集成电路封装材料-芯片黏接材料

芯片黏接材料复习第2章光敏材料光敏材料及其分类PI与PSPI工艺对比PSPI分类BCB材料特性及图形化工艺流程2.1光敏绝缘介质材料光刻胶、光刻技术、光刻胶构成、形态光刻胶主要技术参数光刻胶类别新技术2.2光刻胶芯片黏接(DieattachDA)材料：芯片与芯片载体(Chipcarrier)间黏接工艺的封装材料。芯片载体，又称为基板，可分为有机基板、金属基板、陶瓷基板、硅基板，玻璃基板。芯材黏接工艺要求：机械强度高，稳定化学性能，导电，导热，热匹配，低固化温度，可操作性。材料要求：高纯度、快速固化、低应力、良好导电性或绝缘及导热性。目录3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.3新技术与材料发展芯片黏接材料是传统封装中关键材料，其基本功能是将集成电路芯片机械地、高可靠性地连接安装在芯片载体上。集成电路封装中，应用主要体现在以下：1)芯片堆叠及多芯片黏接2)倒装芯片黏接3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用1)芯片堆叠及多芯片黏接芯片固定、安装3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用图3-1芯片堆叠中的芯片黏接材料1)芯片堆叠及多芯片黏接芯片黏接材料功能：机械、热、电学等材料性能综合表征。黏接应用：足够的黏接强度，确保芯片固定；热性能：CTE接近，且具有优良的导热系数。优势：可以没有用于导电金属层、不需要精确定位，只需要将材料放置在芯片和芯片载体之间后，进行必要的黏结工艺处理即可，工艺简单。3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用1)芯片堆叠及多芯片黏接芯片黏接主要应用于先进封装中芯片堆叠。黏接层厚度在50mm以下乃至20mm左右，薄膜型芯片黏接材料应运而生DAF3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用图3-2芯片堆叠技术发展历程胶状2)倒装芯片黏接IBM公司，1960年开发FC技术，缩短芯片和载体互连距离，同时增强各电子元器件黏接稳定性，提高生产效率，降低成本。机械互连+电互连，通过Bump实现精准互连和电互连。Bump材料：单质金属、合金或聚合物。向低成本、无铅化、无助焊剂的方向发展。3.1芯片黏接材料在先进封装中的应用3.2芯片黏接材料类别和材料特性芯片黏接方法：黏接法、焊接法传统芯片黏接材料按黏接方法不同、材料不同，可分为有机贴片胶（导电胶、缘缘胶）、装片胶膜（导电胶膜、缘缘胶膜）、焊料和低温封装玻璃。3.2芯片黏接材料类别和材料特性图3-3芯片黏接方法及芯片黏接材料图3-3芯片黏接方法及芯片黏接材料3.2芯片黏接材料类别和材料特性黏接法：指用高分子树脂（如环氧树脂）把芯片黏接到焊盘上，使两者实现连接。按物理状态不同，环氧树脂分为贴片胶和装片胶膜。贴片胶（DA），广泛应用于塑封封装，工艺温度低、成本低、热应力低、易返修优点，但材料热稳定性差，需高温固化工艺时间长。分压力导电胶和缘缘胶。导电胶，是一种具有一定导电性能的黏接剂，分为ICA、ACA。导电胶主要成分为导电填料（Au,Ag等导电粒子）和环氧树脂。导电胶有导电性、黏接性，同时还具有热的良导体。Ag具有优异的物理化学性能，可接受的价格及氧化物导电，被广泛应用。3.2芯片黏接材料类别和材料特性绝缘胶（NCA）：广泛应用于IC封装中的绝缘黏接、灌封，如芯片背面不需要导电的黏接情况。装片胶膜（DAF）：是一种超薄型薄膜黏接材料，主要成分是树脂，与导电胶不同，以胶膜形式应用于芯片粘贴，可吸收热胀冷缩引起的应力而有效防止不同物质交界面分层现象。DAF可以把IC芯片与封装基板、芯片与芯片连接在一起。可通过热焊接的方式封装倒装芯片，让无法使用Underfill进行封装的问题得到解决。分为导电胶膜和缘缘胶膜。3.2芯片黏接材料类别和材料特性焊接法：通过加热焊料Solder，利用液态焊料润湿母材，填充接头空隙并与母材相互扩散，从而实现芯片黏接。FC结构中，裸芯片和衬底可以直接通过焊点进行机械连接同时实现电互连，省去贴片、打线过程，减小封装体积并降低成本。低温玻璃（Low-MeltingSealingGlass），指软化温度低于600oC的玻璃。低温玻璃作变芯片黏接和封接材料，可实现半导体、金属、陶瓷、玻璃间的相互封接，应用范围很大。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶3.2.2导电胶膜3.2.3焊料3.2.4低温封接玻璃3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶导电胶通过高分子树脂基体中添加金属导电填料形成的。导电填料主要提供电学、热学特性，树脂基体提供机械特性和密封性。通过调整金属导电填料和树脂的配比，导电胶可以体现出截然不同的电学和机械性能，与金属焊料有明显区别。区别于本征导电高分子，导电胶在一定储存条件下具有流动性，经过印刷/点胶工艺后，需要进行加热或其它工艺，使导电胶固化方可起到一定强度的连接作用。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶图3-4导电胶3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶导电胶以高分子树脂及导电填料为主体，添加固化剂、增塑剂、稀释剂及其它助剂组成。组成基本材料导电填料高分子树脂固化剂增塑剂稀释剂常用材料环氧树脂、聚氨酯、酚醛类树脂等胺类、咪唑化合物、酸酐、TDI三聚体等邻苯二甲酸脂类、磷酸三苯脂等丙酮、乙二醇乙醚、丁醇等银、金、铜、碳粉及复合粉体基本功能导电胶黏接强度的主要来源与高分子树脂反应，生成网状立体结构的不溶不熔聚合物提高材料抗冲击能力降低黏度便于使用，提高使用寿命提供导电性能表3-1导电胶的常用材料及功能3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶导电机理：渗流理论（导电通路学说）、隧道效应、有效介质理论、场致发射理论，其中渗流理论是研究最成熟、最多的导电机理。渗流理论认为，导电胶通过导电粒子在树脂基体中形成导电通路进行导电；导电胶的电导率并不随着导电粒子浓度增加发生线性变化，而存在一个渗流阈值，阈值大小取决于导电粒子和树脂基体类型，以及导电粒子在树脂基体中的分散状态。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶按结构分：本征型导电胶（结构型导电胶）和复合型导电胶（填充型导电胶）。本征型导电胶指分子结构本身具有导电功能的导电胶，电阻率高，导电稳定性及重复性差，成本也高，实用价值有限。复合型导电胶以高分了聚合物为基体，在其中加入各种导电物质，经过物理或化学方法复合后得到。聚合物基体一般环氧树脂、硅酮或聚酰亚胺，加入的导电物包括银、镍、铜、金等金属及炭黑、石墨等非金属。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶按导电方向分：ICA和ACA。ICA

在各方向有相同的导电性能，多以Ag、Au、Ni、Cu和石墨为导电粒子，典型填料尺寸为1~10

mm。ACA

可在单一方向进行导电，即线性导电，多以Au、Ni、Cu和金属镀覆粒子为导电粒子，典型填料尺寸为3~5

mm。两者区别来源于渗流理论的导电机理，导电填料体积占比不同及分散状态不同造成的差异。ICA中导电填料含量高于ACA中。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶各向同性导电胶（ICAs）

各向异性导电胶（ACAs）图3-5导电胶连接示意图3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶按基体材料分：热固型导电胶和热塑型导电胶。固化条件分：热固化型导电胶（室温、中温、高温）、光固化型导电胶（紫外光固化）、电子束固化型导电胶。根据导电粒子分类：金属导电胶（Ag系，Cu系，Ni系）及非金属导电胶(碳系)等。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.1

导电胶导电胶比焊料具有更高的工艺精度。作为新一代绿色环保型电子封装材料，导电胶作为焊料的补充替代品有着广阔的前景。相比于焊料：较低温度下甚至室温固化，避免焊接高温对元器件的损害；传递应力比较均匀，可避免在黏接部位出现力集中而造成的机械破坏。导电填料的含量与电阻率关联。某个填料含量以下，电阻过大；增加填料含量，树脂含量相对减少，导电胶抗冲击强度和黏接强度下降。需要在导电、导热、力学及连接可行性方面提升。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.2

导电胶膜低温、低弹性模量装片胶膜材料的研发。导电胶膜是热固型导电胶的一种，由电电粒子、树脂基体和添加剂组成，是一种具有导电性、黏接性的高分子聚合物薄膜。图3-6导电胶膜实物图（Henkel）3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.2

导电胶膜按导电方向分为：ICF和ACF。主要性能指标：电学性能，尤其是电阻率。导电胶膜厚度及其均匀性也是重要指标。IC领域，导电胶膜正逐渐代替传统焊料和传统胶黏剂。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.2

导电胶膜导电胶膜优点：消除侧边爬胶，减小芯片与芯片焊盘距离，提高芯片设计密度，配套封装材料（金丝、基板和塑封料）的用量显著减少，降低生产成本；不需要高温互连，应力小，具有较高的柔性和抗疲劳性，可以多种基板连接；工艺简单，生产效率高；不含铅等有毒金属成分，减少环境污染。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.2

导电胶膜导电胶膜研究集中在对基本性能（黏接、电学、热学）和特殊性能（低吸湿、热应力）的提高，研究内容包括导电粒子，基体树脂组成，结构及固化工艺等的优化。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.2

导电胶膜提高电导率和热导率：固化胶体时使导电粒子之间紧密接触，在导电胶膜中形成更多的导电和导热通路；增加导电胶膜中金属粒子的填充量及采用纳米级填充粒子达到低温烧结。黏接度提高：在树脂体系中加入偶联剂以增加导电胶膜与元器件、基板等的结合力，或是提高导电膜与元器件接触表面的粗糙度以增大表面接触面积。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料IC封装中常用互连焊料，起到机械连接、电互连、热交换作用，具有灵活、简单、设备投资少的优点。焊料熔点是一个重要参数，要求比被焊母材低。焊料工作温度在焊料熔点与基板熔点之间，焊料熔化后浸润基板，并与基板发生化学反应产生金属间化合物，从而实现两者互连。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料图3-7不同类型焊料实物图3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料焊料基本要求：（1）熔点低于基板熔点，具有合适的熔化温度范围。（2）具有较好的浸润性，覆盖母材表面的能力较好，铺展面积越大，焊接效果越好。（3）焊接部位具有良好的抗热疲劳性能、电学性能、机械性能和物理、化学性能。（4）化学成分稳定，可靠性高，有良好的抗氧化及抗腐蚀能力。（5）成本低廉，供给能力足。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料Sn-Pb焊料早期广泛应用于电子封装行业中。Pb降低了焊料的表面张力，抑制Sn的相变从而提高焊点的可靠性。图3-8

Sn-Pb二元合金相图共晶点183oCSn-37Pb，高可靠性，军用、测井、航空航天等领域电子产品用Sn-Pb合金焊料。

3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料2006年欧盟ROHS，WEEE(废弃电气电子产品指令)的发布，欧、美、日相继规定在电了组装行业中禁止使用含Pb物质。无Pb焊料以Sn为基础，多为二元、三元及以上多元合金，加工过程较Sn-Pb复杂，熔点普遍较高。二元合金添加剂金属为Ag,Cu,Bi,Zn,In等元素。Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Au,Sn-Zn,Sn-Bi,Sn-In.Sn-Ag-Cu(SAC)，Sn-Ag-Bi三元合金。SAC可焊性好，抗热疲劳性能好，最有可能替代Sn-Pb合金焊料，已大量应用到工业中。WasteElectricalandElectronicEquipment

3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料焊料共晶点/℃特点Sn系二元焊料Sn-3.5Ag221很好的强度和抗蠕变性Sn-0.7Cu227很好的强度Sn-57Bi139很好的流动性Sn-51In120很好的焊接性能Sn-9Zn198很好的强度Sn-5Sb245机械性能好Sn-80Au278好的耐腐蚀性和抗蠕变性Sn-Ag系三元焊料Sn-3Ag-0.5Cu（日本JEIDA）217较好的力学性能和焊接性能Sn-3.9Ag-0.6Cu（美国NEMI）Sn-3.8Ag-0.7Cu（欧洲IDEALS）表3-2一些可能取代Sn-Pb焊料的无铅焊料3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.3

焊料合金粉末可用化学还原法、电（解）沉积法、机械加工法、合金雾化法等技术方法制造。大多采用合金雾化法生产得到。焊粉粒度要达到20mm以下甚至更低。国外主要供应商有日本千住金属工业株式会社（有铅及无铅金属焊片、焊膏、焊球及助焊剂）、美国爱法公司（各种有铅及无铅焊条、焊线、焊膏及助焊剂）和铟泰公司（各种焊接材料，包手高铅合金、锡锑合金、锌基合金、金基合金、铋基合金、银铟、银锡和铜锡及纳米银和纳米铜等助焊剂）。国内供应商：北京康普锡威科技有限公司、廊坊邦壮电子材料有限公司。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃指能将同类及不同类材料（如陶瓷、金属、复合材料和特种玻璃等）连接并密封的中间层玻璃，其软化温度显著低于普通玻璃，一般低于600oC。功能应用：涂层、封装材料和填充材料。封装材料应用最为广泛，如真空玻璃封边焊接剂、在MEMS中最新应用等。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃图3-9低温封接玻璃粉3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃作为无机非金属材料，其气密性和抗高温性能优于导电胶/膜这类有机高分子材料，电绝缘性能优于焊料这类金属材料，因此在特定封装领域有很好的应用价值。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃组成Tg/℃Tf/℃备注PbO-B2O3340～500300～430常用于玻璃与玻璃、玻璃与金属之间的封装PbO-ZnO-B2O3400～500350～450PbO-Al2O3-B2O3400～500350～500PbO-Bi2O3-B2O3400～500300～400PbO-B2O3-SiO2400～500400～450PbO-B2O3-V2O5550～650—表3-3铅系封接玻璃的组成与温度特性3.2芯片黏接材料类别和材料特性低温封接玻璃一般要满足以下几项要求：（1）软化温度低，必须低于被封接材料所能承受的温度。（2）与被封接材料的CTE匹配，这样产生的热应力小，可避免应力集中引起的元器件出现可靠性问题。（3）与被封接材料的浸润性要好，良好的浸润性能保证封接的黏接强度、满足元器件气密性要求。（4）具备必要的化学稳定性，在大气环境中有较好的耐酸碱、耐湿性能。（5）具备必要的电学性能，如较高的表面电阻、体积电阻，较高的耐击穿电压。（6）工艺适应性。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃低温封接玻璃无铅化是今后发展方向，新型封接玻璃主要集中在磷酸盐、钒酸盐、铋酸盐、硼酸盐和铊酸盐玻璃等几种玻璃系统。磷酸盐玻璃，以P2O5为主要原材料，具有较低的Tg（250~480oC）、较低的软化温度(Tf270~510oC)及较高且范围较大的CTE（6~25×10-6/oC）。P2O5极易吸水潮解，导致磷酸盐玻璃化学稳定性差，提高其化学稳定性是该玻璃体系成功使用的前提。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃钒酸盐玻璃，以V2O5为主要原材料，具有较低的Tg（260~420oC）、较低的软化温度(Tf270~440oC),V2O5–B2O3-ZnO是常见体系，介电性良好。V2O5在蒸汽状态下有毒，且价格相对较高。3.2芯片黏接材料类别和材料特性3.2.4

低温封接玻璃组成Tg/℃Tf/℃SnO-ZnO-P2O5<350<400ZnO-B2O3-P2O5280～500<400SnO-B2O3-P2O5280～380<500SnO-SiO2-P2O5250～350<500表3-4

无铅磷酸盐玻璃的温度特性组成Tg/℃Tf/℃V2O5-P2O5-Sb2O3<330<400V2O5-P2O5-CaO170～300<500V2O5-B2O3-ZnO280～330<500V2O5-TeO2-SnO250～400<500表3-5

无铅钒酸盐玻璃的温度特性3.3新技术与材料发展3.3.1

芯片黏接材料发展方向3.3.2新型导电填料对芯片黏接材料的改性研究3.3新技术与材料发展1）高导热性和高可靠性导电胶/膜温度不低于260oC，湿度敏感度等级1级（MSL1）的工作环境要求。以Ag为导电、导热介质，同时要求高导热性与高可靠性，把银含量做到86%以上已经非常困难，很多功率器件导热性已无法满足要求。用银以外材料，银包铜、银铝合金、多金属合金等来兼顾高导热性、低电阻、主可靠性要求。3.3.1

芯片黏接材料发展方向3.3新技术与材料发展2）大芯片用低应力、高可靠性导电胶/膜QFP等大芯片封装有一定导热性要求，且需要满足高可靠性要求。3）晶圆背面涂覆胶(WaferBacksideCoating,WBC)贴片胶膜（DAF）等芯片尺寸变大，厚度降低，需要低应力芯片胶/膜降低废品率。WBC和DAF是较了选择。3.3.1

芯片黏接材料发展方向3.3新技术与材料发展1）纳米颗粒填充芯片黏接材料纳米化后，熔点降低。纳米Ag，烧结温度可低于200oC，远低于块体Ag的961oC。有利于低温互连实现。3.3.2

新型导电填料对芯片黏接材料的改性研究图3-10理论计算的Sn的熔点和颗粒尺寸的LSM模型关系曲线3.3新技术与材料发展1）纳米颗粒填充芯片黏接材料（a）Ag系导电黏接材料保持了金属稳定性好，不易氧化，烧结温度大幅度降低。导电理论为渗流理论、隧道效应和场致发射理论。3.3.2

新型导电填料对芯片黏接材料的改性研究图3-11A g外形与导电胶电阻率关系图3.3新技术与材料发展1）纳米颗粒填充芯片黏接材料（b）Cu系导电黏接材料电阻率与银接近，价格低廉，但空气中会迅速被氧化。避免或降低氧化，纳米填料研究。纳米