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ACA互连的多因素作用分析与性能优化

王正家  
【摘要】:利用各向异性导电胶(Anisotropic Conductive Adhesive, ACA)互连工艺实现芯片与基板的机械和电气连接,具有无铅、细节距以及低成本等诸多优点,适应了电子产品高集成度与环保要求。ACA互连在封装过程以及使用中受到多种因素的影响,引起互连模块的性能下降,甚至导致电气或机械失效。如何提高封装元件的电气及机械性能一直是ACA互连领域最为关注的热点问题之一。本文根据ACA互连中热、固化、力等物理因素及其耦合作用机理,研究不同因素对ACA互连电气与机械性能的影响,探讨它们对ACA互连性能的影响规律并进行参数优化。论文的创新点及主要内容包括: 研究了ACA互连的电气、机械连接的机理,分析ACA互连性能的影响因素及其作用规律。通过ACA互连过程中胶体固化和机械、电气连接的建立过程,研究了粒子变形程度以及互连界面的残余应力对ACA互连的电气、机械性能的影响。分析了影响ACA互连性能的相关因素的作用,并通过实验研究了工艺参数对ACA互连性能的影响。研究表明:在保证足够的固化时间使导电胶充分固化的前提下,适当的邦定压力,可使导电颗粒与凸点、基板充分接触,同时不会产生较大的残余应力;适当的邦定温度,可使聚合物充分固化的同时性能不会退化。用较低的固化温度下保持足够长的热压时间可保证低的残余应力。在改善ACA互连的电性能与机械性能时,不同因素的作用存在冲突,需要根据实际应用合理选择相关参数; 建立了ACA互连在多因素耦合作用下的数值模型,研究了不同因素对互连性能的影响程度及作用规律,指出不同应用环境下各因素的参数选择原则。根据ACA固化反应热分析的实验数据,求出了ACA固化反应模型。提出了ACA互连中传热与固化反应的耦合作用的分析方法并进行了验证。研究了热、力、固化及其耦合作用的计算方法,建立了ACA互连的数值模型。提出了热-固化-力耦合问题瞬态分析的子模型方法,实现了互连分析中导电粒子的建模。利用实验设计方法及数值模型,分析了不同因素及其耦合作用对ACA互连的电气、机械性能的影响。通过量化比较分析,发现了主要的影响因素及其作用规律。研究表明:压力的增大有利于提高互连电气性能;高的固化温度、大弹性模量的导电胶及刚性基板有利于维持导电颗粒与芯片、基板的充分接触,有利于互连的电气性能,而凸点高度的影响很小;大的固化压力与温度、刚性基板、弹性模量大的导电胶都会导致互连界面高的残余应力,不利于互连的机械性能;凸点高度对机械性能的影响也很小。最后提出了综合考虑机械、电气性能的ACA互连性能指标,得出不同的应用环境下工艺参数及材料的选择原则。 改进了差分进化算法,并对ACA互连的工艺进行了优化。以固化温度、固化压力、导电胶及基板的类型作为优化变量,将互连的电气性能及机械性能作为子目标进行了多目标优化计算。在优化过程中,采用代理模型技术解决了迭代过程中数值模型分析代价过大的问题。采用实验设计方法选取样本点来计算代理模型,实现在尽可能少的计算量下提取模型的充分信息。根据计算机实验与ACA互连的特点,对标准差分进化算法(Differential Evolution,DE)进行了改进,提出了基于代理模型的DE优化方法流程。利用代理模型以及改进的DE优化算法对ACA互连工艺进行了优化计算,得到了不同条件下的最佳参数。最后得出结论:较小的固化压力和温度,低弹性模量的导电胶以及柔性基板有利于ACA互连的机械可靠性;适度提高压力可获得良好的机械与电气综合性能。计算结果用于指导生产,与实际情况相一致。 开发了ACA互连仿真分析工具,可以分析相关参数对ACA互连中粒子的变形程度和互连界面的残余应力的影响,并根据参数进行相应的优化计算。将工具应用于RFID标签封装设备的试生产,有效地解决了标签生产效率与合格率的问题。


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