一種新型芯片

1、一種新型芯片粘接用導(dǎo)電銀膠的性能研究*鄒嘉佳，高宏，周金文（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230031）摘要：制備了一種由環(huán)氧樹脂基體、咪唑類固化劑、微米級(jí)銀粉和活性稀釋劑體系構(gòu)成的導(dǎo)電銀·cm，擱置壽命大于48h，粘度適中，耐熱散熱性能膠。該導(dǎo)電銀膠的常溫體積電阻率為3.7×10-4良好。將該導(dǎo)電銀膠應(yīng)用在3種引線框架并考察其可靠性，結(jié)果表明導(dǎo)電銀膠與無鍍層框架的粘接性最好，但在高溫時(shí)各框架的粘接性相差不大。同時(shí)考察了該導(dǎo)電銀膠應(yīng)用于LGA封裝的芯片粘接效果，封裝后界面無氣泡和分層現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：導(dǎo)電銀膠；體積電阻率；粘接性；可靠性中圖分類號(hào)：TM249.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼：A文章編號(hào)：1681-1070（2016）04-0001-03DOI:10.16257/ki.1681-1070.2016.0039PerformanceStudyofaNovelSilver-filledConductiveAdhesiveUsedforDieBondingZOUJiajia,GAOHong,ZHOUJinwen（ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNo.38ResearchInstitute,Hefei230031,China）Abstract：Highperformanceconductivesilveradhesive

3、werepreparedusingepoxyresin,micron-scalesilverflakepowder,imidazolecuringagent,activethinner,etel.Thevolumeresistivityofconductivesilveradhesivewas3.7×10-4·cm.Ithadexcellentpropertiessuchaslongspotlife,moderateviscosity,highthermalconductanceandheatresistance.Thereliabilitiesofthatconducti

4、vesilveradhesiveusedinthreetypesofleadframewerestudied.TheresultsshowedthattheadhesivepropertiesbetweenconductivesilveradhesiveandbareCuleadframewasbestatroomtemperature,buttheadhesivepropertiesbetweenconductivesilveradhesiveandthreeleadframeswerethesameat250.Finally,therewereneitherlargebubblesnord

5、elaminationintheLGAmoduleusedthatconductivesilveradhesive.Keywords:conductivesilveradhesive;volumeresistivity;adhesiveproperties;reliability已在航空航天領(lǐng)域占據(jù)穩(wěn)定市場份額，其在集成電路1前言導(dǎo)電膠以其突出的環(huán)境友好性，良好的線分辨率封裝及組裝和照明領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，在新興的能源導(dǎo)電領(lǐng)域也逐漸占據(jù)一席之地45。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，銀膠在液晶顯示屏(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、集成電路(IC)封裝(DIP、QFN、QFP、SOP、SSOP、BGA)、印刷線路

6、板組件(PCBA)、點(diǎn)陣塊、陶瓷電容、薄膜開關(guān)、智能卡、射頻識(shí)別等電子元器件及組件的封裝和粘接中大量應(yīng)用67。使其本文新開發(fā)一款環(huán)氧樹脂基體的導(dǎo)電銀膠，具有較高的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，有效地散除芯片工和簡單的加工操作性被廣泛應(yīng)用于微電子組裝領(lǐng)域13。導(dǎo)電膠的粘接工藝簡單，固化溫度低，可以作為錫-鉛焊料的替代品，并成功解決了以往焊接工藝引起的元器件變形、粘接不牢、性能下降等問題，因此導(dǎo)電膠的應(yīng)用范圍越來越廣。以銀粉、銀片構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電銀膠是目前導(dǎo)電膠中使用最廣泛、最成熟的一種，2016-2-22收稿日期：*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金(61204019)第16卷第4期電子與封裝作時(shí)釋放的

7、熱，能夠滿足大功率器件的封裝要求。材料體系采用環(huán)氧樹脂、微米級(jí)的片狀銀粉、咪唑類固化劑和活性稀釋劑，通過混合工藝制備了一款導(dǎo)電銀膠，并研究了該導(dǎo)電銀膠的固化后體積電阻率、粘度、粘接強(qiáng)度、耐熱等性能，重點(diǎn)考察了其在不同環(huán)境條件下的粘接性能。3.1導(dǎo)電銀膠常規(guī)性能分析將導(dǎo)電銀膠進(jìn)行中溫固化流程，條件為150、固化1h。固化后樣品的體積電阻率測試結(jié)果列于表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)電銀膠的體積電阻率為·cm，3.7×10-4與市售國外同樣銀粉含量的導(dǎo)電銀膠處于同一數(shù)量級(jí)。在存放48h后進(jìn)行固化，導(dǎo)電銀膠2.1原材料主要原材料有環(huán)氧樹脂、咪唑類固化劑、微米級(jí)銀粉、活性稀釋劑、偶聯(lián)

8、劑。2.2導(dǎo)電銀膠的制備將環(huán)氧樹脂、咪唑類固化劑按一定比例預(yù)混合，攪拌1030min得到基體樹脂，再將0.5100m的片狀銀粉（75wt%左右）、偶聯(lián)劑和活性稀釋劑按照一定比例與基體樹脂用三輥研磨機(jī)混合研磨3090min成為細(xì)膩的銀白色均勻混合物，即導(dǎo)電銀膠。固化條件為150恒溫60min，固化后得到熱性能和電性能待測樣品。2.3導(dǎo)電銀膠的制備（1）體積電阻率試樣制備方法：制備樣品根據(jù)ASTMD257-91標(biāo)準(zhǔn)方法，其具體過程如下：兩條平行的3MScotch810膠帶（間距大約4mm）貼在尺寸為25.4mm×76.2mm、清洗過的載玻片上，把制備好的少量導(dǎo)電膠放置到兩條膠帶之間的空隙

9、處，并用手術(shù)刀把其涂覆平整，然后移走膠帶。經(jīng)固化和冷卻到室溫后，用帶有四探針的Agilent34401A萬用表測試導(dǎo)電膠的體積電阻。（2）粘度按照GB/T2794-1995標(biāo)準(zhǔn)使用BrookfieldCP51粘度計(jì)測試不同轉(zhuǎn)速下的粘度。剪切粘度使用TAAR2000旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在常溫下測試。（3）Tg和熱膨脹系數(shù)按照ASTMD-696標(biāo)準(zhǔn)使用TMAQ400測試，熱導(dǎo)率按照ASTME-1461標(biāo)準(zhǔn)使用AnatechPhase11測試，熱失重按照MIL-STD-883GMETHOD5011.4使用TGAQ500測試。（4）拉伸剪切強(qiáng)度按照GBT7124-2008使用NSTRON微力材料試驗(yàn)機(jī)測試，芯片

10、推力按照MIL-STD-883G2019.7采用DAGE4000完成。（5）可靠性檢測環(huán)境為：濕熱老化測試：30/60%RH，200h；基板粘接力測試：30、150、250/60%RH；引線框架粘接性、剪切力及T-scan測試：溫度25，濕度50%RH60%RH。環(huán)境實(shí)驗(yàn)用濕熱老化箱為銀河恒溫恒濕箱。粘度特性電性能3結(jié)果與討論2實(shí)驗(yàn)的體積電阻率增大51.4%，這是因?yàn)閷?dǎo)電銀膠在48h內(nèi)發(fā)生部分交聯(lián)，導(dǎo)致在受熱反應(yīng)時(shí)，固化密度減小，體積收縮減小，銀粉搭接程度也降低。表1導(dǎo)電銀膠放置48h前后導(dǎo)電率變化導(dǎo)電率/·cm3.7×10-4存放48h后導(dǎo)電率/·cm5.6&#

11、215;10-4增長率/%51.4從表2的導(dǎo)電銀膠粘度變化中可以看出，導(dǎo)電銀膠的粘度適中，處于易加工的使用范圍內(nèi)(導(dǎo)電銀膠的粘度控制在10000cps左右最適合點(diǎn)膠工藝)。導(dǎo)電銀膠的擱置壽命(shelflife)是判斷其加工性的重要指標(biāo)之一。儲(chǔ)存48h后，粘度有所上升但增幅不大，低于擱置壽命上限規(guī)定的25%，換言之，此導(dǎo)電銀膠的理論使用壽命大于48h?？紤]到48h后的導(dǎo)電率，此導(dǎo)電銀膠應(yīng)在解凍后48h內(nèi)使用保證最好效果。表2導(dǎo)電銀膠放置48h前后粘度變化粘度/cps8948存放48h后粘度/cps10080增長率/%12.6觸變系數(shù)4.8觸變現(xiàn)象是高質(zhì)量分?jǐn)?shù)細(xì)顆粒流體中廣泛存在的一種流變特性，

12、即流體內(nèi)部顆粒絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化而發(fā)生的破壞和恢復(fù)過程。在導(dǎo)電銀膠的使用過程中，觸變性反映了加工時(shí)導(dǎo)電銀膠的流動(dòng)性和加工完成后膠體形狀保持特性，因此觸變性是導(dǎo)電銀膠加工性能的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。導(dǎo)電銀膠的觸變性暫無相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)一般采用轉(zhuǎn)速0.5rpm/5rpm的粘度比值作為其觸變系數(shù)，其中0.5rpm對(duì)應(yīng)于靜止?fàn)顟B(tài)下的粘度，5rpm對(duì)應(yīng)于點(diǎn)膠狀態(tài)下的粘度。市售導(dǎo)電銀膠的觸變系數(shù)一般為5左右，本導(dǎo)電銀膠的觸變系數(shù)為4.8，即可滿足市場大部分點(diǎn)膠設(shè)備要求。為深入了解導(dǎo)電銀膠48h前后的結(jié)構(gòu)變化，考察了導(dǎo)電銀膠的流變性能，如圖1所示。室溫放置48h前后，導(dǎo)電銀膠的特性粘度曲線趨勢一致，均表現(xiàn)為

13、角頻率增大時(shí)，粘度降低程度減緩，即剪切變稀行為。第16卷第4期鄒嘉佳，高宏，周金文：一種新型芯片粘接用導(dǎo)電銀膠的性能研究純環(huán)氧樹脂為牛頓流體，因此導(dǎo)電銀膠的剪切變稀行為由環(huán)氧樹脂中銀片網(wǎng)絡(luò)引起。48h前后導(dǎo)電銀膠特性粘度曲線趨勢幾乎一致說明，引起粘度變化的主要為環(huán)氧樹脂，而環(huán)氧樹脂中的銀片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾乎不變。放置前導(dǎo)電銀膠在0.5rpm時(shí)，*=51.45Pa·s，在5rpm時(shí)*=7.95Pa·s；放置48h后在0.5rpm時(shí)，*=62.97Pa·s，在5rpm時(shí)*=9.72Pa·s。計(jì)算得到放置48h后0.5rpm和5rpm粘度分別增長22.4%和23.0

14、%，觸變系數(shù)均為6.5，均比Brookfield粘度計(jì)測試數(shù)據(jù)偏大，這與測試儀器流動(dòng)機(jī)理不同有關(guān)。導(dǎo)電銀膠48h前后流變性能的趨勢也在另一方面印證48h前后體積電阻率的變化主要由環(huán)氧樹脂的交聯(lián)引起。固化后該導(dǎo)電銀膠的邵氏硬度D為72，其熱性能見表3，數(shù)據(jù)表明，該導(dǎo)電銀膠耐高溫性能一般，在77.5以上會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，熱膨脹系數(shù)增長5倍，不宜用于要求嚴(yán)格的高溫使用環(huán)境。但其散熱性能較好，熱導(dǎo)率較高，可使用于一般要求的大功率器件封裝，其最高使用溫度為340(質(zhì)量損失2%)。表3導(dǎo)電銀膠熱性能熱性能Tg/77.5熱膨脹系數(shù)6/×10-·-1Tg前60;Tg后300分解溫?zé)釋?dǎo)率熱失

15、重-1/W·(m·K)（300）/%度/2.41.67340試條件為150(30/60%RH)，在3級(jí)濕氣敏感性等級(jí)(MoistureSensitivityLevel3，MSL3)條件下比較了無鍍層、鍍銀銅、鍍鎳鈀金3種框架。圖中可見，濕熱老化過程中，導(dǎo)電銀膠與鍍銀銅框架的初始強(qiáng)度最高且最穩(wěn)定，隨時(shí)間變化很小。導(dǎo)電銀膠與純銅框架的初始強(qiáng)度略低，在96h后剪切力顯著下降。導(dǎo)電銀膠與鎳鈀金框架的初始強(qiáng)度與無鍍層框架相近，但在24h后剪切力顯著下降，在96h后又有所增加。總體而言，MSL3條件下該導(dǎo)電銀膠的可靠性較高。柵格陣列封裝LGA(LandGridArray)不需要植球，適

16、合輕薄短小的產(chǎn)品應(yīng)用，被廣泛用于集成電路芯片。將研制出的導(dǎo)電銀膠用于LGA形式進(jìn)行芯片粘接，將得到的元器件進(jìn)行超聲波T-scan掃描，結(jié)果如圖3所示。圖中可見，封裝后導(dǎo)電銀膠界面無氣泡、分層現(xiàn)象，說明該導(dǎo)電銀膠可使用成熟工藝方式用于常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)，可靠性滿足使用要求。表4導(dǎo)電膠在引線框架上粘結(jié)力測試結(jié)果25(kgf)BareCuLFAgCuLFNi/Pd/AuLF13.111.07.8150(kgf)1.92.21.8250(kgf)0.60.70.7圖2導(dǎo)電銀膠的剪切力隨時(shí)間的變化圖1導(dǎo)電銀膠放置48h前后粘度變化4結(jié)論研制出一種新型具有高導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能的3.2導(dǎo)電銀膠可靠性分析通過對(duì)導(dǎo)

17、電銀膠粘結(jié)硅片與不同框架的粘結(jié)性可靠性的研究，得到在常溫、150、250下其粘結(jié)力性能如表4所示。隨著測試溫度的升高，導(dǎo)電銀膠的粘接力均大幅下降，導(dǎo)電銀膠與鍍鎳鈀金框架的粘接力變化最小。在常溫時(shí)，導(dǎo)電銀膠與無鍍層框架的粘接力最高，在250時(shí)，導(dǎo)電銀膠與3種框架的粘接力區(qū)別不大。通過與國外同樣銀粉含量的導(dǎo)電銀膠性能比較，二者的差異不大。導(dǎo)電銀膠的剪切力隨時(shí)間的變化如圖2所示，測導(dǎo)電銀膠，可用于大功率器件封裝，其性能如下：（1）導(dǎo)電銀膠粘度適中，便于操作，擱置壽命約為48h，48h后粘度變化不大但導(dǎo)電率增加；其固化后散熱性能較好，可用于一般要求的大功率器件封裝。（2）導(dǎo)電銀膠可用于無鍍層、鍍銀銅、

18、鎳鈀金3種框架，常溫下導(dǎo)電銀膠與無鍍層框架的粘接力最高；MSL3條件下該導(dǎo)電銀膠的可靠性較高；封裝后芯片粘接導(dǎo)電銀膠中無氣泡分層現(xiàn)象。（下轉(zhuǎn)第17頁）第16卷第4期陳嘉鵬，蔡潔明，黃旭東，等：宇航元器件在軌測試研究對(duì)航天及戰(zhàn)略武器裝備自主可控要求越來越高，對(duì)宇航元器件進(jìn)行科學(xué)的在軌測試驗(yàn)證，是宇航元器件能快速應(yīng)用于宇航系統(tǒng)的有效途徑。隨著宇航技術(shù)及元器件技術(shù)的發(fā)展，新的元器件及宇航應(yīng)用技術(shù)需要通過在軌測試來降低宇航應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。在軌測試將會(huì)得到更多的發(fā)展，必將為實(shí)現(xiàn)宇航事業(yè)的自主發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)15。參考文獻(xiàn)：1夏泓，江帆.航天元器件自主與可控概念及量化方法研究C.航天元器件專題論壇，2013.

19、2王文炎，高媛.宇航元器件飛行驗(yàn)證的實(shí)踐與思考C.航天元器件專題論壇，2013.3黃本誠.黃本誠文集M.北京：中央編譯出版社，2007.4侯明東，馬峰，劉杰.宇航器件中的單粒子效應(yīng)及其加速器地面模擬J.核物理動(dòng)態(tài)，1996.5周飛，李強(qiáng).空間輻射環(huán)境引起在軌衛(wèi)星故障分析與加固對(duì)策J.航天器環(huán)境工程，2012.6郭振偉，遇今.航天器產(chǎn)品可靠性技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展探討C.航天可靠性學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2015.7倪衛(wèi)星，夏泓，任澤亮.國產(chǎn)元器件飛行驗(yàn)證技術(shù)研究與探索C.航天元器件專題論壇，2013.8馮彥君，華更新.航天電子抗輻射研究綜述J.宇航學(xué)報(bào)，2007.9周建濤，蔡偉，武延鵬，盧欣.星敏感器空間輻射效應(yīng)研究J.宇航學(xué)報(bào)，2010.10黃欣.新型APS星敏感器C.中國科協(xié)年會(huì)，2006.11邢克飛，楊俊.星用SRAM型FPGA加固設(shè)計(jì)方法研究J.電子器件，2007.12郝志剛，楊孟飛.星用SRAM型FPGA的故障模式分析和容錯(cuò)方法研究J.空間控制技