（机械工程专业论文）芯片各向异性导电胶模树脂基板超声互连工艺及机理研究.pdf

原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鸯垫章 日期：逊立年月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：竺年生月一f 。e l 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 各向异性导电胶膜( a c f ) 作为一种新型的绿色电子封装材料， 由于其具有无铅、互连间距小、封装密度高、成本低等显著优点，在 微电子封装领域获得了广泛应用。目前主要通过热压粘接工艺来实现 各向异性导电胶膜互连芯片和基板。然而，由于热压粘接时间较长、 粘接温度过高，容易损伤芯片电路，并且造成大的热变形与残余应力 等工艺缺陷，严重降低了a c f 互连器件的可靠性。因此，本文提出 利用水平超声振动实现芯片和f r - 4 树脂基板的a c f 互连工艺，通过 试验研究与数值模拟的方法，研究了粘接工艺参数对芯片和f r - 4 树 脂基板的各向异性导电胶膜超声互连质量的影响规律，并获得了优化 的超声粘接工艺。本文主要工作包括： ( 1 ) 通过超声振动粘接与剪切强度试验，研究了超声粘接工艺 参数对a c f 互连器件粘接强度的影响规律，结果发现：超声粘接功 率和超声粘接时间对a c f 互连器件的粘接强度有显著影响，粘接压 力和基板温度的影响不大，最佳的超声粘接工艺为：超声粘接功率约 为2 8 0 w ，超声粘接时间约为2 5 0 0 m s ，粘接压力为1 2 3 0 n ，基板 温度为5 0 一- 8 0 0 c ，此时a c f 互连器件的粘接强度可达3 2 n 。 ( 2 ) 通过傅立叶变换红外光谱分析方法，研究了超声粘接工艺 参数对a c f 固化率的影响规律，初步探讨了各向异性导电胶膜超声 互连的机理，结果发现：超声粘接功率和超声粘接时间对a c f 的固 化率有显著影响，粘接压力和基板温度的影响不大，在最佳超声粘接 工艺参数下，a c f 的固化率均可达到9 0 以上，满足a c f 互连器件 的可靠性要求；建立了a c f 固化率与超声粘接工艺参数的关联模型， 可用来准确地预测超声粘接后a c f 的固化率。 ( 3 ) 利用有限元软件a b a q u s 对a c f 互连器件的剪切破坏过 程进行了数值模拟，结果表明：采用v u m a t 子程序实现的指数型内 聚力模型比a b a q u s 本身提供的双线性内聚力模型能更准确的模拟 a c f 互连器件的剪切破坏过程；在指数型内聚力模型中，内聚强度 。x 和内聚能痧是影响模拟精度的主要参数，且确定在优化的工艺参 数下的a c f 互连器件界面的内聚力参数分别为特征长度8 = 4 9 r n ，内 聚强度。x = 1 2 m p a ，内聚能矽二5 5 9 6 j m 2 。 j o 三 邀 荇 = 二j 时间m s ( b ) 0 7 5 2 0 乏 巧 7 中南大学硕士学位论文 第二章a c f 超声互连芯片与f r - 4 树脂基板的试验研究 - 。_ j 型 按 忙 返 导 ( c ) 壹 翌 较 牯 斟 蚤 之 3 趔 竣 忙 鹾 手 ( f ) ( d ) 图2 - 8p z t 换能器驱动电流、驱动电压与超声功率信号：( a ) p z t 驱动电流信号；( b ) p z t 驱动电 压信号；( c ) 电流的有效值曲线；( d ) 电压的有效值曲线；( e ) 功率的有效值曲线；( 0 p z t 电 流信号细节；( 曲p z t 电压信号细节 图2 8 ( a ) 和( b ) 是采样得到的超声粘接过程中p z t 换能器的驱动电流与 驱动电压曲线。该曲线由1 2 5 0 0 0 0 个采样点组成，由于超声粘按时间较短，采样 点较多，故采样点没有充分拉开，图2 - 8 ( f ) 和( g ) 所示为展开后的曲线，每个超声 周期有8 个采样点，足以充分表达在超声粘接过程中p z t 换能器功率信号的变 化。图2 - 8 ( c ) 和( d ) 分别为经过m m l a b 运算后得到的超声粘接过程中p z t 换能器 2 1 中南大学硕士学位论文 第二章a c f 超声互连芯片与f r - 4 树脂基板的试验研究 的驱动电流、驱动电压的有效值曲线；图2 8 ( e ) 为超声粘接过程中典型的p z t 换能器的功率有效值曲线。从图2 8 中可以发现，在超声粘接初始的2 0 0 0 m s 内 p z t 换能器的功率信号较平稳，当超声粘接时间超过2 0 0 0 m s 后，超声粘接功率 开始出现了较大的波动，并随着超声粘接时间的增大而增大。 2 6a c f 超声互连器件粘接强度与固化率测试 2 6 1a c f 互连器件粘接强度的测试 为研究超声粘接工艺参数对a c f 互连器件粘接强度的影响规律，需要对完 成超声粘接试验后的试样进行粘接强度测试，获得a c f 互连器件的粘接强度， 作为评价a c f 互连器件粘接质量优劣及机械连接可靠性的一项重要指标。本文 中a c f 互连器件粘接强度的测试是在d a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪上完成 的。 d a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪能够完成各种电子元器件的芯片剪切力、 引线拉力等测试与分析，并且在试样的剪切力测试时，系统软件还记录保存了试 样的剪切力位移曲线，同时可以更换不同量程的测试头，用来完成不同电子元 器件的剪切力、拉力测试与分析。根据前期的试验工作与初步测试，试样的粘接 强度基本在3 0 n 左右( 4 k g 以下) ，故在选择量程为2 9 5 k g 的b s 型测试头完 成试验，剪切强度测试过程的原理如图2 - 9 所示。 图2 - 9a c f 互连器件剪切强度测试原理图 为避免环境因素对试验结果造成干扰，对完成超声粘接4 小时后，a c f 互 连器件充分固化的试样进行粘接强度测试，由于超声粘接试验时，对每组工艺参 数重复实验4 次，故每组有四个试样进行剪切力测试，剪切强度取其平均值，同 时保存各试样的剪切力位移曲线。 中南大学硕士学位论文第二章a c f 超声互连芯片与f r - 4 树脂基板的试验研究 2 6 2a c f 固化率的计算方法 由于a c f 的固化率与a c f 互连器件的粘接强度有密切关系p 3 1 。为研究超声 工艺参数对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响，以获得最佳的超声粘接工 艺，需要对超声粘接试样的a c f 固化率的进行测试。 红外光谱分析是通过物质的红外吸收光谱完成物质分子的鉴定与分析。若将 被测物质分子置于一束红外射线( r ) 的照射下，某些特定波长( 2 5p a n 1 5 岬) 的红外射线的能量将会被吸收，从而形成该分子的红外吸收光谱。由于每种分子 的结构和组成的不同，导致其红外吸收光谱的独特性，据此便可对分子进行结构 鉴定与部分成分的定量分析。 本文试验采用n e x u s 6 7 0 型傅立叶红外光谱( f t i r ) 分析仪来完成，它主 要由光学探测部分与计算机部分组成。其工作原理为；当分析仪中的动镜发生移 动时，干涉仪产生的两束相干光的光程差将会发生连续变化，由检测器所测得的 光强会随光程差的变化而改变，因此可以获得干涉图，然后经过傅立叶变换运算 后，就能获得入射光的红外光谱。光谱图一般以波数或者吸收光带的波长作为横 坐标表示各种振动频率，以吸光度( t r a n s m i t t a n c e ) 或者透射率( a b s o r b a n c e ) 作为纵坐标表示吸收强度。 a c f 为有机高分子聚合物，其中每个官能团都有特定的吸收波长，图2 1 0 所示为全波段范围内，所有基团的变化情况。 创 米 登 图2 1 0a c f 在4 0 0 0 5 0 0c m 一波数范围内的红外吸收光谱 由于环氧树脂的环氧基团不断地开环与固化剂发生反应，因此随着a c f 固 化反应的进行，环氧基团( 吸收峰为9 1 0 c m ，吸收波长为9 3 0 8 8 9 c m 一1 ) 会逐 渐减少，其吸收峰也随之下降。但苯环基团( 吸收峰为1 5 1 0 c m ，吸收波长为 1 5 4 0 1 4 2 0 c m 。) 的含量基本保持不会，如图2 1 1 所示为h i t a c h i 公司提供的a c f 固化率的计算方法，把苯环的吸收量作为参考，环氧基团的相对吸收量t ( x ) 可以 2 3 中南大学硕士学位论文 第二章a c f 超声互连芯片与f r - 4 树脂基板的试验研究 由式( 2 5 ) 定义为： 丁b ) ：型 b ( x ) 其中：b ( x ) 和e ( x ) 分别是a c f 的固化率为x 时苯环基团、 量，则a c f 的固化率的定义为： r p 训面刀厂a 纪：! 盟：三业1 0 0 ( 2 - 5 ) 环氧基团的吸收 ( 2 6 ) 其中：t ( 1 0 0 ) 和r ( 0 ) 分别为a c f 的固化率分别为1 0 0 与0 时，环氧基团的 相对吸收量，如图2 1 1 所示： 刨 j 7 r 、 墨 图2 - 1 1a c f 固化率的计算过程与方法 图2 1 2 所示为固化率分别为1 0 0 和o 时a c f 的红外吸收光谱，我们认为 在粘接前处于一l o 。c 一5 。c 低温储存状态下的a c f 的固化率为o ，a c f 在2 0 0 。c 的粘接工作台上加热1 5 s 后的固化率为1 0 0 。 图2 1 2 固化率分别为1 0 0 和0 时a c f 的红外吸收光谱 由图2 1 2 可以发现：当a c f 固化率为0 时，可以明显地看到环氧基团 ( 9 3 0 8 8 9 c m _ 1 ) 的吸收峰，而当a c f 固化率为1 0 0 时，a c f 环氧基团吸收峰 则已基本消失不见，据此可以说明此时a c f 已经完全固化或接近完全固化。 2 4 中南大学硕士学位论文 第二章a c f 超声互连芯片与f r - 4 树脂基板的试验研究 2 7 本章小结 本章针对各向异性导电胶膜传统热压粘接工艺存在的瓶颈问题，提出了利用 水平超声振动实现芯片和f r - 4 树脂基板的a c f 超声互连工艺，系统地介绍了 a c f 超声互连的基本原理与超声功率信号的采集与计算、给出了a c f 互连器件 粘接强度及固化率的测试原理及计算方法，主要包括以下三方面的内容： ( 1 ) 针对传统热压粘接工艺存在的不足，提出了利用水平超声振动实现芯 片和f r - 4 树脂基板的a c f 互连工艺，分析了超声粘接的能量转换机理与a c f 环氧树脂基体的固化机理。a c f 聚合物基体在超声作用过程中的能量主要来源 于材料的应力应变的储能及转换，由于a c f 是一种基体为高分子聚合物的复合 材料，在超声振动的作用下，会发生粘滞效应，在相当短的时间里，a c f 产热 软化，a c f 基体的温度最终会迅速上升而固化充分，a c f 环氧树脂基体固化反 应后由原来的线型结构转变为三维网状结构，使a c f 互连器件具有较高的粘接 强度。 ( 2 ) 介绍了超声粘接试验平台的结构、原理和a c f 超声粘接的工艺过程， 给出了a c f 互连器件粘接强度的测试与a c f 固化率的测试原理及计算方法，为 试验研究超声工艺参数对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响作好试验准 备。 ( 3 ) 介绍了超声粘接功率信号的采集与计算过程，对p z t 换能器的驱动信 号进行了初步分析，结果发现：在粘接初始的2 0 0 0 m s 内p z t 换能器的功率信号 保持平稳，当超声粘接时间超过2 0 0 0 m s 后，超声功率随超声粘接时间的增加而 增大，并且出现较大波动。 2 5 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影 响研究 a c f 互连器件的粘接强度是决定器件可靠性与服役寿命的重要因素，本章 主要研究超声工艺参数对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响规律，获得优 化的超声工艺参数，建立a c f 固化率与超声工艺参数问的关联模型，对a c f 超 声互连器件的生产实践具有较高的指导意义。 3 1 超声粘接功率对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响 超声能量是决定的a c f 互连器件粘接质量优劣的主要因素。当输入到界面 的超声能量过大，则会导致高分子链的交联过快生长，交联内部的化学键快速达 到最大值后发生断裂而导致粘接强度下降，同时也可能导致a c f 温升过快，造 成a c f 自身发生材料分解【7 4 j ；当输入到界面的超声能量过小，则不能使a c f 胶 膜中的环氧树脂基体发生充分的交联反应，使得a c f 的固化率过低，严重降低 a c f 互连器件的粘接强度。可见，超声能量对a c f 互连器件的界面粘接质量有 很大的影响，因此，需要研究a c f 互连器件的粘接强度对超声粘接功率的敏感 程度及变化规律。 在超声粘接试验时，通过用户界面设定超声粘接时间为3 0 0 0 m s ，粘接工作 台温度为8 0o c ，粘接压力为1 2 n ，在超声粘接功率分别为o 5 6 w 、o 7 4 w 、o 9 0 w 、 1 3 0 w 、1 5 0 w 、2 8 0 w 和3 9 2 w ( 控制界面输入的名义功率值分别为5 0 、8 0 、 1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 5 0 、1 6 0 时通过采集p z t 换能器的驱动电流、驱动电压信号经 运算后获得) 的参数条件下进行超声粘接试验，并测试超声粘接试样的剪切强度， 对每组设定的参数重复4 组试验以减小试验误差，得到可靠的数据结果。 如图3 - 1 所示为试验获得的超声粘接功率对a c f 互连器件粘接强度的影响 曲线。由图3 1 可以发现：超声粘接功率对a c f 互连器件的粘接强度有显著影 响，当超声粘接功率从0 5 6 w 增加到2 8 0 w 时，a c f 互连器件的粘接强度从6 8 n 增加到3 2 n ，但是如果继续增加超声粘接功率，a c f 互连器件的粘接强度反而 开始缓慢下降，这也就意味着此时输入至a c f 界面层的超声能量过大，从而导 致互连器件粘接界面的过粘接。 2 6 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强! 塑化率箜墅堕婴窒 冬 型 慝 鼙 冀 图3 - 1 超声粘接功率对a c f 互连器件粘接强度的影响规律 为了获得a c f 固化率随超声粘接功率的变化规律，选取超声粘接功率分别 为0 5 6 w 、0 9 0 w 、1 5 0 w 、2 8 0 w 和3 9 2 w 下的粘接试样，在完成剪切强度测 试后，刮取粘接界面上的a c f 进行傅立叶红外光谱分析，如图3 2 所示为不同 超声粘接功率下的a c f 红外光谱图。由图3 - 2 可以发现：随着超声粘接功率的 提高，输入至a c f 界面层的超声能量也随之增加，导致a c f 环氧树脂基体的交 联反应加剧，使a c f 的固化率不断增大，红外光谱图中的环氧基团吸收峰也随 之越来越低，当超声粘接功率为2 8 0 w 时，环氧基团吸收峰( 波长为 8 8 9 9 3 0c r r l 以) 已经基本消失不见。 参考2 6 2 给出的a c f 固化率的计算方法，先把环氧基团的吸收量e ( x ) 、 苯环基团的吸收量b ( x ) 求出，然后由式( 2 5 ) 求得环氧基团相对吸收量丁( x ) ，最 后通过式( 2 6 ) 获得a c f 的固化率。图3 3 所示为计算得到的a c f 固化率随超声 粘接功率的变化规律。 由图3 3 可知：a c f 的固化率随着超声粘接功率的增大而增大，超声粘接功 率从0 5 6 w 增加至3 9 2 w ，a c f 的固化率随之从1 5 提高至9 4 2 ，这是由于 超声粘接功率的增加可以直接提高输入到a c f 粘接层的反应能量，从而提高 a c f 的固化率。 赵 果 签 型 3 j r 、 鏊 波数c m 一1 ( b ) 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 越 来 签 创 果 整 趟 米 督 ( d ) 图3 - 2 不同超声粘接功率下的a c f 的红外吸收光谱：( a ) 超声粘接功率为o 5 6 w ；( b ) 超声粘 接功率力0 9 0 w ；( c ) 超声粘接功率为1 5 0 w ；( d ) 超声粘接功率为2 8 0 w ；( e ) 超声粘 接功率为3 9 2 w ；( d 不同超声粘接功率下的a c f 红外吸收光谱对比图 霎 料 基 石 乩 u 图3 3a c f 的固化率随超声粘接功率的变化规律 综合图3 一l 和图3 3 可以得出结论：超声粘接功率对a c f 互连器件的粘接 强度的影响相当显著，这是因为随着超声粘接功率的增加，输入到界面的总能量 也随之增加，同时树脂基板的储能模量高，热导率低，在超声能量的作用下使得 a c f 温度迅速上升，并发生充分的交联反应，使得a c f 的固化率增加，从而提 高了a c f 互连器件的粘接强度和机械连接的可靠性。但是超声粘接功率过大时， 2 8 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 a c f 温升过快，将导致高分子链的交联过快生长，导致交联内部的化学键快速 达到最大值后发生断裂，同时也可能造成a c f 自身的材料分解，最终导致在过 高超声功率下的粘接强度下降，通过傅立叶红外光谱分析a c f 的固化率也解释 了粘接强度随超声粘接功率的增加而提高。 3 2 超声粘接时间对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响 当输入的超声粘接功率保持不变，输入到a c f 界面的能量将由超声粘接时 间的长短决定。因此，a c f 互连器件的界面粘接质量与超声粘接时间有密切关 系。所以，需要研究a c f 互连器件的粘接强度对超声粘接时间的敏感程度及变 化规律。 在超声粘接试验时，通过用户界面设定超声粘接功率为2 8 0 w ( 控制界面输 入的名义功率值为1 5 0 ) ，粘接工作台温度为8 0 0 c ，粘接压力为1 2 n ，在超声 粘接时间为1 0 0 0 m s 、1 5 0 0 m s 、2 0 0 0 m s 、2 5 0 0 m s 、3 0 0 0 m s 、3 5 0 0 m s 、4 0 0 0 m s 的 参数条件下进行超声粘接试验，并测试超声粘接试样的剪切强度，对每组设定的 参数重复4 组试验以减小试验误差，得到可靠的数据结果。 如图3 4 所示为试验获得的超声粘接时间对a c f 互连器件粘接强度的影响 规律。由图3 4 可以发现：随着超声粘接时间的增加，a c f 互连器件的粘接强度 也随之增加，当超声粘接时间从1 0 0 0 m s 延长至2 5 0 0 m s 时，a c f 互连器件的粘 接强度随之从1 7 n 提高至3 2 n ；当超声粘接时间从2 5 0 0 m s 延长至3 0 0 0 m s 时， a c f 互连器件的粘接强度趋于稳定，这就意味着当超声粘接时间为约2 5 0 0 m s 时， a c f 互连器件的粘接强度已经生成，若继续增加超声粘接时间从3 0 0 0 m s 至 4 0 0 0 m s ，a c f 互连器件的粘接强度会随之出现减小的趋势，这是因为输入至粘 接界面的超声能量过大，从而对已生成的界面粘接强度造成损伤破坏所导致的。 图3 4 超声粘接时间对a c f 互连器件粘接强度的影响规律 为了获得a c f 固化率随超声粘接时间对的变化规律，选取超声粘接时间分 2 9 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 别为1 0 0 0 m s 、1 5 0 0 m s 、2 0 0 0 m s 、2 5 0 0 m s 和3 0 0 0 m s 时的粘接试样，刮取粘接界 面上的a c f 进行傅立叶红外光谱分析，得到不同超声粘接时间下a c f 的红外光 谱图，图3 5 所示为不同超声粘接时间下a c f 的红外光谱图。 由图3 5 可以发现：在超声粘接时间从1 0 0 0 m s 增加至2 5 0 0 m s 的过程中， 随着超声粘接时间的逐渐增加，环氧基团的吸收峰逐渐下降，环氧基团相对吸收 量r ) 也随之减小，图3 - 6 所示为由式( 2 6 ) 计算获得的a c f 的固化率随超声粘 接时间的变化规律，可以看出，当超声粘接时间从1 0 0 0 m s 提高至2 5 0 0 m s 时， a c f 的固化率从4 0 1 提高至9 1 9 ，若继续增大超声粘接时间，a c f 的固化率 将趋于平稳，保持在9 3 左右。因此，当超声粘接时问约为2 5 0 0 m s 时，a c f 互 连器件的粘接强度已基本生成，a c f 已固化完全，如果继续延长超声粘接时间， 已经生成的a c f 互连器件的粘接强度将被损伤破坏，因此适宜的超声粘接时间 约为2 5 0 0 m s 。 ( d ) 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 ( e ) 图3 5 不同超声粘接时间下a c f 的红外吸收光谱：( a ) 超声粘接时间为1 0 0 0 m s ；( b ) 超声粘 接时间为1 5 0 0 m s ；( c ) 超声粘接时间为2 0 0 0 m s ；( d ) 超声粘接时间为2 5 0 0 m s ；( e ) 超声 粘接时间为3 0 0 0 m s ；( f ) 不同超声粘接时间下a c f 的红外吸收光谱对比图 装 槲 基 西 山 u 图3 - 6 a c f 的固化率随超声粘接时间的变化规律 3 3 粘接压力对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响 为了获得a c f 互连器件的粘接强度随粘接压力的变化规律，在超声粘接试 验时，通过用户界面设定超声粘接时间为2 5 0 0 m s ，粘接工作台温度为8 0 0 c ，超 声粘接功率为2 8 0 w ( 控制界面输入的名义功率值为1 5 0 ) ，粘接压力分别为8 n 、 1 2 n 、15 n 、2 0 n 、2 5 n 和3 0 n 的参数条件下进行超声粘接试验，并测试超声粘 接试样的剪切强度，对每组设定的参数重复4 组试验以减小试验误差，得到可靠 的数据结果。 如图3 7 所示为试验获得的粘接压力对a c f 互连器件粘接强度的影响规律。 由图3 7 可以看出：粘接压力的改变对a c f 互连器件的粘接强度影响不大，不 同粘接压力下，a c f 互连器件的粘接强度趋于平稳，均保持在3 2 n 左右。这是 由于粘接压力主要是通过改变a c f 环氧树脂基体的厚度来实现对a c f 互连器件 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 粘接强度的影响，而a c f 本身的厚度一般只有2 0 4 0 p m ，粘接压力作用下a c f 厚度的变化【7 5 】一般小于1 0 ，因此可以忽略粘接压力对a c f 的厚度的改变。而 且在基板温度为8 0 。c 时，a c f 已经处于胶体状态，此时粘接压力主要是通过粒 子的变形来协调的。 创 果 签 冬 创 惑 辎 翼 粘接压力n 图3 7 粘接压力对a c f 互连器件粘接强度的影响规律 波数c m 1 ( a ) 波数c m 1 ( c ) 刨 果 螫 型 芸 害s 波数c m 1 ( b ) ( d ) 图3 - 8 不同粘接压力下a c f 的红外吸收光谱：( a ) 粘接压力为8 n ；( b ) 粘接压力为1 5 n ；( c ) 粘接压力为3 0 n ；( d ) 不同粘接压力下a c f 的红外吸收光谱对比图 为了获得a c f 固化率随粘接压力的变化规律，选取粘接压力分别为8 n 、1 5 n 3 2 越米签 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 和3 0 n 时的粘接试样，刮取粘接界面上的a c f 进行傅立叶红外光谱分析，如图 3 8 所示为得到的不同粘接压力下a c f 的红外光谱图。 由图3 8 可以发现：在三种不同粘接压力下的a c f 环氧基团吸收峰( 波长 为8 8 9 9 3 0 c m 。1 ) 均已基本消失了。如图3 - 9 所示为由式( 2 6 ) 计算得到a c f 固化 率随粘接压力的变化规律，可以发现：粘接压力对a c f 互连器件的粘接强度影 响不明显，在三种不同的粘接压力下，a c f 的固化率相近，均为9 0 左右，这 说明粘接压力的改变对a c f 的固化率影响不大。 装 碍 s 匕 u 图3 - 9a c f 固化率随粘接压力的变化规律 图3 一l o 所示为实时采集到的p z t 换能器的驱动电流与驱动电压信号经过 m a u a b 处理后，得到的不同粘接压力下p z t 换能器的功率有效值随超声粘接时 间的变化曲线。由图3 1 0 可以发现：不同的粘接压力下p z t 换能器的功率有效 值的变化趋势相同，并且大小基本保持一致，可以得出，改变粘接压力不会显著 地改变超声粘接过程中p z t 换能器的功率有效值及其随粘接时间的变化规律。 这是因为改变粘接压力并不会显著地改变输入到a c f 粘接界面层的能量大小， 因此粘接压力的变化对a c f 的固化率的影响不大。 立 一 ； 蔌 一 了 汀 弋 壹 砻 裁 ， r 甜 蠢 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 壹 趔 裁 忙 瓣 冒 ( c ) 图3 1 0 不同粘按压力下p z t 换能器功率有效值曲线：( a ) 粘接压力为9 n ；( b ) 粘接压力为1 5 n ； ( c ) 粘接压力为3 0 n 3 4 基板温度对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响 为了获得a c f 互连器件的粘接强度随f r - 4 树脂基板温度的变化规律，在超 声粘接试验时，通过用户界面设定超声粘接时间为2 5 0 0 m s ，超声粘接功率为 2 8 0 w ( 控制界面输入的名义功率值为1 5 0 ) ，粘接压力为1 2 n ，通过粘接工作 台温度控制系统使粘接工作台加热温度分别为4 0 0 c 、5 0 。c 、6 0 0 c 、7 0 0 c 、8 0 。c 和9 0 。c 的参数条件下进行超声粘接试验，并测试超声粘接试样的剪切强度，对 每组设定的参数重复试验4 组以减小试验误差，得到可靠的数据结果。 如图3 - 1 l 所示为试验获得的树脂基板温度对a c f 互连器件粘接强度的影响 曲线。由图3 1 1 可以发现：树脂基板温度对a c f 互连器件的粘接强度没有明显 影响，不同基板温度下a c f 互连器件的剪切强度均在3 2 n 左右，这是由于a c f 发生固化反应所需的能量并不主要由基板温度提供，而是通过超声能量输入到粘 接界面层后a c f 材料因滞后热效应而产生的大量的摩擦热。但是，适当的基板 温度可以使a c f 的流动性增强，继而加速固化反应，同时由于吸附作用【7 3 j 是生 成粘接强度的一个主要机制，只有当a c f 胶体与基板及芯片间有密切的分子接 触以形成氢键、范德华力等其他分子间作用力后，才能获得理想的吸附效果。因 此，适当的基板温度可以促进a c f 的湿润和流动，并能使a c f 与f r 4 树脂基 板紧密的接触，获得较好的吸附效果，同时也减少了a c f 与f r - 4 树脂基板间的 气泡等缺陷，从而使得a c f 互连器件能够有较高的粘接强度和形成可靠的机械 互：连。 3 4 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 冬 赵 惑 辎 桀 基板温度o c 图3 一i1 树脂基板的温度对a c f 互连器件粘接强度的影响规律 为了获得a c f 固化率随树脂基板温度的变化规律，分别选取基板温度为 5 0 0 c ，7 0 。c 和9 0 。c 时的粘接试样，刮取粘接界面上的a c f 进行傅立叶红外光 谱分析，如图3 1 2 所示为不同树脂基板温度下a c f 的红外光谱图。 图3 1 2 不同基板温度下a c f 的红外吸收光谱：( a ) 基板温度为5 0 。c ；( b ) 基板温度为7 0 。c ； ( c ) 基板温度为9 0 。c ；( d ) 不同基板温度下的a c f 红外吸收光谱对比图 由图3 1 2 可以发现：三种不同基板温度下a c f 的环氧基团吸收峰都已经基 本消失，如图3 1 3 所示为由式( 2 6 ) 计算得到的a c f 固化率随树脂基板温度的变 3 5 o o o o o o 0 o o 赵果登 0 0 0 0 0 0 0 0 0 掣果鍪 0 0 o 0 0 0 0 0 0 毯装黛一 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 化规律。显然，不同基板温度下的a c f 固化率都相近且较高，均为9 0 左右， 这也说明了不同基板温度下的a c f 互连器件粘接强度相近的原因，可以得出结 论：树脂基板温度在室温至9 0 0 c 之间的温度区间内，不会显著影响a c f 互连器 件的粘接强度及固化率。 摹 碍 。 强 山 u 图3 1 3a c f 固化率随基板温度的变化规律 3 5a c f 固化率与超声工艺参数的关联模型 通过上述试验研究与结果讨论可得，a c f 的固化率对a c f 互连器件的粘接 强度有直接影响。因此，可以在大量试验结果的基础上建立a c f 固化率与超声 工艺参数之间的关联模型，通过该模型来预测不同超声工艺参数下a c f 的固化 率，将有利于评价试样的粘接质量，这在实际生产实践中具有较高的参考价值。 根据前面的分析讨论可以发现：a c f 的固化率主要受超声粘接时间和超声 粘接功率的影响较大，树脂基板温度和粘接压力对a c f 固化率没有显著影响。 因此，在建立a c f 固化率与超声工艺参数的关联模型时，可以仅考虑超声粘接 时间和超声粘接功率这两个对a c f 固化率起主导作用的工艺参数。 表3 1 不同超声工艺参数条件下a c f 的固化率 如表3 1 所示为由式( 2 - 6 ) 获得的不同超声工艺参数下a c f 的固化率，对表 3 6 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 3 - 1 的数据进行拟合，可得a c f 固化率与超声粘接功率、超声粘接时间的关系曲 面如图3 1 4 所示。 一、 摹 。 碍 芝 亘 山 u 2 5 0 0 图3 1 4 a c f 固化率与超声粘接功率和超声粘接时间的关系曲面 式( 3 - 1 ) 所示为拟合得到a c f 固化率与超声粘接功率、超声粘接时间的函数关系 式： c ( t ，p ) = 1 11 4 9 7 3 0 7 3 2 i n t - 1 0 2 7 4 p + 2 0 7 2 ( i n t ) 2 - 9 3 7 p 2 + 2 1 7 3 ( i n t ) p ( 3 - 1 ) 其中：c ( t ，p ) 为a c f 的固化率，为超声粘接时间，单位m s ；p 为超声粘接功 率，单位w 。 摹 吣卜 _ u 图3 - 1 5a c f 固化率模型预测值与试验值的对比图 根据拟合得到的a c f 固化率与超声粘接功率、超声粘接时间之间的函数关 系，对超声粘接功率为1 3 0 w ，超声粘接时间分别为1 0 0 0 m s ，1 5 0 0 m s ，2 0 0 0 m s 、 2 5 0 0 m s 工艺参数下a c f 的固化率进行预测并与试验结果比较以验证其有效性与 准确性。由图3 1 5 可以发现模型预测值和试验值很接近，其中最大相对误差为 7 7 ，这说明该关联模型可以较准确预测不同超声工艺参数下a c f 的固化率， 为生产实践中对超声粘接后的a c f 固化率的预测提供参考依据。 中南大学硕士学位论文 第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响研究 3 6 超声粘接与热压工艺下a c f 互连器件粘接强度的比较 由前面的试验研究可知：当超声粘接功率约为2 8 0 w ，超声粘接时间约为 2 5 0 0 m s ，粘接压力为1 2 一- 2 0 n ，树脂基板温度为5 0 - - - - 8 0o c 时，a c f 互连器件的 粘接强度能够达到3 2 n ，此时a c f 的固化率均在9 0 以上。 为了比较热压粘接工艺和水平超声粘接工艺在粘接强度这一可靠性指标上 的优劣，在相同的试验设备与采用相同的试验材料进行了a c f 热压粘接的对比 试验，设置粘接工作台温度为2 0 0 。c ，粘接压力为2 0 n ，热压粘接时间为1 5 s ， 在此参数下完成a c f 的热压粘接，然后对试样进行剪切强度测试，如图3 1 6 所 示为试验获得的试样的剪切强度的平均值，其粘接强度值为3 0 4n ，这与采用超 声粘接工艺获得的剪切强度值相当。采用优化的超声粘接工艺得到试样的剪切强 度为7 0 m p a 左右，韩国学者k i m 7 6 j 采用传统的热压粘接工艺获得试样的平均剪 切强度为7 3 m p a ，说明采用超声粘接工艺可获得与热压粘接工艺相当甚至更高 的粘接强度。 荟 赵 囊 颦 冀 图3 1 6 超声粘接工艺与热压粘接工艺下a c f 互连器件粘接强度的比较 3 7 本章小结 本章主要对超声工艺参数对a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响规律进 行了试验研究和理论分析，主要结论如下： ( 1 ) 通过试验研究获得了超声粘接功率对a c f 互连器件粘接强度及固化率 的影响规律。结果发现：超声粘接功率对a c f 互连器件的粘接强度及固化率有 相当显著的影响。当超声粘接功率从o 5 6 w 增加到2 8 0 w 时，a c f 互连器件粘 接强度从6 8 n 增加到3 2 n ，a c f 的固化率也从1 5 增加到9 4 2 。但是超声粘 接功率过大，会导致a c f 互连器件界面的过粘接而导致粘接强度的降低。 ( 2 ) 通过试验研究获得了超声粘接时间对a c f 互连器件粘接强度及固化率 中南大学硕士学位论文第三章超声工艺对a c f 互连器件粘接强度艮垦垡奎堕墅堕堡窒 的影响规律。结果发现：超声粘接时间对a c f 互连器件的粘接强度及固化率有 较显著的影响，当超声粘接时间从1 0 0 0 m s 增加至2 5 0 0 m s 时，a c f 互连器件的 粘接强度从1 7 n 增加至3 2 n ，a c f 的固化率从4 0 1 增大至9 1 9 。但是粘接时 间过长，会对已经生成的粘接界面造成损伤破坏而导致粘接强度的降低。 ( 3 ) 通过试验研究获得了f r - 4 树脂基板温度和粘接压力对a c f 互连器件 粘接强度及固化率的影响规律。结果发现：树脂基板温度和粘接压力的变化对 a c f 互连器件粘接强度及固化率的影响不大，改变基板温度和粘接压力，a c f 互连器件的粘接强度趋于稳定，均为3 2 n 左右，a c f 的固化率均在9 0 左右。 ( 4 ) 建立了a c f 固化率与超声工艺参数间的预测模型，结果表明：模型预 测值能与试验值较好地吻合，最大误差仅为7 7 。 ( 5 ) 通过试验研究与结果讨论，获得最优的超声工艺参数：超声粘接时间 约为2 5 0 0 m s ，超声粘接功率约为2 8 0 w ，树脂基板温度为5 0 8 0o c ，粘接压力 在1 2 3 0 n ，此时a c f 互连器件的粘接强度可达3 2 n ，a c f 的固化率均在9 0 以上，并通过与热压粘接工艺下试样的粘接强度比较，表明水平超声粘接工艺可 以获得与热压粘接工艺相当甚至更高的粘接强度。 3 9 中南大学硕士学位论文 第四章a c f 互连器件剪切破坏过程的模拟 第四章a c f 互连器件剪切破坏过程的模拟 本章将使用f o r t r a n 语言编写基于指数型内聚力模型的v u m a t 子程序， 在a b a q u s 采用双线性和指数型内聚力模型对a c f 互连器件的剪切破坏过程进 行数值模拟，确定表征a c f 互连器件粘接强度的内聚力参数；建立超声粘接工 艺参数与a c f 互连器件内聚力参数之间的关联模型；通过试验结果与有限元模 拟结果对比，验证了关联模型的准确性与有效性，为超声工艺参数下a c f 互连 器件粘接强度的估算提供参考依据。 4 1 内聚力模型的内涵 目前，在工程与科研中应用较多的内聚力一位移关系主要有双线性、梯形、 多项式以及指数型内聚力位移关系，本文将采用双线性和指数型内聚力模型来 模拟a c f 互连器件的剪切破坏过程，下面分别对这两种模型作简要介绍。 4 1 1 双线性内聚力模型 双线性内聚力本构关系( b i l i n e a rt r a c t i o ns e p a r a t el a w ) 最早由m i 等人提 出，它在许多有限元软件中得到了广泛应用以实现内聚力模型的计算模拟。目前 在a b a q u s 软件中的内聚力单元就已经包含有的双线性的内聚力一位移本构关 系并在工程实践中获得广泛应用。 酞 jl 觚 除 n 截6 1 ( a ) 法向内聚力啦移关系( b ) 切向内聚力一位移关系 图4 1 双线性内聚力位移关系 中南大学硕士学位论文第四章a c f 互连器件剪切破坏过程的模拟 内聚力模型通过一层内聚力单元来模拟粘接界面层，而且单元遵循内聚力法 则。如图4 1 所示为双线性内聚力位移关系，在内聚力单元开始承载的初始阶 段，应力与相对位移呈线性关系，此时内聚力区处在线弹性阶段( 对应于图4 1 中位移o 瓯阶段) ，当法向相对位移增加至醒或切向位移为群时，法向内聚力 ( 切向内聚力) 将分别达到其最大值仃? “( 矿“) ，此时单元进入损伤软化阶段( 对 应于图4 1 中位移瓯玉阶段) ，随着相对位移的增加，单元的承载能力将会下降， 应力不断地减小，当应力减小至零时，内聚力单元将完全失效，表示材料已经完 全失去了承载能力，界面在该处完全开裂( 对应于图4 t 中位移大于万，阶段) 。 假设内聚力单元完全失效破坏时的法向临界位移为彰，切向方向对应的临 界位移为，则双线性内聚力模型的内聚力位移关系的描述方程【7 8 】如下： 乃= z = 甏。( 以刚 降。) 吒。籍( 州) 一 等万 6 j 一6 方虿 式( 4 - 1 ) ，( 4 - 2 ) q b ，o - m 。，。分别为界面法向与切向的内聚强度值( 最大应力值) ， 乙和z 分别是法向和切向内聚力，此时对应的相对位移分别为群、秽，也称作 开裂分离过程中的特征位移。内聚力上升至最大值后开始减小，当界面完全丌裂 分离时，内聚力降低至零，此时对应的位移分别为、，在纯剪切( 瓯= 0 ) 与纯拉伸( 谚= 0 ) 的状态下，切向内聚能谚和法向内聚能丸分别为： 丸= 去舔彩 丸2i 舔“ j ( 4 3 ) 1 、 谚= 妄 谚2i 。彰 随着相对位移的不断增加，应力最终将达到其最大值硝“后，此时单元将进入损 伤软化阶段，内聚力单元损伤程度的大4 、可以通过实际位移瓯及最大位移量霹“ 来表示，损伤破坏变量d 的定义为： d = 黼 件4 ， 钟“( 瓯一群) 、 7 式( 4 4 ) 中：群和霹“分别是单元开始进入损伤软化阶段与单元完全失效时所对 应的位移。d 参数在内聚力单元出现初始损伤前为0 ，进入损伤软化阶段后自0 4 l 24 、i，、i， 伊， 掣 万 莎 p p 中南大学硕士学位论文 第四章a c f 互连器件剪切破坏过程的模拟 开始增加，当内聚力单元失去承载能力而完全失效时达到其最大值d = 1 ，此时 意味着内聚力区域中的此处已经开裂分离。 双线性内聚力法则中，必须给定材料的内聚强度与失效破坏时的临界内聚 能，同时还需给出应力上升阶段的斜率( 刚度) k 作为模型参数，双线性内聚力 模型因其简明有效，容易收敛而在有限元软件中得到广泛应用。 4 1 2 指数型内聚力模型 自n e e d l e m a n 4 3 1 首次提出指数型内聚力模型，近年来，指数型内聚力模型在 材料或结构断裂仿真模拟中得到了广泛运用，该模型已应用在许多个工程领域 中，如复合材料的界面分层与开裂、静载荷以及疲劳载荷下的蠕变性能、双相材 料界面的断裂与混凝土的裂纹扩展等。 指数型内聚力模型通常需要定义一个内聚力势函数【4 4 】： 鼬沪m 唧卜+ a 钊 l h - q - 一 g + ( 等) 小 ( 4 - 5 ， 式( 4 - 5 ) q u ，丸为界面纯法向开裂时对应的法向内聚能，。、。分别为界面法向 位移值和切向位移值，皖和4 分别为界面法向特征长度与切向特征长度，即应 力达到最大值时所对应的位移值，由式( 4 5 ) 计算得到的内聚能为界面开裂过程中 的总内聚能。其中，参数g ，分别定义为： g ：鱼 ，：垒 ( 4 6 ) 丸瓯 勿为界面纯切向开裂时对应的切向内聚能，a ：为界面在纯剪切应力状态下失效 时刻的法向位移。将内聚能方程分别对法向和切向位移求偏导获得界面法向和切 向内聚力的具体表达式( 4 7 ) 和( 4 8 ) ： 卜纠一每脍x p + 鲁卜p 卜铷件劢 卜鲁8 , j 垒8 , m 罟蝌唧唧 降8 ， 若界面法向和切向内聚强度即应力最大值分别为。和靠。，则法向和切向内聚 能与。和m 。有关，其