（材料物理与化学专业论文）LCD中COF互连工艺及可靠性研究.pdf

复旦大学硕士学位论文 摘要： 随着液晶显示( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 系统驱动芯片凸点节距的进一 步缩小，常用的基于各向异性导电膜( a c f ，a n i s o t r o p i c c o n d u c t i v ef i l m ) 工艺 的挠性板上芯片互连技术( c o f , c h i po nf o i l ) 已经越来越难以满足液晶显示系 统中互连的要求。非导电膜( n c f n o n - c o n d u c t i v ef i l m ) 和热压 ( t h e r n l o c o m p r e s s i o n ) 技术被提出取代各向异性导电膜技术。本文涉及4 种c o f 工艺， 根据c o f 键合方式和挠性基板上铜印制线镀层材料的不同分为金金热 压，金锡热压，金金非导电膜和金锡非导电膜。 金金热压工艺在键合过程中会产生芯片开裂( i cc r a c k i n g ) ，为了从根本上 解决此问题，利用a n s y s 软件，运用有限元模拟方法研究了金金热压工艺中 键合力对芯片内部a l 压焊块应力分布的影响，得出应力集中点位置与芯片开裂 点位置一致。为了降低应力集中，模拟了挠性基板上印制线宽度分别为2 5 1 n n 和 1 7 9 m 时，在相同键合力和相同单位面积键合力情况下对芯片损伤情况，发现小 印制线宽度在相同单位面积键合力情况下在m 压焊块中应力集中较小，并经实 验验证，小印制线宽度情况下能消除芯片开裂现象。分析了实际工艺过程中在不 同偏移容差情况下，印制线宽度分别为2 0 岫和l o p a n 的挠性基板对a l 压焊块 内应力集中的影响。并根据实际制样设备偏移容差的正态分布，拟合出不同印制 线宽度的挠性基板对键合机键合偏移容差不同的要求，以避免产生芯片开裂现 象。得出的结论为偏移容差为5 p m 的机器适用于l o p m 印制线宽度的挠性基板。 而2 0 p r o 印制线宽度的挠性基扳对5 1 * m 和l o i u n 的偏移容差来说变化不剧烈。由 于1 7 i t m 接近2 0 p r o ，并且在对准情况下没有出现芯片开裂的现象，所以对于偏 移容差为5 - l o u m 内的键合机都用来键合1 7 1 x r a 印制线宽度的样品。 本文用金。金热压，金锡热压和金- 锡非导电膜三种c o f 工艺进行制样，制 样单位1 0 0 0 。发现金锡非导电膜工艺存在较为严重的c o f 失效。对三种c o f 工艺制备的样品进行a h t ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t y r e s t ) ，t s t ( t h e r m a ls h o c k t c s t ) ，a h t o ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t yt e s to p e r a t i o n ) 加速实验以测试其可靠性。 分析可靠性测试数据发现湿气对n c f 工艺的接触电阻的影响较大，用四点法对 金一金非导电膜样品的接触电阻进行测量，对a h t 和t s t 加速实验前后不符合 芯片输入电阻要求的焊脚数进行了统计研究，并且分析了不同老化时间时测试的 芯片不同位置的压焊块接触电阻的变化。 关键字：c o f 互连，非导电膜，热压，有限元，可靠性 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t ： 研坊e v e r - i n c r e a s i n gd e m a n d sf o rf r e e rb u m pp i t c hi n t c r c o n n e c f i o n si nt h el c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) i n d u s t r y , t h ec o f ( c h i po nf o i l ) i n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g y b a s e do na c f ( a n i s o t r o p i c c o n d u c t i v ef i l m ) i sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ec h a l l e n g e s s e v e r a lt e c h n i q u e ss u c ha sn c f ( n o n - c o n d u c t i v ef i l m ) a n dt h e r m o c o m p r e s s i o na r e f o r w a r d e dt o r e p l a c e a c ft e c h n o l o g y t 1 1 i s p a p e ri n v e s t i g a t e d f o u rd i f f e r e n t t e c h n i q u e sc l a s s i f i e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ti n t e r c o n n e c tt e c h n i q u e sa n df o i lp l a t i n g m a t e r i a l s t h e ya l ea u - a ut h e r m o c o m p r e s s i o n ，a u - s ne u t e c f i c ，a u - a un c fa n d a u s nn c f s a m p l e sw e r ep r e p a r e d t l lf o u rp r o c e s s e sa n do n l ys a m p l e sp r e p a r e db ya u a u t h e r m o - c o m p r e s s i o nw e r ed e t e c t e ds e v e r ei cc r a c k i n gp r o b l e m i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，a n s y sf e as o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ee f f e c to fb o n d i n gf o r c eo n e q u i v a l e n t s t r e s sd i s t r i b u t i o ni na l u m i n u mp a do fi cc h i pa n da l s os i m u l a t et h e s i t u a t i o nw h i l et h eb o n d i n gf o r c ea r es a m eb u tt h ew i d t ho fc o p p e rt r a c ko nf o i li s d i f f e r e n t t h er e s u l tr e v e a l e dt h a tt h es t r e s sl e v e lc o n c e n t r a t e di na l u m i n u mp a di s m u c hs m a l l e rw i t l ls m a l l e rc o p p e rt r a c kw i d t h ，a n dt h er e s u l ti sc o n f i r m e db y e x p e r i m e n ts i n c en oi cc r a c k i n gi sf o u n dw i t i ls m a l l e rc o p p e rt r a c kw i d t h i no r d e rt o r e a l i z el a r g e - s i z es a m p l e sw i t h o u ti cc r a c k i n gp r o b l e m ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o p p e r t r a c kw i d t ho ns t r e s sc o n c e n t r a t i o nl e v e li na l u m i n u mp a dw i t hd i f f e r e n tb o n d i n g m i s a l i g n m e n td i s p l a c e m e n tw a ss t u d i e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tn o r m a ld i s t r i b u t i o no f m i s m i g n m e md i s p l a c e m e n tw i t hd i f f e r e n tm i s a l i g n m e n tt o l e r a n c e ，a v e r a g ee f f e c to f d i s p l a e e m e n tt o l e r a n c eo ns i t u a t i o nw i t hd i f f e r e n tb o n d i n gf o r c ea n dt r a c kw i d t hi s e a l c u l m e d ，a n dt h eo p t i m u mr e s u l ti sc h o s e nf o rs a m p l er u no f t h e s ec o f t e c h n i q u e s a u - a ut h e r m o - c o m p r e s s i o n a u - s ne u t e c t i ca n da u - s nn c fw e r eu s e dt o p r e p a r e ds a m p l e sa n ds a m p l es i z ei sa r o u n do n et h o u s a n d t h ey i e l da f t e rc o f p r o c e s s ，f o i l - f o i lp r o c e s s ( f o rs np l a t e dc o p p e rt r a c ks a m p l e s ) a n do l b ( o u t e r l e a d e rb o n d i n g ) i sr e s p e c t i v e l yr e c o r d e dt oa n a l y s i sw h i c hp r o c e s sw i l lr e s u l ti l l s e r v e rl o s s a l lt h ef a i l u r es a m p l e sw e r ea n a l y z e da n dr o o tc a u s e d 。o n l ya u - s nn c f h a dc o ff a i l u r es a m p l e s i no r d e rt o t e s tt h er e l i a b i l i t yo fp r e p a r e ds a m p l e ，t h r e e a c c e l e r a t e dt e s t s ，a h t ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t yt e s t ) ，t s t ( t h e r m a ls h o c kt e s t ) a n d a h t o ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t yt e s to p e r a t i o n ) ，w e r ea d o p t e d r e s u l t sr e v e a l e dt h a t a u a ut h e r m o 。c o m p r e s s i o n s a m p l e sh a dt h eb e s tr e l i a b i l i t y r e l i a b i l i t ) r r e s u l t r e v e a l e dt h a ta u - s nn c f s a m p l e sw e r es e n s i t i v et oh u m i d i t y , s of o u rp o i n tm e t h o d 2 复旦大学硕士学位论文 w a su t i l i z e dt om c a s l 】r et h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo fb u m p si nd i f f e r e n tl o c a t i o n 、城t 1 1 a h ta n dt s tt e s t o n l yo n eb u m pw a sd i s c o v e r e dt oe x c e e dm i n i m u mi n p u t r e s i s t a n c er e q u i r e m e n t t h ee f f e c to fd i f f e r e n tb u m pl o c a t i o nw a sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o fi n t e r c o n n e c t ，n c f , t h e r m o - e o m p r e s s i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， r e l i a b i l i t y 3 复旦大学硕士学位论文 i 前言 1 1l c d 互连技术 电子技术的迅猛发展推动着人类社会在通向信息化的大道上疾驶人们愈来 愈渴望降低产品的外形尺寸以形成微型组件，从而能够不断满足新一代可移动产 品的要求，其中包括：蜂窝移动电话、g p s 和手持式测试仪器。在这类产品中几 乎都离不开一些不同种类的显示屏，绝大多数的情况下是采用液晶显示系统 ( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 。它可以满足这类产品对通用性和低功率消耗 量的需求。 在早期的产品市场上所采用的l c d 基本上为字母和固定的图像。而如今和 未来对可移动产品中的l c d ，提出了需要拥有可程序化的v g a 图像的要求，它 可用不同的尺寸大小来满足不同的使用要求。 人们对进步使l c d 薄形化和减轻其重量有着非常强烈的呼声。目前使用 的满足这一需求的技术，称为玻璃板上芯片( c h i p - o n - g l a s s ，c o g ) 技术。在一块 采用c o g 技术的l c d 中，i c 器件被直接贴装在作为l c d 组成部分的同一玻璃 基片上。未来c o g 装配的形式包括控制部分和除激励电路以外的偏压电路。挠 性板上芯片( c r o po nf o i l ，c o f ) 技术和c o g 工艺相类似，所不同的就是衬底材 料【”。 在液晶显示系统( l c d ) 中，无论是在玻璃板上芯片互连( c o g ) 还是在挠性 基板上的芯片互连( c o f ) 的封装形式中，各向异性导电膜( a c f , a n i s o t r o p l e s c o n d u c t i v eh 1 r n ) 技术的运用十分广泛。a c f 技术是通过在热压工艺中，在芯片 凸点和基板材料( 玻璃基板或挠性基板) 之间捕捉到一定数量的导电粒子来形成 电连接。由于a c f 的导电粒子填充比较小，利用a c f 技术能够实现较小凸点节 距( p i t c h ) 的互连结构1 2 叫。 1 2 a c f 工艺 1 2 1a c f 工艺简介 熟压工艺技术所用材料是各向异性导膜( a c f ) 。图1 是a c f 的结构和工艺示 意图。导电粒子被均匀地分散到绝缘性好的粘合剂中，再将混合后的粘合剂制作 成薄膜，薄膜的一面用非粘性尼龙带加以保护。a c f 的作用原理是，在热和压 力的作用下，粘合剂被挤压得更薄，这时粘合荆中的导电粒子在上、下方向上连 通，而在左右方向上仍不连通。a c f 在受压方向和未受压方向体现出了不同的 导电性，因此称为各向异性导电膜【5 用。 有三种类型的a c f ，它们的导电粒子各不同：纯金属粒子( 一般材料为金) 、 复旦大学硕士学位论文 外裹树脂层的金属粒子及外镀n i a l l 的树脂粒子。在硬度方面，纯金属粒子最 大；在导电性方面，外裹树脂层的金属粒子主要靠外裹树脂层破裂，内部金属弹 性变形而实现接合，需要的键合压力较大；纯金属粒子，是依靠金属粒子在塑性 变形的过程中深入接线端子而实现接合的；镀n i _ a u 的树脂粒子，具有一定弹 性，又有一定的硬度。从价格、性能方面考虑一般选用性能价格比最高的外裹 树脂层的金属粒子。 图1a c f 的结构和工艺示意图 各向异性导电薄膜a c f 工艺的优点【10 】： 一能够实现较小步距倒扣芯片互连 一去除了填充料的工艺 一工艺温度较低 工艺灵活简单，成本低 1 2 2c o f 中的a c f 工艺l “j j 挠性电路板按照基材和铜箔的结合方式，可分为两种：有胶挠性板和无胶挠 性板。其中无胶挠性板的价格比有胶的挠性板要高得多，但是它的柔韧性、铜箔 和基材的结合力、焊盘的平面度等参数也比有胶挠性板要好。所以它一般只用于 那些要求很高的场合，c o f 采用的挠性电路板为无胶挠性板。这是由于a c f 热 压工艺采用的键合温度会使得有胶的挠性板粘接胶层融化，使得铜线层移动，键 合偏移的可能性大大提高。 复旦大学硕士学位论文 无胶挠性板的制作方式有两种： 在铜箔上涂布聚酰胺酸层 将聚酰胺酸溶液丝网印刷在铜箔，随后高温蒸发掉溶剂使得聚酰亚胺固化， 同时实现了铜箔层与聚酰亚胺层的粘接。这种方式要求铜箔有一定厚度。 在聚酰亚胺层上电镀铜 这种方式首先在聚酰亚胺层上，通过溅射或者蒸发淀积一层较厚的金属层， 然后通过电镀实现所需要的铜箔厚度。由于铜印制线的间距和铜箔层的厚度相关 ( 间距越小，铜层越薄) ，该方法相比第一种方法来说，铜箔没有一定厚度的限 制。 下述为a c f 工艺步骤： 贴装a c f ： a c f 的厚度要根据i c 芯片离挠性基板的距离进行调整。 参数：贴装温度9 0 0 c 。压力1 m p a ，2 秒。 预键合： 参数：压强2 k g c m 2 ，5 0 。c ，2 秒。 终键合： 参数：压强1 0 k g m m 2 ，2 0 0 0 c ，1 0 秒。 1 3a c f 工艺面临的挑战 然而随着l c d 系统中功能的增加，驱动芯片( i cd r i v e r ) 的凸点数随之增加， 而整个芯片的面积不变甚至会减小，故而只能通过减小芯片凸点节距来实现这一 需求，这对a c f 技术提出了严峻的挑战1 4 - 1 5 。通过理论推导，a c f 中两个相邻 凸点间的搭桥几率如公式( 1 ) 所示。 其中p 为搭桥几率，f 为导电粒子的填充体积比，h 为芯片压焊块( p a d ) 的 高度，l 为芯片压焊块的长度，d 为芯片压焊块间的距离，r 为导电粒子的半径。 通过调节这些变量可以降低搭桥几率，但是过分调节，会在工艺中产生其它问 题。例如，减小导电粒子的填充体积比，能够降低搭桥几率，但是导电粒子的填 充体积比太低的话，芯片的凸点和基板的印制线之间有可能不能捕捉到足够数量 的导电粒子，从而引起芯片此凸点的开路。据文献报道，对小于1 5 i u n 凸点间距 ( b u m pg a p ) 的芯片来说，a c f 工艺会产生较为严重的搭桥现象 1 5 - 1 6 1 ，如图2 所示。 6 旦铲尘护 盯一万 一 0 一 = p 复旦大学硕士学位论文 图2a c f 中导电粒子的搭桥现象 由于导电粒子是随机分布在导电胶内，总是存在一定的几率在一个凸点上没 有任何导电粒子使得此凸点开路。可以根据泊松分布公式( 2 ) 来推断特定键合 面积区域内没有捕捉到任何粒子的几率。 p ( 玎) = 了e - b t ( 2 ) p ：凸点开路的几率；n ：键合面积内的导电粒子数；肛：键合面积内的平均粒子 数 3 a f 。 2 r c r 2 ( 3 ) a ：总键合面积；，：粒子所占的体积分数；r ：粒子的半径。 但是，体积分数在3 - 1 5 ，芯片面积| 0 0 m m 2 ，焊块面积1 0 0 1 ti n 2 ，一个a c a 凸 点开路的几率为： 3 彳， p ( 0 ) = g 一= e 2 ” 所以一个凸点开路的几率在1 0 1 3 至1 0 。之间。换句话说，可以预测个凸点开 路的几率的极其小的。然而在实际中是必须考虑聚集效应的，粒径分布可以用二 项式分布模型描述( h e r c z y n s k i ，1 9 7 5 ) ： p ( 刀) = 掣( 1 一s ) 肛”s ” ( 5 ) n ：a 面积中最多可以容纳的粒子的数量；c ? 二项式分布参数；s ：，f m ，其中 1 m 为对应容纳最多粒子时的体积填充率。限定， 1 ，方程( 4 ) 和( 5 ) 给出相同 p ( o ) 值“”。 为了能够从根本上解决窄凸点节距芯片带来的a c f 的搭桥问题，需要开发 非导电膜( n c f ) 技术和热压( t h e r m o c o m p r e s s i o n ) t z 来替代a c f 技术。这些 7 复旦大学硕士学位论文 技术在设备上和a c f 技术有着很好的兼容性，并且具备了实现更小节距芯片互 连的能力。 1 4 新的c o f 互连技术 在非导电膜中，所有的金属导电粒子都被去除，电连接是通过压力使得芯片 凸点和基底材料上的印制线直接接触得以实现，同时热固型的非导电膜经过一定 热工艺后，可以实现直接接触状态的机械固定，从而保证稳定的电连接。由于非 导电膜层担任确保i c 和基底材料之间机械连接和电连接的双重角色，所以非导 电膜材料的热工艺温度曲线的选择尤为重要。非导电膜最终键合温度为2 2 0 2 4 0 i r 丌。 热压工艺是利用在一定温度下，芯片的金凸点和基板材料上印制线上电镀的 a u n i 层发生一定程度的共金反应或和s n 镀层发生一定程度的合金反应来实现 两者的机械连接和电连接，然后再用填充料( u n d e r f i l l ) 来保护和加强已经实现 的互连f l g - 。9 1 。根据挠性基板上铜印制线的材料的不同，a u - s n 热压的最终键合温 度2 5 0 ( 2 左右，a u - a u 热压所需要的最终键合的温度为3 3 0 c 左右。非导电膜和 a u a u 共金工艺过程如图3 和图4 所示。 预键台 芯片对齐 后健台 图3 非导电膜工艺示意图 预键台芯片时齐 后键台 图4a u a u 热压工艺示意图 8 复旦大学硕士学位论文 然而非导电膜和热压技术还是存在一定问题。对非导电膜技术和来说，需要 在i c 芯片上施加一个较大的键合力，从而来确保当这个力不存在时，固化后的 非导电膜层能够固定住已经实现机械连接和电连接的芯片凸点。这个较大的键合 力在键合工艺的瞬间可能对凸点上面芯片压焊块造成损伤，并且可能会在a l 压 焊块中形成大的应力集中，从而对今后的可靠性产生影响。a l 压焊块的损伤对 非导电膜技术的正常电功能的实现有很大影响。而对热压工艺来说，同样存在和 非导电膜技术相同的问题。此外，由于是通过共金热压工艺来实现电连接，因此 在工艺的最后阶段将采用比非导电膜更高的键合力和工艺温度，这更加剧了上述 问题所带来的损伤。 l ，5 本论文的目的和研究内容 随着液晶显示系统驱动芯片凸点节距的进一步缩小，常用的基于各向异性导 电膜( a c f , a n i s o t r o p i c c o n d u c t i v e f i l m ) i 艺的挠性基板上的芯片互连技术( c o f , c h i po nf o i l ) 已经越来越难以满足液晶显示系统中互连的要求。非导电膜( n c f , n o n - c o n d u c t i v ef i l m ) 和热压( t h e r m o c o m p r e s s i o n ) 技术被提出取代各向异性 导电膜技术。 本文涉及4 种c o f 工艺，根据c o f 键合方式和挠性基板的铜印制线镀层材 料的不同分为金金热压，金锡热压，金金非导电膜和金锡非导电膜。 首先观察到只有金- 金热压工艺在键合过程产生芯片开裂( i cc r a c k i n g ) ，针 对这个问题进行了不同工艺条件下工艺窗口的研究。为了从根本上解决此问蘧， 利用a n s y s 软件运用有限元模拟方法研究了金金熟压工艺中键合力对芯片内 部a l 压焊块应力分布的影响，得出应力集中点位置与芯片开裂点位置一致。为 了降低应力集中而保持单位键合面积上压力不变，模拟了挠性基板上不同印制线 宽度在相同键合力和相同单位面积键合力情况下对芯片损伤情况，发现小的印制 线宽度在相同单位面积键合力情况下对趾压焊块应力集中较小，并由实验验证 小的印制线宽度情况下消除了芯片开裂现象。 为了使四种c o f 工艺能够大规模制样，分析了实际工艺过程中在不同偏移 容差情况下，不同印制线宽度的挠性基板对a l 压焊块内应力集中影响的。并根 据实际制样设备偏移容差的正态分布，拟合出不同印制线宽度的挠性基板对键合 机键合偏移容差不同的要求，以避免产生芯片开裂现象。得出的结论为偏移容差 为5 9 m 的机器适用于大小宽度在l o l a m 印制线宽度的挠性基板。而2 0 b i n 印制线 宽度的对5 b m 和l o 哪的偏移容差来说变化不剧烈。由于1 7 p r o 接近2 0 u a n ，并 且在对准情况下没有出现芯片开裂的现象，所以对于偏移容差为5 - l o g a n 内的键 合机都用来键合1 7 b r n 印制线宽度的样品。 9 复旦大学硕士学位论文 本文用金金共金热压，金锡共金热压和金锡非导电膜三种c o f 工艺进行 制样，制样单位1 0 0 0 。统计c o f 工艺，f o i l - f o i l 焊接工艺( 金镀层样品不含此 工艺) ，o l b ( o u t e rl e a d e rb o n d i n g ) 工艺的失效率，并对所有失效样品进行失 效分析。发现金锡非导电膜工艺存在较为严重的c o f 失效。 对四种c o f 工艺制备的样品进行a h t ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t yt e s t ) ，t s t ( t h e r m a ls h o c kt e s t ) ，a h t o ( a c c e l e r a t e dh u m i d i t yt e s to p e r a t i o n ) 加速实验 以测试其可靠性。 最后，分析可靠性测试数据发现湿气对n c f 工艺的接触电阻的影响较大， 用四点法对金- 金非导电膜样品的接触电阻进行测量，对a h t 和t s t 加速实验 前后不符合芯片输入电阻要求的焊脚数进行了统计研究，并且分析了不同老化时 间时测试的芯片不同位置的压焊块接触电阻的变化。 l o 复旦大学硕士学位论文 i i 金金热压工艺中键合力损伤芯片的研究 2 1 样品参数及实验方法 2 1 1 样品参数 实验采用的i c 芯片是几何尺寸为1 0 8 x 1 9 5 m m 2 、厚度为3 8 1u m ( 不包括 凸点高度) 的b o a ( b u m p0 1 3 a c t i v e ) 芯片，凸点的几何尺寸为3 0 9 9 1 su m 3 。采用的挠性基板厚度为3 5um ，挠性基板上的印制线横截面积为梯形，实 际上底宽度分别为2 5um 和1 7 斗m 。下底宽度分别为3 li xm 和2 3 i tm ，厚度为 1 3 3u m ( 包括n i a u 层厚度) 。图5 和图6 为芯片和铜印制线的示意图。 量 担 f 霜曩 目 刚列v s 船o l sil n t e p j = a c e u m s i o e l s i d e 削p i t 由 m 佰1 酣 l 嘎n 6 3 t a m b u m p3 0 ( 1 4 l 口口i 鞠斟x0 0 0 01 t m d l m q n s k m s1 6 0 l 幅o 坶 w 栅 3 8 1 ( 士嘲岬 t h i c h 0 韬 陋【d b u m p s ) 图5 芯片示意图和参数 图6 铜印制线示意图和参数 2 1 2 有限元法原理 本文运用实验和有限元法相结合的方法来得出产生芯片开裂样品的失效原 因，所以需要对一些就应用软件和有限元法原理作一些简单介绍 2 0 - 2 6 1 。 目前在封装领域使用的最为广泛的计算机模拟软件是a n s y s 软件。由于 a n s y s 软件是功能最为强大的有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 软 件，它被广泛的应用于一般的工业及科学研究。a n s y s 在封装领域的应用主要 在于：电子元件在封装过程中经封装后的整体应力、变形、温度分布电磁场分布 以及相互间的干扰；金属焊点的瞬态温度、动态热应力、最终参与应力和变形； 复旦大学硕士学位论文 p c b 板级系统的温度分布、空气流动、机械应力、以及整体性能和可靠性的分 析和优化。 由于用a n s y s 模拟计算的过程就是用有限元法进行数值计算的过程，所以 有必要对有限元的基本概念作一下简单的介绍。 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，主 要运用于结构静、动态特性分析，热传导、电磁场、流体力学等连续性的问题。 有限元法分析计算的思路和做法可以归纳如下： 物体的离散化 将某个工程结构离散为各种单元组成的计算模型，成为单元剖析。离散后单 元于单元之间利用单元的节点相互连接起来：单元节点的设置、性质、数目等应 视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。所以有限元法中分析的结 构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的有众多单元以一定方式连接成的 离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元的 数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 单元特性分析 i 选择位移模式 在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作 为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移时称为混合法。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如 位移、应变和应力等由节点位移来表示。这是可以对单元中位移的分布采用一些 能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中将唯一表示为坐标变量的 简单函数。 i i 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵， 这是有限元法的基本步骤之一。 i i i 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对 于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种 作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效的个节点上去，也就 是用等效的节点力来替代所与作用在单元上的力。 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来， 1 2 复旦大学硕士学位论文 形成整体的有限元方程 k q - - f 式中，k 是整体结构的冈度矩阵；q 是节点位移列阵；f 是载荷列阵 h 求解未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的 计算方法。 2 1 3 正态分布 本文需要对一些数据进行统计学上的正态分布的加权平均，所以需要对正态 分布做一些基本介绍【2 7 1 。 正态分布是一个统计学概念。对于所考察的特性值，所采样本越接近的平均 值的，出现的概率越大，离平均值越远的出现的概率越少，我们通常称这种现象 叫正态分布( 常态分布) 。正态分布的特点是两头小，中间大，呈古钟状。 从本质上说，若某特性值如果由许多随机的相素独立的因素影响，而每种因 素所起的作用很少时，则此特性值服从正态分布。正态分布概率密度是关于平均 值且和标准差a 的函数。正态分布概率密度的数学形式为： 1 一( x - u 。) 2 f ( x ) = 亭e 2 一 吖z t c o - 正态分布概率密度关于x = 1 t 对称。平均值为0 ，标准差为1 时的正态分布， 我们叫做标准正态分布，如图7 ： ， 、 | r tj | ， j 、 上占由占毒上圭占圭由士上圭。三三”p01”葛：”嚣。三。o 10 1 们 们们 啪 一- - 。 一。 图7 标准正态分布 5 哇5 3 5 2 5 l 5 0 叭仉乱呲仉叽洲 复旦大学硕士学位论文 标准正态分布的累积函数值一般会做成表格的形式以方便查询，当非标准状 态下可将非标准正态分布转标准正态分布，上下限分别为x 1 。x 2 ，平均值弘， 标准差为。时，化为标准正态分布时，上下限分别为t l = ( x l - u ) g ，t 2 鼍x 2 - u ) a ， 平均值i t = o ，标准差为a = 1 。 2 2 结果与讨论 2 2 1 芯片开裂及工艺窗口 表l 所示为非导电膜和a u a u 热压工艺中不同键合力情况下电信号失效测 试结果。 表1 样品电性能测试结果 7 k 矿9 k g f1 1 k g f 1 4 k g f 非导电膜 无失效样片无失效样片无失效样片无失效样片 工艺 a u - a u 热无失效样片无失效样片有失效样片有失效样片 压工艺 用光学显微镜分析失效样品发现，样品失效是由于凸点下芯片上a i 压焊块 的角落位置因应力过大而产生裂缝，如图8 所示。 图8i c 表面a l 压焊块中的开裂情况 金一金热压工艺所采用的芯片一般为普通驱动芯片。本文所采用的芯片是一 种特殊的b o a ( b u m po n a c t i v e ) 芯片，顾名思义这种芯片所有的凸点都是生长 在集成电路有源区上。正是由于这一点，芯片开裂带来的影响是直接导致电功能 1 4 复旦大学硕士学位论文 的失效。b o a 芯片的制造成本比普通驱动芯片要低的多，如果能够实现b o a 芯 片热压工艺，将会带来巨大的成本竞争力。 为什么只有金金热压工艺才产生芯片开裂的现象呢? 在非导电膜和a u a u 热压的对比实验中可以发现，非导电膜工艺能够比a u - a u 热压工艺承受更大的 键合压力。造成这一结果的原因是在于非导电膜和a u - a u 热压工艺存在的差别。 非导电膜工艺中使用了没有导电粒子的薄膜。在键合过程中，这种半固态的胶状 物质起到了缓冲的作用。而a u - a u 共金工艺在键合之后才填充填充料，因此 a u - a u 1 - 艺在a l 层中的应力情况更为严重。此外，在a u a u 中的最后键合阶段 的键合温度高于非导电膜最后键合温度1 0 0 c ，高温易使a l 层损伤，这也是 a u - a i l 所能承受的压力小于非导电膜工艺的原因删。 由于产生了上述芯片开裂的现象，需要寻找一工艺窗口，使得同时保证键合 的可键合性，并且避免产生芯片开裂 图9 为不同键合压力下键合界面的剖面图： a ) 1 0 k g f 图9 不同键合压力下键合界面剖面图 c ) 1 4 k g f 通过观察界面我们发现，随着键合力越大，金凸点压得越紧密，表明可键合 性是随着键合力的增大而增加的。 可键合性( b o n d a b i l i t y ) 的判断标准：通过剥离测试，观察挠性基板的断裂 位置来判断。如图l o 所示，1 号位置指断裂位置发生在挠性基板与印制线之间， 2 号位置指断裂发生在铜印制线和金凸点的界面，3 号位置指断裂发生在金凸点 和芯片的界面。其中2 ，3 号位置判断为可键合性差，1 号判断为可键台性好。 复旦大学1 羲士学位论文 毫、 ( 卜锨 芝 图l o 可键合性判断示意图 我们通过改变是否预热，键合力大小，键合平台温度，键合压头温度以及键 合时间等参数的组合，设计了一系列实验，观察可键合性和是否存在芯片开裂判 断在这些参数组合中是否存在工艺窗口。结果如表2 所示。 表2 寻找工艺窗口的实验设计 编号预热键合力键合平台温度键合压头温度键合时间芯片开裂可键合性制样单位 l an a1 34 2 0 2 0 01 r i ob a d5 1 bn at 4 l cn a1 5 4 4 0 4 4 0 2 0 0 2 0 0 1 1 n o n o g o o d 5 g o o d 5 l dn a1 7 4 6 02 0 01 y e sg o o d 5 3 an a 1 2 4 4 0 2 0 01 y e s b a d1 0 1 6 复旦大学硕士学位论文 3 bn a1 1 3 cn a1 0 4 4 0 4 4 0 2 0 0 2 0 0 1 1 5 n o n o b a d b a d 1 0 1 0 3 dn a1 04 4 02 0 02n ob a d 1 0 9 a y e s 1 2 4 5 02 0 0 n o g o o d b a d 1 0 9 by e s1 34 5 0 2 0 01n o g o o d b a d 1 0 1 0 ay e s1 24 5 0 2 0 01n o 1 0 by e s1 3 1 0 cy e s1 4 1 0 dn a1 2 1 0 en a1 3 4 5 0 4 5 0 4 5 0 4 5 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 y e s n o 1 1 0 n 0 g o o d b a d 1 0 g o o d 1 0 g o o d 1 0 b a d 1 0 g o o d 1 0 1 0 fn a1 4 4 5 02 0 01 n o g o o d 1 0 1 7 复旦大学硕士学位论文 如果没有芯片开裂，同时可键合性也照好，可以认为此时的工艺参数的设置 是在工艺窗口内。考察表2 可以看到，当键合压力超过1 l k g f 时就可能会产生芯 片开裂，而获得良好的可键合性需要键合压力在1 3 k g f 左右。第一组内l b ，l c 两 组在工艺窗口的参数组合，经样品数放大测试，即第二组数据的2 c ，2 d 两组参数， 出现了芯片开裂。证明在大量制样条件下，此参数组合不是金金热压工艺的工 艺窗口。 一般使用实验设计的方法来选择工艺窗口参数，但是本文中面临困难在于， 单靠改变键合压力无法同时实现良好的可键合性与避免芯片开裂，二者对键合压 力的需要是矛盾的。同时，在大批量工业生产中，改变其他参数存在比较大的难 度，比如键合时间，增加键合预热步骤都会导致生产周期变长；调节平台与压头 温度受制与机器可承受的范围，而且升温也会导致能源成本的提高。所以需要探 究产生芯片开裂的原因，找到解决此问题的途径。 2 2 2 不同键合压力下的a n s y s 模拟 利用a n s y s 有限元分析软件可以有效分析a u - a u 互连结构的应力分布，评 估在键合瞬间结构内部的应力分布情况【踟3 1 。模拟时只考虑机械应力，并没有将 热固化工艺后所产生的热应力考虑在内。进行的是2 - d 有限元分析。所采用的芯 片的几何参数和实际实验情况一致。挠性基板印制线宽度为2 5 扯i 1 3 _ 。模拟时考虑 键合对准相近情况。模拟中使用的材料参数如表3 所示1 3 4 。j 。 表3 有限元模拟中采用的材料参数 材料 杨氏模量( n m m 2 ) 泊松比 硅1 3 1 0 0 0 0 3 0 铝6 5 5 2 6 0 3 5 金7 8 0 0 0 o 3 0 铜1 2 1 0 0 0 o 3 5 挠性基板 4 2 0 0o 3 0 有限元单元类型采用p l a n e1 8 2 平面应变类型，具体的网络划分情况如图 1 1 所示，采用映射网络划分方法。 1 8 墨呈盔堂! 生堂垡! ! 查 ，汹 z t e 叠d l嘶 曲：鲰 图1 1c o f 互联结构的有限元分析网格 采用的负载条件与实验相同，为7 k g f , 9 k g f , i ik g , 1 4k g f 。 a n s y s 模拟在键台对准相近情况下得到的应力集中位置如图1 2 所示，与实 验观察结果非常一致，发现键合力过大造成的过大的应力集中，最终形成了此区 域的细微裂缝。实验观察是卸载后的结果，模拟是加压负载下的结果。尽管实验 结果和模拟所处的状态是不同的，但两者仍可比较。观察放大了的应力图，发现 应力集中的具体位置为a l 压焊块内，这个位置的细微裂缝会引起电功能的失效。 1 9 复旦大学硕士学位论文 图1 2 压焊块中的等效应力分布 我们运用有限元模拟的方法，通过a n s y s 软件对整个互连结构体系内应力 分布的计算，发现导致芯片开裂的主要原因是由于过大的键合压力使得在a l 压 焊块内存在严重的应力集中。影响可键合性的主导因素是作用在金凸点与铜印制 线界面上单位面积上的键合压力，而导致芯片开裂的主导因素是施加在芯片上过 复旦大学硕士学位论文 大的键合压力。因此我们可以通过改变印制线宽度，减小键合面积，使得金凸点 与铜印制线界面上单位面积上键合压力不减小的前提下，施压在集成电路上的键