（机械制造及其自动化专业论文）无铅互联倒装封装高频性能分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 s o p ( s y s t e mo np a c k a g e ) 系, 统封装是现代微电子封装的发展趋势。除了 较短的互联较低的信号延迟外，s o p 可以集成光学、射频、数字电路的功 能器件。在采用了s o p 的射频系统中，无源器、滤波器、和平面天线通过 多层封装技术内嵌于封装之中，同时可以将有源芯片与其它电路在封装中 集成到一起。s o p 以较低的成本达到了较好的性能。伴随一系列无铅法规 的出台，s o p 中广泛应用的锡铅焊料逐渐被无铅焊料和导电胶取代。 倒装封装中焊料合金焊点互联的高频性能已经有很多相关报道，但是 还较少有人针对导电胶互联进行过讨论。本文就各向异性导电胶互联在倒 装封装中的高频性能展开了系统和深入地研究。面对高频电路中常见的微 带线和共面波导，我们分别对这两种电路结构的各向异性导电胶互联进行 了分析。导电胶在高频应用上与焊料合金相比最大的不确定性在于导电颗 粒。为此，我们研究了导电颗粒数目、分布、大小、间距、胶介电常数等 不同因素对互联所造成的影响，提取了部分等效电路参数，并与焊料合金 焊点互联中公认的影响因素做了对比，如导体重叠长度、连接点高度、连 接点间距。最后对两种电路结构的各向异性导电胶互联分别提出了优化性 能的方案。 随着集成电路芯片内晶体管数量的增加和布线间距的缩小，半导体芯 片的发热量越来越大。由于s o p 具有高度集成的结构，散热成为急需要解 决的问题之一。改善在芯片和封装结构之间的界面散热材料可以减小热阻， 提高热导率，使在芯片产生的热量更有效的散发到周围的环境中去。我们 合作课题组利用电纺技术研究了一种新型的纳米界面散热材料。本文的第 五章实验研究测量了这种新型材料的介电强度，通过有限元模拟方法分析 了介质的击穿机理，并讨论了其他可能影响介电强度的因素。 关键词：各向异性导电胶，高频，界面散热材料，介电强度 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t s o p ( s y s t e mo np a c k a g e ) i st h et e n d e n c yi nc u r r e n te l e c t r o n i cp a c k a g i n g i t n o to n l yp r o v i d e sl o w e ri n t e r c o n n e c t i o nl i n e sw i t hl o w e rs i g n a ld e l a y , a l s oi tc a n a c c o m m o d a t em a n yo p t i c a l ，r a d i of r e q u e n c y ( r f ) a n dd i g i t a lc i r c u i t s i nas o p r fs y s t e m ，p a s s i v e s ，b a n d p a s sf i l t e r ，p l a n a ra n t e n n aa r ep a c k a g e dt h r o u g h m u l t i l a y e rs t a c k e dt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，a e t i v e sa n do t h e re m b e d d e dc i r c u i t c a nb ei n t e g r a t e dt o g e t h e ri nas i n g l ep a c k a g e t h es o pt e c h n o l o g ya c h i e v e d b e s tp e r f o r m a n c ew i t hl o w e s tc o s t h o w e v e r , w i t ht h ec o m i n go u to fs e r i e s l e g i s l a t i o n s t o w a r d sl e a d - f r e e ，t h es n - p bs o l d e rw i d e l yu s e di ns o pa r e g r a d u a l l yr e p l a c e db yl e a d f r e es o l d e ra n dc o n d u c t i v ea d h e s i v e s p r e v i o u s l y , t h e r ew e r em a n yl i t e r a t u r e sr e p o r t e dt h eh i g hf r e q u e n c y p e r f o r m a n c eo fm e t a l l i cs o l d e ri nf l i pc h i pj o i n t s ，b u tt h e r ea r e s t i l lf e w d i s c u s s e da b o u tc o n d u c t i v ea d h e s i v e s i nt h i s p a p e r , w es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d t h e h i g hf r e q u e n c yp e r f o r m a n c e o f a n i s o t r o p i c c o n d u c t i v e a d h e s i v e s ( a c a ) c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tr fc i r c u i tl i n ed e s i g n ：m i c r o s t r i p a n dc o p l a n a rw a v e g u i d e ，w ei n v e s t i g a t e da c ai n t e r c o n n e c t i o n si nt h e s et o w t y p e sr e s p e c t i v e l y f r o mt h ev i e wo fh i g hf r e q u e n c ya p p l i c a t i o n ，c o m p a r e dt o m e t a l l i cs o l d e r , t h ea c a p a r t i c l e sm a k ei th a r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e d u r i n g o u rr e s e a r c h , w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e s b yp a r t i c l en u m b e r , d i s t r i b u t i o n ，d i m e n s i o n , d i s t a n c ea n dd i e l e c t r i cc o n s t a n to fr e s i n f u r t h e r , w e e x t r a c t e dp a r to ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，a n dc o m p a r e dt h e s ei n f l u e n c ef a c t o r si n a c aw i t hc o n v e n t i o n a lf a c t o r si nf l i p c h i pi n t e r c o n n e c t i o ns u c ha sc o n d u c t o r o v e r l a p ，b u m ph e i g h ta n dj o i n t sd i s t a n c e f i n a l l y , w ep r o p o s e dt h eo p t i m i z e d d e s i g ns c h e m e sf o r t h ea p p l i c a t i o no fa c a a sf l i pc h i pj o i n t a st h et r a n s i s t o r sn u m b e rg r o w i n gi nc i r c u i t ，t h ec h i pi sb e c o m i n gh o t t e r a n dh o t t e re v e r y d a y s i n c es o pi sah i g h l yi n t e g r a t e ds t r u c t u r e ，h e a td i s s i p a t i o n h a sb e c o m eo n eo fm o s tu r g e n tp r o b l e m sp e n d i n gs o l v e d t h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a lc a nb eu s e db e t w e e nt h es u r f a c eo fc h i pa n dp a c k a g e ，d e c r e a s i n gt h e v i 上海大学硕士学位论文 t h e r m a lr e s i s t a n c ea n di m p r o v i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，t h u sl e tt h eh e a ti n s i d e c h i p sd i s s i p a t ei n t ot h eo u t e re n v i r o n m e n t o u rg r o u pi n v e n t e dan e w k i n do f n a n o t h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a lv i ae l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g y i nt h ef i f t h c h a p t e ro fo u rp a p e r ，w ei n v e s t i g a t e dt h ed i e l e c t r i cs t r e n g t ho ft h i sn e wm a t e r i a l ， r e v e a lt h eb r e a k d o w nm e c h a n i s mf r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df e ms i m u l a t i o n r e s u l t s m o r e o v e r , w ed i s c u s s e do t h e rr e l a t e df a c t o r sm a yc o n t r i b u t et ot h el o w d i e l e c t r i cs t r e n g t h k e y w o r d s ：a n i s o t r o p i c c o n d u c t i v ea d h e s i v e ，h i g h f r e q u e n c y , t h e r m a l i n t e r f a c em a t e r i a l ，d i e l e c t r i cs t r e n g t h v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：递日期：j 趔门陆 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士学位论文 第一章系统封装s y s t e mo np a c k a g e 简介 2 l 世纪的到来见证了无线通信和无线服务的飞跃。寻呼、数字、模拟蜂窝电 话技术和个人通信服务正在经历飞速发展的时期。当前的个人通信系统的工作频 率集中在s 波段的9 0 0 m h z 到1 8 g h z 之间；未来的通信系统将达到2 4 至1 j 5 8 g h z 的 c 波段。低频段的系统和服务已接近饱和，目前国内外企业和研究机构都在致力 于开发高带宽和高数据容量的高频系统，其中很多超越了传统移动通信领域的范 畴，将无线业务扩展到射频识另i j ( r f i d ) 、卫星通信、多点分布式系统及无线局域 网等。其工作频率也已经跨越到k u 到q 的微米波波段。 不断扩张的通信领域急需低成本高效的系统级解决方案，这些都极大的促 进了射频微波电路的发展。应用了系统集成芯片( s y s t e r no nc h i p ) 技术的高密度 集成的器件如变频器、低噪声放大器、频率合成器等已经逐渐取代了采用混合 电路的分立半导体器件。这些射频集成电路( r f i c ) 和单片微波集成电路( m m i c ) 一般都由大规模集成电路、数字信号处理器、微机控制芯片等封装在多层印刷 电路板上制成【。在一个总的系统中通常会还会包含混合信号电路、微机电系 统( m e m s ) 和光电电路。要将这些不同电路结构、不同材料集成在单一芯片中， 以目前的半导体技术是非常困难的。即使集成成功，成本能否接受，性能是否 能符合要求，都是值得商榷的问题。如系统所有的电路都放在单一芯片中，其 芯片过大将会导致生产良品率过低，则单芯片系统就很难符合成本效益的平衡 要求。另一个需要探讨的问题是设计自由度，在一个系统中包含许多不同的功 能，有些功能可能不适合用半导体制造技术来制作。然而单芯片系统就是要用 单一半导体技术来集成系统中所有的功能，其设计的自由度当然受到很大的限 制，并且系统也无法达到最佳性能化的设计。s o p 技术是在9 0 年代中期由美国 佐治亚理工学院的封装研发中心提出的。s o p 技术借鉴并发展了s o c 技术，逐 渐成为了集成电路系统和生物电子系统的首选解决方案( 见图1 1 ) 。许多人认 为，相对s o c ，系统封装( s y s t e mo np a c k a g e ，s o p ) 的方式，很有希望成为下 一代无线通信的解决方案。 上海大学硕学位论文 s o c t t c t m 峭“e ，n ，“”l j if r 【h 叩 m c m h t t e r ( r j t ，n ，、 ，* ：一圈：兰s _ 一露、 7 ”圈_ ，i ： 蕊曼羔二：岁 黑， l _ d _ _ - 二- j o 。；， 蛰竺一：岁 广磊可 厂可丽1 厂丽f 一 ， 二夏覃二 ) 二二二， l = = = 二二= = ：一自鼬 叭，、瓢兰塞二一 c m “舌p 出( - h t p s 盯= = = 二= 二三三= = ； l m c k a g e tf u rr e i h e d n t 哪、 s o p 一一 ml | ：e 、如、 b e ，v e e n ，c il m d l a c k e l g r 、| m l | hr l ：“u | c i 、 j 。口“”。 鼍t 。；，t 二弓 t i i f i 图1 2 ( 曲$ 0 c 0 ) m c m ( c ) s i p ( d ) s 0 p 的比较 、1 、 海大学硕十学位论女 图t3 提供集成度和性能最优化的s o p 例 图1 2 给出y s o c 、m c m 、s i p 、s o p 的比较。图12 ( a ) 是s o c 的示意图。s o c 是将一个完整的系统集成在一个芯片上，但目前的半导体技术很难将大部分的系 统集成成单芯片，退而求其次，就是将所有电路集成在单一封装( p a c k a g e ) 内，虽 然其集成程度不如单芯片系统高，但对于最终电子产品的设计制造者而言使用 及设计的方便性使其较单芯片系统容易实现。首先是多芯片模块( m u l t i e h i p m o d u l e - m c m ) 技术出现，将数个不同功能的芯片与各元器件放置在同一封装 上，并将这些芯片与各元器件的连接也制作在封装内，图12 ( b 1 表示m c m 多芯片 模块的截面图。多芯片模块大幅提高了系统设计自由度，可以针对个别功能制作 最佳的芯片后，在封装上组合成系统。另外两种集成的技术，则是分别由日本业 界所领导的s i p ( s y s t e m i n - p a c k a g c ) 与美国乔治亚理工学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 大力提倡的s o p ( s y s t e m - o n - p a c k a 9 0 。这两者虽然都主张用更新的封 装技术来集成系统，但其构想及技术上有一定的差异。 图1 2 ( c ) 为s l p 的截面示意图它利用芯片的堆叠封装与组装技术，来实现集 成电路的3 d 叠层封装，在封装基础上制成多个芯片组成的系统，因其3 d 结构可 上海大学硕士学位论文 有效降低形状因子，即缩小系统的体积。显然s i p 较单芯片系统在设计和工艺上 更有弹性。图1 2 ( d ) 给出了s o p 的示意图，它不但是将多个芯片在封装基础上形 成一个系统，而且将芯片和封装统一考虑，进行芯片和封装的联合设计 ( c o - d e s i g n ) 实现功能优化同时将系统的体积微小化。不论是s o c 或s i p 都是很好 的技术，两者也都可以成为s o p 的一部分。 图1 3 是提供集成度和性能最优化的s o p 的一个例子。乍看之下与m c m 颇为 相似，但其实并不相同。m c m 仅在封装内制作不同芯片间的连接线，而s o p 除 了连接线外，还制作封装内嵌的光学、射频、数字所需的元器件及其它功能器件。 s o p 射频系统可以通过叠层的封装技术，将无源器、滤波器、和平面天线都内嵌 于封装之中，并且有源芯片也可以与其电路集成在一起。若要以单芯片系统来制 作同样的系统，不论是系统性能，或是成本效益，单芯片系统都不如s o p 理想【5 羽。 本论文的研究致力改进系统封装s o p 的电学和热学性能。各向异性导电胶 ( 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 c a ) 是s o p 无铅化的趋势之一，在高频电路中 的应用也越来越广，但是还没有相关文献报导a c a 的高频性能的系统研究。本文 第三和第四章将讨论各向导电胶a c a 互联倒装封装的高频性能。 随着一个芯片内晶体管数量的增加，半导体芯片的发热量越来越大。s o p 是 高度集成的结构，散热无疑是急需要解决的问题之一。在芯片和封装结构之间的 界面散热材料可以减小热阻，提高热导率，使积聚在芯片表面的热量更有效的散 发到周围的环境中去。本文的第五章将对一种新型的纳米界面散热材料( t i m ) 的 介电性能进行研究。 4 上海大学硕士学位论文 第二章无铅互联倒装封装高频性能研究背景 2 1 无铅背景简介 2 1 1 铅的危害 近年来，信息化已成为当今世界经济和社会发展的大趋势，相应地电子工业 已经成为国家科学技术、先进制造业以及整个经济发展的基础。随着电子封装技 术与组装材料的进一步发展，人们在追求产品的高性能的同时，更加注重了它的 无毒、绿色和环境友好等特点。在环保、法律、技术、市场等多种因素的约束和 推动下，国内外的各种组织、科研机构和公司对电子封装绿色材料的研究与开发 日益活跃起来。铅基焊料，尤其是共晶和亚共晶的锡铅焊料，目前被广泛的应用 于电子电路组装中。但是铅对人体极为有害，它的毒性在于它是不可分解的金属， 并且一旦被人体摄取会在人体内聚集而不能排出，铅与人体内的血红蛋白会强烈 结合而抑制人体的正常生理功能，造成神经系统和代谢系统紊乱，使神经和身体 发育迟缓，改变感知和行为能力，铅中毒对年幼儿童的发育有极大的危害。因为 儿童的神经系统正处于快速的生长和成熟时期，对铅毒性尤其敏感，长期低剂量 接触铅将影响婴幼儿的智力发育，学习记忆和注意力等脑功能，还影响到体格的 发育。国内外研究都发现，在环境铅污染越严重的地方，儿童智力低下的发病率 越高。国外专家对1 4 8 名1 0 岁儿童智力发育状况进行了研究，与2 岁时血铅对比发 现：2 岁时血铅较高的儿童1 0 岁时智力状况仍较差。即使是轻度的铅中毒也可以 引起患儿注意力涣散、记忆力减退、理解力降低与学习困难，或者导致儿童多动 症、抽动症，前者常因心理缺陷导致智力发育不平衡，后者常因继发性精神异常、 强迫症、恐怖症妨碍智力发育。身体铅含量过高的成人，会引起免疫力下降，头 痛、头晕、失眠、多梦、记忆力减退、乏力、肌肉关节酸疼。并形成慢性肾病、 消化功能紊乱、肝炎、高血压、肾炎、性功能衰退、丧失生育能力、女性流产、 早产、不孕、死胎等。中毒还会导致心肌细胞破损，引发心脏病【7 ，8 】。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 无铅法规 表2 1 是美国金属工业协会发布的2 0 0 6 年度工业用铅调查。从中可见，9 0 左右的铅消耗都集中于电池行业，电子工业中铅的使用量约占铅消耗量的0 5 左右。在电池行业，作为电极的铅板体积相对较大，回收起来比较容易。而电 子产品则不同，从电子元器件组装时的芯片键合、b g a 球、倒装芯片的焊料凸 点等，到元器件外引线的表面镀层，再到印刷电路板表面的防氧化保护层，最 后到元器件与印刷电路板上焊盘之间的连接，可以说含铅焊料在电子产品中几 乎无处不在。电子产品中铅的这种高度弥散分布的存在状态为其回收造成了很 大的困难，焊点接头微型化和产量急增也使废弃物的处理成为一个十分严重的 问题。事实上，电子产品废弃，拆分到印刷电路板级别时，通常做法就是直接 当作工业垃圾抛弃。大量的电子垃圾来不及处理就直接废弃或掩埋，会在酸雨 环境中发生电化学反应而浸入土壤和污染水源。据日本官方统计数据，仅电视 机、洗衣机、电冰箱、空调这四种家用电器，每年需要废弃的总数量就已经超 过2 0 0 0 万台，如一台电器按只有一块印刷电路板计算，其上面铅的总重量就已 经是2 0 0 吨之多了，由此看见废弃电子产品构成了废弃铅的主要来源 m 】。 表2 12 0 0 6 年美国工业生产中的铅含量 9 1 铅含量 用途 单位：吨 枪支弹药武器 7 4 ，3 0 0 黄铜、青铜、木材和工业用铁 3 ，1 1 0 输电通信电缆外壳及建筑中 7 ，9 4 0 金属铸造 1 9 ，5 0 0 铅制品 3 0 ，1 0 0 焊料 8 , 0 6 0 电池 1 , 2 8 0 ，0 0 0 镀铅铁板及其他含铅金属产品 1 , 8 1 0 总量 1 ，4 3 0 ，0 0 0 并非在原材料和生产过程中停止了铅的使用，就可以视为无铅产品。即使 并不是有意添加，在生产的某些环节铅的浸入甚至污染都会使铅进入最终产品。 目前广泛接受的无铅电子产品是由j e d e c 定义的：铅元素重量低于o 2 的器 6 上海大学硕士学位论文 件可视为无铅产品。鉴于铅的严重危害，随后全球许多国家和组织都通过立法 来限制其使用和排放，其中包括在电子封装和组装工业中积极推广使用无铅焊 料【l i 】。 无铅化电子组装的提出起源于美国，1 9 9 0 年美国国会提出了“在所有电子 器件的范围内禁止使用铅的法案，其内容之一就是要求将电子组装用途焊料中 的含铅量控制在0 1 w t 。由此在世界范围内开展了电子组装业替代无铅焊料的 研发活动，并对替代焊料的各种物理性能、应用稳定性能及可靠性能等进行了 系列的研究。1 9 9 9 年美国半导体制造装置材料工业会n e m i 成立了无铅化研发 组织。美国的加州推出了相应的法案e l e c t r o n i c sw a s t er e c y c l i n ga ao f 2 0 0 3 来 限制铅的应用【1 2 】。 在欧洲，电子设备污染( w e e e ) 法要求电子设备生产商负责处理和回收其生 产的废旧产品。与w e e e 法规并行的有害物质禁用( r o l l s ) 法规定从2 0 0 6 年7 月开始，禁止铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯和聚合溴化联苯乙醚在电子 产品中的使用，其中被铅排在第一位【1 3 】。日本作为全球最大的消费电子制造国， 虽然没有通过国家立法来直接限制使用含铅焊料，但主要消费电子制造商积极 响应，承诺尽快实现电子组装无铅化。日本公司纷纷开展“绿色采购 活动， 要求他们的供应商提供绿色环保型产品。如日本的索尼公司一直积极推进电子 产品的无铅化进程，特别需要指出的是，索尼公司所制订的一些企业标准文件 在市场上，特别是在中国市场上有着巨大的影响力，如s s 0 0 2 5 9 部品、材料 方面环境管理物质的管理规定，现在很多国内电子企业在开始无铅化进程时都 会以这份文件作为蓝本，对其供应商提出要求。文件中所规定的内容与欧盟 w e e e 和r o h s 指令的内容基本是相同的。在汽车电子行业，日本国际贸易 工业部也制定了减少铅用量的时间表【1 4 15 1 。 我国作为世界上新兴的电子产品制造基地，据统计2 0 0 3 年我国电子产品出 口总值为1 4 4 0 亿美元，占国内电子产品生产总值的6 0 左右，欧盟指令生效后， 我国的电子产品出口会受到很大的损失。因此，我国政府也高度重视对上述指 令的应对问题。2 0 0 6 年2 月，中国信息产业部等七部委发布了2 0 0 6 年第3 9 号 令，公布了“电子信息产品的污染防治管理办法 ，并于2 0 0 7 年3 月1 日起正 7 上海大学硕士学位论文 式实施。同时，中国国家标准化管理委员会也于2 0 0 3 年7 月着手制定无铅焊 料国家标准【i “。发达国家这几年设置的贸易壁垒正从关税型转向拄术型，欧 盟现在规定的屉后期限，应当是环保技术逐步走向成熟后作出的决定。在世贸 组织原则下，同样也是市场准入门槛的环保法令将直接影响各国的产品出口额， 我国电子产品生产厂家将在未来的几年间面临重大生产技术新课题。以我国电 子产品现有的环保状况，将无法进入欧盟市场。为此，国内电子工业界和学术 界都开始重视研究和开发绿色的无铅焊料。为了人类生存的环境，无铅焊接技 术将在今后数年内快速发展，这是一个不可争议的大趋势，进入w t o 以后， 我国的每一个电子企业，都可以利用自己的优势直接进入生产的国际化体系， 因此电子组装技术必须跟上世界的应用、开发潮流，掌握无铅化生产技术也是 提升企业技术竞争力资本，这个竞争力中就包含了电子组装工艺必须无铅化的 要求。 213 实现无铅的途径 传统的电子封装中大量使用了含铅的金属合金作为互联材料。这些材料实现 了基板和器件的电学连接，并提供了可靠的机械强度( 见图2 1 ) 。使用无铅互联 材料是无铅化的关键，无铅技术不过关，就无法实现无铅电子的目标。对应无铅 法规的出台，各大公司都在致力于寻找可以替代含铅焊料的互联材料m 】。 图21 电子产品中的互联 ( 旬功能器件通过引角连接到电路板上通过互联材料将器件与基板电路相连 e 海大学硕士学位论文 实现无铅化电子主要有两个途径。一是采用无铅合金来替代传统的铅锡合金 焊料，而基本不改变现有的生产过程。目前在这个领域已经取得一定的成功。无 铅焊料主要是以锡为基础，添加银、铜、铋、锌、铟等第二金属元素组成的合金， 并通过微量添加第三、第四种金属元素来调整其熔点和力学物理性能。就使用温 度来看，无铅焊料可以分为三类：高温s n a g c u 系；中温s n z n 系；低温s n b i 系。s n a g c u 合金具有优良的物理性能和高温稳定性，与电镀s n - p b 层之间兼容 性较好焊料具有较高的剪切强度、韧性以及高温稳定性。与s n - p b 焊料相比， s n - a g - c u 系焊料的熔点高。要应用该焊料就要提高回流焊的温度，这对待焊的器 件及基板的耐热性是一个严峻的考验。s n z n 系合金的熔点与s n p b 焊料很接近， 两者的工艺设备可以共享。但z n 容易氧化，并且存在与s n p b 电镀层的兼容性问 题。s n b i 系台金的共晶点为1 3 9 摄氏度，但其延展性差，脆性大，剥离强度低， 在意外冲击下往往产生剥离【”】。 另一个途径是采用导电胶取代合金焊料。导电胶与合金焊料相比有以下优势 ( 1 ) 互联密度高，互联间隙小，非常适合倒装芯片；( 2 ) n 化温度较低，大大减小 了互联过程中的疲劳、损伤和应力开裂等问题，也适合挠性基板、温度敏感元件 的粘接，尤其适合非可焊性表面的粘接；( 3 ) i 艺简单，步骤少，能减少成本， 提高生产效率：( 4 ) 有较好的弹性，其热膨胀系数与粘接材料能较好地匹配；( 5 ) 在整个粘接工艺中无需预清洗和去残清洗，避免了环境污染9 1 1 r 。1 r 。1 r 一 二! 至三! 王噩 j _ _ l j _ _ l _ _ - l j - - l j - - l j - t 一 圈22 两种不同种类的导电胶示意图 ( a ) 各向同性导电胶i c a( b ) 各向异性导电胶a c a 如图2 2 所示，通过固体颗粒在环氧树脂本底中体积分数的渝渗闽值来区分， 导电胶可分为各向同性导电胶( i s o t r o p i ec o n d u c t i v ea d h e s i v e ，i c a ) 和各向异性导 电胶( 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 c a ) 两大类。i c a 由片状结构的金属颗粒 上海大学硕士学位论文 添加在高分子材料中制成。常见的颗粒添加体积分数在2 5 蓼j 3 0 之间。固化后， i c a 可以远超过渝渗闽值从而在所有方向上都导电。相对于i c a ，a c a 的颗粒体 积分数远远小于渝渗蜩值，因此不能在x y 轴方向上导电。但是经过施加一定温 度压力的键合工艺，固化后处于上下端口的焊盘之间的导电颗粒在z 轴方向可以 与上下焊盘紧密接触，从而实现z 轴的导电( 2 0 o w o n g ，l i u 等人在导电胶粘结强度， 工艺参数，接触电阻，理论模型，失效机理，寿命预测等作了大量的工作，极大 的提高了导电胶的可靠性。目前导电胶已经广泛应用于电子行业表面贴装产品 中，特别是许多电子产品用液晶显示屏作为人机信息交换的界面，如个人数字助 t 犟( p d a ) 、全球定位系统( g p s ) 、移动电话、游戏机、笔记本电脑等产品，其内 部的i c 连接大部分都是通过a c a 或者a c f 倍向异性导电胶薄膜) 互联的，即使 用在c o g ( c h i p o n - g l a s s ) 和c o f ( c h i p o n f l e x ) 上的互联技术。本论文将针对 各向异性导电胶a c a 的高频性能进行研究。 wr j ! j ( ：0 ：二7r ! ， m 4 c p 。1 d d ” 。e ， w 。，。 ( b ) 倒装封装 图2 3b g a 倒装封装示意图 卸哪 叩沁 甲 a阻h j 叭一 ，聊 上海大学硕士学位论文 2 2 研究背景 2 2 1 倒装封装 倒装封装( f l i p c h i p ) t 艺最初是由i b m 公司在1 9 6 2 年提出并应用于陶瓷基 板。1 9 7 0 年，i b m 将这项技术转化为可控倒装芯片连接，当时在i c 行业称为 c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ) 芯片。图2 3 给出了倒装封装与传统引 线键合的比较。图2 3 ( a ) 所示的传统引线键合技术通过金线将基板上的信号线与 芯片正面的引线端口相连。图2 3 ( b ) 为倒装封装的示意图。可以看到芯片的正 面直接朝下，引线端口通过导电的连接材料与基板相连。相对于传统的芯片面 朝上的导线键合技术而言，倒装封装具有以下优点，因而得到广泛的应用【2 4 1 ： 1 ) 小尺寸：小的i c 引脚减小了高度和重量。 2 ) 功能增强：使用倒装芯片能减小端口间距，增加i o 的数量。i o 不像 导线键合中出于四周而受到数量的限制。 3 ) 性能增加：短的互联线减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减 少、能应用于更高的频率。特别是对于高频器件，其优势更为明显。 4 ) 提高了可靠性：芯片与基板的环氧底充胶确保了高可靠性。 5 1 提高了散热热能力：芯片背面可进行有效的冷却。 2 2 2 焊点互联倒装封装的高频性能 倒装封装已经广泛应用在高频电路中，9 0 年代中期以来，有大量文献讨论倒 装封装及其焊料合金焊点互联的高频性能。g h o u z 等人应用有限时域差分方法 f d t d 模拟并优化了工作在1 8 0 g h zc p w 共面波导电路的倒装封装互联，并分析 了不对称电路对回波损耗的影响【2 5 1 。j e n t z s c h 等人应用有限时域差分方法进一步 模拟了工作在1 1 0 0 g h zc p w 共面波导电路的倒装封装互联。分别讨论了基板与 芯片的导体重叠长度，信号与地的间距，基板背面接地等因素对高频性能的影响。 将倒装互联等效为电容，并通过实验证实了模拟的结论【2 6 之8 1 。p a o l a 等人将三维 倒装互联结构等效为含有电阻电容电感的集总电路，相对于先前的f d t d 全波分 析方法极大的缩减了模拟耗费的时间【2 9 】。s t u r d i v a n t 研究了砷化钾单芯片微波电 上海大学硕士学位论文 路倒装封装基板的介电常数变化对其高频性能的影响 3 0 1 。“等人构建了不同大小 结构的倒装封装的三维全波分析模型，并应用有限时域差分方法分别分析了微带 线和共面波导电路倒装互联的高频性能【3 1 1 。j a c k s o n 等人用有限元方法f e m 分析 了倒装封装在1 5 0 g h z 频域范围内的高频性能，并提取了双端等效电路模型的参 数p 2 1 。s t a i c u l e s c u 等人通过大量模拟和试验分析了射频器件的倒装封装相关的参 数如焊点的高度，焊点的大小，芯片和基板的对准，基板的厚度等。并应用统计 学分析优化了整个互联结构的高频性能【3 3 。3 6 】。在此基础上，p r a t a p 等人进一步应 用神经网络方法优化并提取出等效电感和电容参数。n d i p 等人应用有限元方法 f e m 全波模拟分析了球栅阵列射频倒装封装中焊点形状对高频性能的影响，讨论 了相邻焊点对高频信号的串绕现象，并提取了等效电路参数 3 8 , 3 9 】。综合众多文献 的研究结果，常见的影响倒装封装高频性能的参数总结如下： 1 ) 高频电路的类别( 共面波导和微带线) 和体积大小 2 ) 基板的介电常数 3 ) 焊点的高度 4 ) 焊点的直径 5 ) 芯片底部的传输线与基板上传输线重叠部分的大d x ( c o n d u c t o ro v e r l a p ) 6 ) 基板的底部是否有接地层 7 ) 不同底充胶材料的影响 8 ) 焊点的排列方式( 平行排列和弯曲排列) 2 2 3 各向异性导电胶a c a 互联的高频性能 相对于焊料合金焊点互联高频器件倒装封装方面的研究，各向异性导电胶 a c a 作为互联材料的研究和报道较少。r u d n i c k i 等人应用有限时域差分方法模拟 了各向异性a c a 和各向同性导电胶i c a 倒装互联的高频性能，并考虑了共面波导 线和共面波导线、共面波导和微带线两种连接情况，但没有进一步讨论优化方案 4 0 , 4 1 。h u a n g 等人研究了一种新型均匀排列的各向异性导电胶在1 2 g h z 以下的信 号，并通过实验和模拟分析了传输线重叠部分对性能的影响【4 2 1 。韩国k a i s t 的 y t m 等人系统的研究了工作在1 2 0 g h z 下各向异性导电胶的高频性能。从导电胶 1 2 上海大学硕士学位论文 的制备，测试平台的搭建，到应用遗传算法提取集总电路参数，分析导电胶介电 常数的影响等方面做了大量的工作【4 3 4 7 】。尽管相关的报道很多，但是目前为止还 没有一篇研究论文象分析焊点互联的性能那样，完整的分析影响各向a c a 互联高 频性能的各种因素并提出优化方案。这就是本论文所着重的研究方向。 2 2 4 实验工作 在先前的工作中，我们课题合作组的r o l fs i h l b o m 和m a r k u sd c m e v i k 通过 实验测试了各种不同种类的各向异性导电胶互联，并证明了导电胶具有与焊料 合金焊点相近的高频性能【4 8 - 5 0 。 实验采用了三种不同的基板材料：f r 4 、t e f l o n 和柔性f l e x i b l e 基板，它 们的介电常数分别为4 3 ，2 9 4 和3 5 。基板上所有的传输线的阻抗均设计为5 0 欧姆。测试在h p 8 5 1 0 网络分析仪上进行。在f r - 4 和柔性基板上测试的频率范 围在5 0 0 m h z 到8 g h z ，在t e f l o n 基板上的频率范围在l 到3 0 g h z 。图2 4 是 实验中测试的四种结构，用来进行网络分析仪的t h r u - l i n e r e f l e c t ( t r l ) 校准。第 一种为5 0 欧姆传输线直接相连，即测试短路信号；第二种用来测试开路信号； 第三种为倒装封装的芯片连接；第四种设定测试的参考平面在导电胶连接处。 图2 5 为测试中所用的倒装芯片。其材料取介电常数为1 1 8 的硅，芯片的背面 为铝线，结构是边长为4 5 n n n 的正方形，厚0 6 4 m m 。此种芯片共有1 5 条传输 线，在实验中，我们仅使用中间的一条。在a d sm o m e n t 的模拟中没有发现其 余传输线对测试信号明显的天线效应。图2 6 为测试样品剖面的s e m 图片。 第四种 第二种 一 第一种 图2 4 测试中所用的四种结构 上海大学顿学位论文 图2 5a c a 倒装互联测试所用芯片国2 6 测试样品剖面的s e m 图片 表2 2 是测试中作为倒装互联材料的四种a c a 的相关参数。导电胶键台和 倒装封装工艺都是在德国f i n e t e e h 公司的倒装焊机f i n e p l a c e r 上进行的。图27 和图28 分别给出了在柔性基板和f r - 4 基板上在1 - 8 g h z 测量到的的插入损耗 $ 2 1 。由于这两种基板的介电常数较高，损耗因子较大，因此在8 g h z 的损耗达 到了一8 d b 。这也既明了f r 4 等摹板在高频领域的应用有限。图2 9 和图2 1 0 为 各向异性导电胶a 和c 在t e f l o n 基板上1 - 3 0 g h z 测量到的插入损耗s 2 1 。从中 可以看到，在3 0 g h z 的频率范围内，其性能相近，并且损耗均低于2 d b 。由此 可见t e f l o n 基板有较好的高频性能，但是由于其成本昂贵，过孔工艺复杂，没 有像低成本的b t 和f r - 4 等被工业界大量使用。另一方面，硅的导电率有限， 应用高掺杂硅或砷化镓芯片可以进一步提高高频性能并减少损耗。参考文献4 9 还给出了更多的实验结果。 表2 2 实验中所用的各向异性导电胶a c a 材料和工艺参数 a c a 种类颗聿立人小颗粒材料键合压力同化时间固化温度 ( 岬)( n )( s ) ( 度) 3 镍7 5 和l s o1 8 0 5 镍金镀层 7 51 8 0 镲金镀层1 8 0 镍金镀层 1 8 0 上海大学硕士学位论文 一 4 要 誓 ；i f 一ll i 一- 队 囊i _ ：i i 一_ 铀ii - 、0 3 舂 | 1 ， 弋k i ； ni n 、k in ”抽v 肇 一鞲崎 图2 7 导电胶a 在柔性基板上的s 2 1 。扩 ，￥ u h i 细a l 川 v 一 伯铂糟誓冀 图2 9 导电胶a 在t e f l o n 基板的$ 2 1 舢 一i 甜 u u uuu ”疆 h - 嗍帕埘 图2 8 导电胶c 在f r - 4 上的s 2 1 ： 一1 八 、 l 一轴m p k c l i v 麓 _ 嗍 图2 1 0 导电胶c 在t e f l o n 基板的$ 2 1 l 一季 上海大学硕士学位论文 第三章微带线的a c a 互联高频性能 微带线( m i c r o s t r i pl i n e ，m s l ) 在高频电路中是一种常见的传输线。由于微带 线的发展较早，直到今天大部分微带电路、滤波器、微带天线还是以微带电路的 设计为主。很多微波功能器件和单芯片微波电路也都是专门为带有微带线的基板 而设计的。上一部分所介绍的实验工作也是以倒装封装中微带线之间的连接作为 考察对象。在这一部分，我们将模拟微带线(