的电阻热，导电性能比较差，粘接强度低1 4 0 1 。所以目前还有很多因素限制 a c f 的普遍应用。 1 3 各向异性导电胶膜的研究现状 目前，针对各向异性导电胶膜的研究主要集中在导电机理，导电粒子和胶体 的选择，影响a c f 互连器件可靠性的因素，新型结构胶的开发以及运用有限元 方法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 进行模拟计算等。 。 1 3 1 影响a c f 互连器件可靠- i 生的主要因素 可靠性是电子工业极其关注的问题之一。一般来说，a c f 互连器件的可靠 性都是通过器件的接触电阻和粘接强度两个指标来衡量的。影响a c f 互连器件 可靠性的因素主要有粘接温度，固化时间，粘接压力，导电粒子含量，芯片凸点 第一章文献综述 和基板焊区的平整度，各向异性导电胶膜的弹性模量以及使用环境的干扰等。 1 3 1 1 粘接温度和固化时间 c h a n 等人f 4 1 】研究了不同的粘接温度时，芯片与柔性基板的a c f 互连可靠性， 采用的粘结剂为商用热固型各向异性导电胶膜( a c f ) 。实验的粘接温度分别为： 1 6 0 ，1 8 0 ，2 0 0 ，2 2 0 ，2 4 0 ，固化时间都是1 0 秒。试验结果表明：各 向异性导电胶膜在低于1 6 0 时只有2 6 被固化，胶体中只有线型纤维形成，而 没有形成网状纤维，因而粘接强度较低。在1 8 0 时有7 4 被固化，在2 0 0 时 有8 3 被固化，而且在胶体中有网状纤维形成，虽然温度高于2 0 0 时，固化度 在9 0 以上，但在胶体内有裂纹产生，粘接强度也下降。因为在高于胶体的玻璃 转化温度( z ) 时胶体开始软化，粒子开始流动，如果固化时间太短不利于导 电粒子的流动，导电粒子分布不均匀1 4 2 , 4 3 】。所以固化时间为1 0 秒时，粘接温度 取1 8 0 2 0 0 为佳。 c h e n 等人【删研究了粘接温度对t a b ( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ) 试件( a c f 互连) 可靠性的影响。他们发现：在粘接温度为1 6 0 c 1 9 0 的范围内，t a b 试件的接触电阻并没有明显变化。而且他们认为，接触电阻没有变化是由于导电 粒子变形程度并没有因为粘接温度的变化而变化，粘接温度升高主要提高各向异 性导电胶膜的固化程度，而对它接触电阻的影响不大。同时，试件的剥离强度随 粘接温度的增加而增加，这是因为粘接温度升高使聚合物胶体的流动性增加，它 的固化程度也随粘接温度的升高而提高，而且界面的润湿程度也会提高，所以在 此温度范围内粘接强度随温度的增加而增加。另外，还有一些学者【4 8 】也开展 了粘接温度和固化时间影响a c f 互连可靠性的研究，并得到一些有意义的结论， 给电子工业生产和设计提供参考依据。 1 3 1 2 粘接压力 c h a n 等人【4 9 】研究了不同的粘接压力时，芯片与柔性基板的a c f 互连可靠 性。采用的粘结剂为商用热固型各向异性导电胶膜( a c f ) 。实验的粘接压力分 别为：7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 1 0 、1 2 0 和1 3 0 n b u m p 。实验表明：各向异性导电胶 膜在粘接时，随着粘接压力的增加，接触电阻会迅速下降，然后渐渐趋于平稳， 当压力超过9 0 n b u m p 时，接触电阻开始增加。这是因为导电粒子与芯片凸点和 焊区的接触面积随着压力增加而增加，接触电阻就会减少：但是，压力继续增大 时，导电粒子的导电层就会被压破，甚至整个导电粒子被压碎，从而导致接触电 阻增加。结果表明粘接压力应该在7 0 9 0 n b u m p 为佳。 c h e n 等人m 】也研究了粘接压力对t a b 试件( a c f 互连) 可靠性的影响。 他们发现：粘接压力的改变对a c f 互连的可靠性影响很大。平均接触电阻随粘 接压力的增加而减小；剥离强度随粘接压力的加大而下降。粘接压力增加会使各 第一章文献综述 向异性导电胶膜的胶体过多地被挤压出去，使粘接胶体变薄，最终导致粘接强度 下降。同时，如果粘接压力过大，不但会影响互连器件的接触电阻，而且在其释 放后会产生过多的残余应力，降低互连的疲劳寿命。另外，还有一些学者【2 2 , 5 0 5 4 】 也开展了粘接压力影响a c f 互连可靠性的研究，并取得重要研究成果。 1 3 1 3 导电粒子在胶体里的含量以及粒子直径的影响 p a i k 等人【5 5 , 5 6 】通过试验得到，导电粒子的含量对各向异性导电胶膜的玻璃化 转化温度( ) ，储能模量( e ) 和损耗模量( e ”) 都有一定的影响。四种导 电粒子含量不同的各向异性导电胶膜，其粒子含量分别为5 、1 0 、3 0 和5 0 ， 利用差示扫描量热计测量( d s c ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ) 显示，导电 粒子含量增加可增大各向异性导电胶膜的玻璃化转化温度( 疋) ；动态力学分析 仪( d m a ，d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r ) 测试表明导电粒子的增加在常温情况 下会引起导电胶e 的增加。随粒子数量的增加接触电阻减小，但粒子数增加到 一定程度时接触电阻趋于稳定，所以在不影响导电胶黏度和粘接强度的情况下， 应尽量增加导电粒子的数量，一般体积含量都在1 0 以上。 另外，导电颗粒直径的波动对互连电性能有较大影响【2 4 】。一般情况下，导电 粒子的直径都是在一定误差范围内波动的。在粘接的过程中，直径较大的粒子先 发生变形。当变形到一定程度后，直径较小的粒子才开始变形。当粘接结束后， 原来直径较大的粒子就变形较大，它与芯片凸台或者基板底盘的接触面积也就自 然较大，导电性能就越好。相反，原来直径较小的粒子的导电性能就较差。因此， 接触电阻还与颗粒直径分布和接触面的焊合程度有关。f r a n k 等人【5 7 认为标准偏 差越大的导电颗粒在相同的粘接压力下接触电阻越大，导电颗粒平均尺寸对接触 电阻的变化没有明显的影响。 1 3 1 4 芯片凸点和基板焊区的平整度 由于电路的金属凸点和基板焊区的平整度不均匀，它会直接或间接影响各向 异性导电胶膜粘接后电子元件的接触电阻大小和它的均匀程度1 5 8 , 5 9 。在电子显微 镜下观察，电路的金属凸点和基板焊区表面相对粒子大小来说是凸凹不平的，它 会影响到导电粒子与之接触的面积，接触面积不同就会影响到它的接触电阻。如 果粘接时芯片相对基板倾斜，会导致一边导电粒子被压碎而另一边导电粒子还没 有与焊区接触，或者出现芯片与基板焊区错位，都会造成导电粒子与电路的金属 凸点或基板焊区接触不良。所以应尽量保证金属凸点和基板焊区的表面光洁度和 平整度，使导电粒子均匀变形。 1 3 1 5a c f 的弹性模量 a c f 连接的电路和基板的热膨胀系数不匹配，在温度变化的情况下，它们 的变形不一致，长时间的这种变形必然会引起电子元件的失效。而a c f 弹性模 第一章文献综述 量的大小对这种现象有很大的影响。由于导电粒子只起到导电和部分支撑的作 用，而连接情况的好坏完全集中在胶体上。导电胶的弹性模量越低，芯片和基板 由于热膨胀系数的不匹配产生的剪应力越小，但a c f 的弹性模量太小会引起导 电胶疋降低，而且也会引起导电胶强度的下降，所以各向异性导电胶膜的弹性 模量是可靠性的一项重要参数【47 1 。 1 316 环境干扰 由于外界环境的干扰，a c f 互连器件的接触电阻不稳定和粘接强度下降是 影响a c a 互连可靠性并引起广泛关注的可靠性问题之一。 其中，热冲击是导致a c f 互连失效的重要原因。a c f 互连器件可以视为一 种复合结构，当外界温度发生变化时，由于器件的各组件的热膨胀系数不匹配， 从而导致热应力的作用。在热冲击载荷作用下会在a c f 与i c 界面或a c f 与基 板界面上形成裂纹，导致a c f 互连失效。特别是在高低温交变的热循环载荷作 用下，各组件不断地膨胀和收缩，更容易导致a c f 连接发生疲劳失效。m i s r i 等 人唧j 研究了热循环( o 1 2 5 ，1 5 0 0 次循环) 条件下各向异性导电胶用于柔性基 板和硅芯片互连系统的电性能，他们把互连结构的电阻分成接触电阻和薄膜电阻 两部分。研究发现随实验的进行，接触电阻和薄膜电阻都增加，得出结论：实际 接触面积随老化时间的增加而减小，接触面积的减小率最初较大，然后趋于稳定。 r i z v i 等人【6 l 】的工作集中在热循环过程中a c f 与柔性基板上芯片互连的性能方 面，研究发现大范围温度循环和较长的停留时间使得a c f 互连的应力更高，较 高的应力会沿着c h i p a c f 的界面边缘集中。试验的结果表明，大范围温度循环 和较长的停留时间会增加接触电阻的值，他们用扫描电镜( s e m ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 对连接部分的微结构进行精确观察发现循环热载荷使得导 电粒子从芯片凸点或和基板衬垫上脱离，认为这是接触电阻增加、a c f 互连失 效的原因。 高温高湿环境对a c f 互连器件的接触电阻和粘接强度也有重要影响。在高 温高湿环境下，互连金属的氧化、电化学腐蚀以及聚合物吸潮导致接触电阻增加， 由此引发a c f 互连的可靠性问题。l i u 等人【6 2 】报道了曝露在高温高湿环境下的 导电胶在一定的老化时间内发生了进一步的固化、水解和氧化。对于有填充物的 树脂，研究表明吸附的水会侵蚀胶粘剂与填料的界面引起界面性能下降。l i n 等 人【6 3 , 6 4 1 研究了湿热环境对a c f 的影响，发现湿和热对a c f 都有很大的影响，但 是湿度的影响更为明显，高温高湿环境下，a c f 吸湿导致材料性能迅速下降。 他们还研究了高温高湿环境对环氧树脂系统力学性能的影响，发现由于聚合物吸 收了环境中的湿气产生了塑性化的效应，从而导致材料的拉伸强度和弹性模量均 大大降低；另外，由于湿热老化的影响，原来聚合物吸收的水分子发生水解作用， 第一章文献综述 从而导致胶链密度减小，失去原有的优越的物理性能。他们研究了高温高湿环境 对c o g ( a c f 互连) 器件粘接强度的影响，发现剪切力与剪切位移基本呈线性 关系，而且黏弹性变形不显著；c o g 试样的粘接强度随湿热老化时间的增加不 断降低；他们对试验结果进行了系统的分析，并推断湿热老化是通过物理和化学 两方面的激励导致了聚合物的不可逆损伤。 1 3 2 新型结构各向异性导电胶膜的开发 为增加互连器件的可靠性，使a c f 更适用于高密度、细间距的封装结构中， 许多学者开展了开发新型结构各向异性导电胶膜的工作。e o m 等人1 6 5 】制作出一 种由高聚物基体和低熔点焊料掺杂组合而成的新型各向异性导电胶膜，并运用 d s c 和d m a 测量其基体与填充焊料的化学和流变学特性。在焊料的表面加覆还 原剂防止固化时焊料表面发生氧化。在运用该胶进行粘接的过程中，加入一定量 的催化剂来控制固化条件，最终给出该胶的最佳粘接工艺参数。结果表明，运用 这种新型a c f 粘接后的互连器件具有很好的电学性能和较高的可靠性。y i m 等 人1 6 6 开发了一种多层结构的新型各向异性导电胶膜，该胶比传统的a c f 多了上 下两层绝缘的功能型树脂层，目的是增加胶体在固化时与基板和芯片的粘接性能 并控制导电粒子的流动。为对比多层a c f 与单层a c f 互连器件的可靠性，分别 对两组c o f ( c h i p o n f l e x ) 器件进行了热循环( 5 5 1 6 0 ，1 0 0 0 次循环) ， 高温高湿( 8 5 ，湿度8 5 ，1 0 0 0 次循环) 和高温储存( 1 5 0 ，1 0 0 0 次循环) 条件下的对比实验。结果表明经过高温高湿环境作用后，多层a c f 互连器件接 触电阻的增加率比单层的高1 0 ，但仍保持较高的粘接强度。他们认为该多层 a c f 更适合细间距的c o f 互连。 1 3 3 利用有限元方法进行数值模拟 目前，利用有限元方法( f e m ) 对各向异性导电胶膜的粘接过程及可靠性进 行数值模拟成为研究的热点之一，也是一大难点。许多学者在这一方面做了大量 的工作。y i m 等人1 67 j 研究了l c d 封装中各向异性导电胶的设计问题，通过有限 元方法建立了a c f 中的导电粒子在受压状态下的模型，模拟了导电小球的变形 和受力状态，推算导电胶的导电性能变化，并通过实验进一步证实了有限元模拟 的正确性。d u d e k 等人1 6 副研究了a c f 中导电粒子的流动性能和热机械响应问题。 提出了一种数值模型分析了在粘接过程中的粒子在环氧粘结剂流体中的流动，对 实验中观察到的粒子分布进行预测。并且利用有限元软件a b a q u s ，模拟了导 电小球粘接合随后冷却过程中的机械响应，发现粒子外部金属层发生塑性变形， 应力最大处位于小球中心，接触面附近冷却后出现剥离应力可以导致分层。另外， 第一章文献综述 他们还进行了聚合物封装材料的有限元模拟，认为聚合物的温度相关黏弹性在有 限元建模中十分重要，尤其是疋附近温度范围，而且还考虑了应力松弛这一物 性的影响。k o g u c h i 等人f 6 9 】对a c f 连接装配过程中的可靠性利用有限元方法进 行了分析，将装配过程分解为三个主要步骤包括粘接，冷却及热循环。分别模拟 了无填充粘结剂和有填充粘结剂两种情况，并得出了两种情况下小球与上下金属 块接触部位的应力分布。文中对于环氧树脂粘结剂的黏弹性的处理主要基于弹性 模量随时间的变化。 1 4 材料的黏弹性及黏弹性力学行为 1 4 1 材料的黏弹性 在连续介质力学中，人们最早熟悉的两类简单物质或材料是弹性固体和黏性 流体。弹性固体具有确定的体积和构形，受静载作用时应力状态和变形与时间无 关，外力卸除后完全恢复原状：黏性流体没有确定的构形，其形状决定于容器， 在外力作用下随时间连续地变形，产生不可逆的流动 7 0 j 。实际上，许多材料在一 定条件下，往往同时具有弹性固体和黏性流体两者的特性，综合呈现弹性和黏性 两种不同机理的变形，材料的这种性质称为黏弹性【7 1 1 。黏弹性材料可分为线性和 非线性两大类。若材料的力学性能表现为线弹性和理想黏性的组合，则为线性黏 弹性材料。如果以线弹性胡克体和理想黏性牛顿流体为两端来构成材料谱系，则 介于这两者之间的均属于线黏弹性体。线性黏弹性体在不同时刻的应力和应变虽 然各有不同，但在任一时刻其应力与应变均呈线性关系。在许多情况下，黏弹性 体呈现非线性弹性或非牛顿流体变形，或组合地呈现非线性弹性和非牛顿流体的 特征，这种物质是非线性黏弹性体，它的力学行为和本构关系比线黏弹性物质复 杂 7 2 1 。物质的黏弹性能与温度、负荷时间、加载速率、应变幅值和其他环境因素 密切相关，其中最主要的因素是时间和温度【7 2 1 。高聚物及其复合材料属于典型的 黏弹性材料1 7 。 1 4 2 黏弹性力学行为 材料黏弹性的宏观表象描述，着重于物质的力学行为与时间、速率、频率和 温度的相关性。下面简要阐述物质的黏弹性性能：准静态条件下物体的应力应变 随时间而变化的基本现象，即蠕变和应力松弛；黏弹性与加载速率有关；谐变作 用时黏弹性能的频率相关性；黏弹性行为的温度依赖性【7 0 , 7 1 】。 第一章文献综述 1 4 2 1 蠕变和应力松弛 在一定的载荷作用下，弹性固体的应变或应力为一定值，不随时间而变化； 对于理想黏性流体，其变形则以等应变率随时间而增加。黏弹性物质受一定应力 作用时会或多或少地继续产生变形，在一定的应变条件下应力幅值将随时间而有 所减小。 ( 1 ) 蠕变恢复 在恒定载荷( 或应力) 作用下，应变随时间而逐渐增加的过程或现象，称为 蠕变。通常，不同的材料或某种材料在不同条件下的蠕变并不相同，聚合物尤为 明显。图1 2 ( a ) 表示在突加后保持恒定应力瓯作用下的一种蠕变曲线a b c ，应 变占= 厂( 盯，f ) ，t 表示时间。在较低应力水平下，固体材料的应变可能达到某一 稳态值。受较大载荷时或在较高温度下，材料与结构的蠕变过程呈现出瞬时蠕变 ( 应变率随时间增加而减小) 、稳态蠕变( 应变率几乎为常值) 和加速蠕变( 应 变率随时间迅速增加) 三个阶段，这种蠕变破坏曲线如图1 2 ( b ) 所示。 ( a ) 蠕变恢复过程( b ) 蠕变过程 ( a ) c r e e p - r e c o v e r yp r o c e s s( b ) c r e e pp r o c e s s 图1 2 等应力作用下的蠕变过程 f i g 1 - 2c r e e pp r o c e s su n d e rc o n s t a n ts t r e s sl e v e l 恢复：若在某一时刻卸去载荷，弹性固体将恢复原样，如果不考虑惯性，则 应变瞬即恢复为零。对于黏弹性材料，在t = 时刻除去外力( 图1 2 ( a ) ) ，则在 瞬时弹性恢复( c d ) 后，有一个逐渐恢复的过程( d e ) 。这种蠕变恢复现象， 有时称为滞弹性恢复或延迟恢复。留存于物体中不可恢复的应变，由恢复曲线的 渐近值确定。 ( 2 ) 应力松弛 在恒定应变下应力随时间而减小的现象或过程，称为应力松弛。图1 3 表示 一般的应力松弛过程，开始时应力较快地衰减，而后应力逐渐降低并趋于某一恒 定值。从流变机理的相关模型看，黏性流动经过一段时间后将使应力较快地衰减 第一章文献综述 至零。因而，在一定应变条件下，应力较快地降低并最后趋于零的物质是黏弹性 流体；而经过较长的时间后应力衰减至某一定值的物质则为黏弹性固体。 图1 3 应力松弛过程 f i g 1 - 3p r o c e s so fs t r e s sr e l a x a t i o n 1 4 2 2 载荷速率效应 除了蠕变、应力松弛和滞弹性现象外，加载速率效应是材料黏弹性的重要特 征。随着应变率的增高，一般材料的应力响应幅值有不同程度的增加，聚合物的 率敏感性通常比金属材料更为明显。加载速率通常也会影响材料的强度，黏弹性 材料的屈服应力幅值一般随应变率的增高而增大，这种屈服强度的率相关问题有 着重要的理论意义与应用价值【7 3 1 。对黏弹性材料率相关性能的考察通常都是在准 静态加载条件下进行的。 1 4 2 3 频率相关性能一 蠕变、应力松弛和率效应描述准静态载荷下一定或较长时问过程的黏弹性行 为。然而，许多黏弹性材料及其结构所受的载荷随时间而交替变化，材料由于黏 滞效应而与频率相关，产生能量耗散，这是黏弹性能的重要特征之一。 迭严，、一 r 叫 ( a ) 弹性固体的应变响应 ( a ) s t r a i nr e s p o n s eo fe l a s t i cs o l i d 供，厂父一 刊2 t o t 一辫i ( b ) 理想黏性流体的应变响应 ( b ) s t r a i nr e s p o n s eo fi d e a lv i s c o u sf l u i d 巡2 、一 r 一 ( c ) 黏弹性体的应变响应 ( c ) s t r a i nr e s p o n s eo fv i s c o e l a s t i cb o d y 图l - 4 交变应力作用下的应变响应 f i g 1 - 4s t r a i nr e s p o n s eu n d e ra l t e r n a t i n gs t r e s s 第一章文献综述 当弹性固体受到呈正( 余) 弦波变化的应力作用时，应变与应力也同相地作 正( 余) 弦变化( 图1 - 4 ( a ) ) ，此时没有能量损耗；对于理想黏性流体，从应力 应变关系仃= 幡可知，应变滞后相位y 2 ，滞后时间为y 2 缈，其中c o 为频率， 见图l - 4 ( b ) 。对一般黏弹性体而言，谐波应力下的应变响应则介于弹性固体与黏 性流体之间，若用万表示应变滞后相位差，则有0 万 y 2 ，滞后时间为8 功， 如图1 - 4 ( c ) 所示。材料在稳态谐振条件下表现出的黏弹性行为，有时习惯地称为 黏弹性动态力学性能。通常采用振动试验研究频率相关的黏弹性动态行为。 1 4 2 4 温度依