倒裝鍵合中各向異性導(dǎo)電膠微互連電阻形成機(jī)理研究.pdf

1、隨著微電子產(chǎn)業(yè)對(duì)高密度封裝和環(huán)保的要求與日劇增,傳統(tǒng)的鉛錫焊工藝越來越不能滿足需要。各向異性導(dǎo)電膠(Anisotropic Conductive Adhesive, ACA)因?yàn)榫哂谐?xì)間距能力、不含鉛、適應(yīng)性強(qiáng)、封裝溫度低、工藝過程簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用于平板顯示,無線射頻識(shí)別標(biāo)簽等消費(fèi)電子領(lǐng)域。ACA互連屬于倒裝鍵合工藝,它是把芯片電路倒轉(zhuǎn)180°面朝下直接貼到基板電路上,使芯片凸點(diǎn)和基板焊盤通過與導(dǎo)電粒子的接觸形成互連。這

2、種互連方式導(dǎo)致ACA的接點(diǎn)電阻較大且難以實(shí)現(xiàn)一致性控制,并且易受外界環(huán)境干擾導(dǎo)致可靠性問題,已成為ACA進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸,引起了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。各國學(xué)者對(duì)ACA的接點(diǎn)電阻開展了廣泛研究,進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)分析,提出了多種預(yù)測(cè)模型。但因?yàn)楝F(xiàn)有模型都存在大量假設(shè)和簡(jiǎn)化,與真實(shí)情況有較大差異,很多關(guān)鍵因素并沒有得到有效考慮,計(jì)算的接點(diǎn)電阻比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要小很多,對(duì)ACA互連工藝的改進(jìn)無法給出有效的定量指導(dǎo)。因此,深入理解ACA接點(diǎn)

3、電阻的形成機(jī)理,建立一套更準(zhǔn)確的接點(diǎn)電阻計(jì)算模型,具有較大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以剛性粒子(導(dǎo)電粒子為實(shí)心鎳粒子)和彈性粒子(表面鍍金/鎳的聚合物粒子)兩種體系的ACA作為研究對(duì)象,綜合考慮了ACA互連過程中的各種因素的影響,從微觀尺度和物理層面上揭示了接點(diǎn)電阻的形成機(jī)理,建立了接點(diǎn)電阻的計(jì)算模型,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,查明了接點(diǎn)電阻與工藝參數(shù)、材料屬性和幾何尺寸之間的內(nèi)在聯(lián)系,并探討了關(guān)鍵參數(shù)的合理范圍,為獲得較

4、小而且穩(wěn)定的接點(diǎn)電阻提供了思路。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括:
　　1.發(fā)現(xiàn)了電流在導(dǎo)電粒子內(nèi)會(huì)沿著球形表面發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。以單導(dǎo)電粒子接觸為對(duì)象,建立了考慮電流彎曲效應(yīng)的導(dǎo)電粒子體電阻模型,揭示了電流彎曲效應(yīng)對(duì)導(dǎo)電粒子的體電阻具有重要影響,甚至起決定作用?；谛履Ｐ陀懻摿藢?dǎo)電粒子的變形度和幾何尺寸與體電阻的關(guān)系,提出了導(dǎo)電粒子幾何尺寸的建議范圍。
　　2.研究了導(dǎo)電粒子與凸點(diǎn)/焊盤接觸表面的微觀形貌和力學(xué)行為,建立了基于粗糙表面

5、的收縮電阻模型,揭示了導(dǎo)電斑點(diǎn)的隨機(jī)分布,導(dǎo)電斑點(diǎn)的相互作用以及納米尺度下的電子散射對(duì)收縮電阻的影響機(jī)理,討論了表面粗糙度、接觸壓力和名義接觸面積與收縮電阻的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),忽略粗糙表面和尺度效應(yīng)的影響將會(huì)嚴(yán)重低估收縮電阻。
　　3.基于實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得了隧道電阻率與單位面積接觸壓力的關(guān)系,獲得了隧道電阻率與接觸壓力的擬合方程,研究發(fā)現(xiàn),隧道電阻在ACA接點(diǎn)電阻中占有較大比重,不能忽略。
　　4.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了ACA的固化收縮率

6、、固化度、彈性模量以及臨界界面應(yīng)力,建立了固化度與鍵合溫度和鍵合時(shí)間的關(guān)系模型。建立了ACA互連過程的有限元模型,分析了界面裂紋擴(kuò)展、彈性回復(fù)、固化收縮以及溫度冷卻綜合作用下的接觸壓力和名義接觸面積,得到了ACA接點(diǎn)電阻與工藝參數(shù)的定量關(guān)系。以剛性粒子為例,根據(jù)測(cè)得的材料屬性,得到了一組最優(yōu)的工藝參數(shù):單個(gè)導(dǎo)電粒子的鍵合壓力1128μN(yùn),鍵合溫度156℃,鍵合時(shí)間8s(固化度88％)。
　　5.提出了基于內(nèi)聚力模型的結(jié)構(gòu)-靜電場(chǎng)順

7、序耦合方法,分析了彈性粒子的破裂行為,揭示了破裂和聚合物芯球的彈性模量對(duì)接點(diǎn)電阻的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)聚合物粒子芯球的彈性模量小于0.3GPa時(shí),導(dǎo)電粒子與凸點(diǎn)/焊盤的接觸表面將會(huì)從實(shí)心圓變成圓環(huán),使得ACA的接點(diǎn)電阻明顯增大。
　　6.研究了ACA互連中粒子直徑差異、空間位置分布不均勻性等隨機(jī)因素對(duì)接點(diǎn)電阻波動(dòng)的影響機(jī)理,建立了導(dǎo)電粒子直徑呈正態(tài)分布、空間位置呈均勻隨機(jī)分布時(shí)的多導(dǎo)電粒子接點(diǎn)電阻模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確

8、性。研究了鍵合壓力、粒子數(shù)量以及粒子直徑標(biāo)準(zhǔn)差與多導(dǎo)電粒子接點(diǎn)電阻的關(guān)系。結(jié)果表明,ACA互連接點(diǎn)電阻與鍵合壓力滿足冪函數(shù)關(guān)系,但由于粒子大小和分布的隨機(jī)性,即使鍵合壓力相同,接點(diǎn)電阻也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),且鍵合壓力越小,波動(dòng)范圍越大。隨著粒子直徑標(biāo)準(zhǔn)差的增大,接點(diǎn)電阻的平均值和波動(dòng)范圍都會(huì)變大,為了獲得較小而且穩(wěn)定的電阻,粒子直徑的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)控制在0.87μm以內(nèi)。隨著粒子數(shù)量的減小,接點(diǎn)電阻也會(huì)變大。但是當(dāng)粒子數(shù)量大于18后,接點(diǎn)電阻