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倒装键合中各向异性导电胶微互连电阻形成机理研究

陈显才  
【摘要】:随着微电子产业对高密度封装和环保的要求与日剧增,传统的铅锡焊工艺越来越不能满足需要。各向异性导电胶(Anisotropic Conductive Adhesive, ACA)因为具有超细间距能力、不含铅、适应性强、封装温度低、工艺过程简单灵活等优点,已被广泛地应用于平板显示,无线射频识别标签等消费电子领域。ACA互连属于倒装键合工艺,它是把芯片电路倒转180。面朝下直接贴到基板电路上,使芯片凸点和基板焊盘通过与导电粒子的接触形成互连。这种互连方式导致ACA的接点电阻较大且难以实现一致性控制,并且易受外界环境干扰导致可靠性问题,已成为ACA进一步推广应用的瓶颈,引起了国内外产业界和学术界的高度重视。各国学者对ACA的接点电阻开展了广泛研究,进行了大量实验分析,提出了多种预测模型。但因为现有模型都存在大量假设和简化,与真实情况有较大差异,很多关键因素并没有得到有效考虑,计算的接点电阻比实验结果要小很多,对ACA互连工艺的改进无法给出有效的定量指导。因此,深入理解ACA接点电阻的形成机理,建立一套更准确的接点电阻计算模型,具有较大的理论价值和现实意义。 本文以刚性粒子(导电粒子为实心镍粒子)和弹性粒子(表面镀金/镍的聚合物粒子)两种体系的ACA作为研究对象,综合考虑了ACA互连过程中的各种因素的影响,从微观尺度和物理层面上揭示了接点电阻的形成机理,建立了接点电阻的计算模型,并通过实验对模型进行了验证,查明了接点电阻与工艺参数、材料属性和几何尺寸之间的内在联系,并探讨了关键参数的合理范围,为获得较小而且稳定的接点电阻提供了思路。论文的主要创新工作包括: 1.发现了电流在导电粒子内会沿着球形表面发生弯曲的现象。以单导电粒子接触为对象,建立了考虑电流弯曲效应的导电粒子体电阻模型,揭示了电流弯曲效应对导电粒子的体电阻具有重要影响,甚至起决定作用。基于新模型讨论了导电粒子的变形度和几何尺寸与体电阻的关系,提出了导电粒子几何尺寸的建议范围。 2.研究了导电粒子与凸点/焊盘接触表面的微观形貌和力学行为,建立了基于粗糙表面的收缩电阻模型,揭示了导电斑点的随机分布,导电斑点的相互作用以及纳米尺度下的电子散射对收缩电阻的影响机理,讨论了表面粗糙度、接触压力和名义接触面积与收缩电阻的关系。研究发现,忽略粗糙表面和尺度效应的影响将会严重低估收缩电阻。 3.基于实验方法测得了隧道电阻率与单位面积接触压力的关系,获得了隧道电阻率与接触压力的拟合方程,研究发现,隧道电阻在ACA接点电阻中占有较大比重,不能忽略。 4.通过实验测试了ACA的固化收缩率、固化度、弹性模量以及临界界面应力,建立了固化度与键合温度和键合时间的关系模型。建立了ACA互连过程的有限元模型,分析了界面裂纹扩展、弹性回复、固化收缩以及温度冷却综合作用下的接触压力和名义接触面积,得到了ACA接点电阻与工艺参数的定量关系。以刚性粒子为例,根据测得的材料属性,得到了一组最优的工艺参数:单个导电粒子的键合压力1128μN,键合温度156℃,键合时间8s(固化度88%)。 5.提出了基于内聚力模型的结构-静电场顺序耦合方法,分析了弹性粒子的破裂行为,揭示了破裂和聚合物芯球的弹性模量对接点电阻的影响机理。研究发现,当聚合物粒子芯球的弹性模量小于0.3GPa时,导电粒子与凸点/焊盘的接触表面将会从实心圆变成圆环,使得ACA的接点电阻明显增大。 6.研究了ACA互连中粒子直径差异、空间位置分布不均匀性等随机因素对接点电阻波动的影响机理,建立了导电粒子直径呈正态分布、空间位置呈均匀随机分布时的多导电粒子接点电阻模型,并通过实验验证了模型的正确性。研究了键合压力、粒子数量以及粒子直径标准差与多导电粒子接点电阻的关系。结果表明,ACA互连接点电阻与键合压力满足幂函数关系,但由于粒子大小和分布的随机性,即使键合压力相同,接点电阻也会在一定范围内波动,且键合压力越小,波动范围越大。随着粒子直径标准差的增大,接点电阻的平均值和波动范围都会变大,为了获得较小而且稳定的电阻,粒子直径的标准差应控制在0.87μm以内。随着粒子数量的减小,接点电阻也会变大。但是当粒子数量大于18后,接点电阻变化不明显,为了避免横向短路,应控制ACA的浓度,保证单个凸点捕捉到的粒子数量不超过18。


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