導(dǎo)電膠性能對(duì)器件分層的影響

石海忠，張學(xué)兵，張蓓蓓，聶 蕾

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通，226006）

1 引言

QFP（quad flat package，四側(cè)引腳扁平封裝）是表面貼裝型封裝之一，引腳從四個(gè)側(cè)面引出呈海鷗翼（L）型，其不僅用于微處理器、數(shù)字邏輯LSI電路，而且也用于VTR 信號(hào)處理、音響信號(hào)處理等模擬LSI 電路。引腳中心距有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多種規(guī)格。根據(jù)塑封體厚度分為 QFP（2.0mm～3.6mm厚)、LQFP（1.4mm厚）和TLQFP（1.0mm厚）三種。隨著客戶(hù)對(duì)LQFP產(chǎn)品可靠性要求的不斷提高，器件分層的問(wèn)題也逐步得到封裝工程師的重視，此類(lèi)分層問(wèn)題主要跟塑封料和導(dǎo)電膠兩種材料相關(guān)。對(duì)于LQFP類(lèi)產(chǎn)品，導(dǎo)電膠引起的分層問(wèn)題急需改善，本文通過(guò)對(duì)多種導(dǎo)電膠性能和最終成品的可靠性研究，為未來(lái)產(chǎn)品導(dǎo)電膠的選擇提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)條件

樣品封裝條件：我們選擇四款LQFP常用的導(dǎo)電膠，芯片尺寸約為10mm×10mm，框架載片區(qū)域?yàn)槁躲~，導(dǎo)電膠厚度統(tǒng)一控制在20μm ～40μm，樣品封裝過(guò)程中除了導(dǎo)電膠型號(hào)和對(duì)應(yīng)的固化條件有差異外，其他條件盡量保持相同，采用塑封體為28mm×28mm×1.4mm、引線(xiàn)間距為0.40mm的HLQFP256代表性外形進(jìn)行導(dǎo)電膠分層的測(cè)試。

樣品封裝后進(jìn)行C-SAM和T-SAM掃描，確認(rèn)分層狀況，然后采用IPC/JEDEC J-S-STD-020D.1 Level 3進(jìn)行預(yù)處理：前烘（Dry Bake），125（-0/+5）℃/24h；吸濕（Moisture Soak），30+2℃/60+3%RH/192h；紅外回流（IR Ref l ow），260℃（max）/3個(gè)循環(huán)。最后再進(jìn)行C-SAM和T-SAM掃描確認(rèn)分層狀況。

3 導(dǎo)電膠的性能

我們對(duì)四種導(dǎo)電膠的主要性能進(jìn)行了比較，具體見(jiàn)表1。

表1 四種導(dǎo)電銀膠的主要性能比較

根據(jù)表1所示性能進(jìn)行分析，導(dǎo)電膠A的常溫和高溫剪切力分別達(dá)到14.0kg和2.0kg（均為最大），說(shuō)明導(dǎo)電膠A跟框架界面之間的相對(duì)粘結(jié)力最大；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的數(shù)據(jù)說(shuō)明導(dǎo)電膠A和C最低在30℃左右，而B(niǎo)和D相對(duì)較高，一般來(lái)說(shuō)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低比較好；在室溫或高溫條件下，導(dǎo)電膠B、C、D具有較高的動(dòng)態(tài)拉伸模量，而導(dǎo)電膠A的高低溫動(dòng)態(tài)拉伸模量相對(duì)均較低。大家知道，動(dòng)態(tài)拉伸模量是指材料在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值，動(dòng)態(tài)拉伸模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小；綜合導(dǎo)電膠主要性能而測(cè)算的應(yīng)力指數(shù)表明導(dǎo)電膠A、B、C、D依次升高，表1中所示的導(dǎo)電膠性能參數(shù)是否對(duì)最終器件的分層有直接影響，根據(jù)接下來(lái)的分層實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步討論。

4 實(shí)驗(yàn)前后的分層掃描結(jié)果及分析

表2 器件經(jīng)過(guò)MSL3分層實(shí)驗(yàn)前后的分層掃描結(jié)果

如表2所示，器件在MSL3之前沒(méi)有任何分層，但在實(shí)驗(yàn)后，有的器件出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，其中使用導(dǎo)電膠D的器件出現(xiàn)大量的分層現(xiàn)象；使用導(dǎo)電膠A的器件，MSL3后沒(méi)有觀察到分層現(xiàn)象（參見(jiàn)圖1（a））；使用導(dǎo)電膠B、C的器件MSL3后在兩個(gè)界面均出現(xiàn)了少數(shù)分層（其中導(dǎo)電膠B的分層圖片參見(jiàn)圖1（b），導(dǎo)電膠C的分層圖片參見(jiàn)圖1（c））。器件發(fā)生分層的主要原因是導(dǎo)電膠、硅片、框架材質(zhì)、塑封料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，在回流焊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力大于粘結(jié)力時(shí)產(chǎn)生界面分層。

為了明確導(dǎo)電膠性能參數(shù)和器件分層之間的相關(guān)性，我們首先討論導(dǎo)電膠粘接性能的影響。四種導(dǎo)電膠的常溫剪切力都大于6kg，在封裝后的零小時(shí)均沒(méi)有任何分層，說(shuō)明這個(gè)性能完全可以滿(mǎn)足實(shí)際需要，因此不是我們尋找的主要因素；四種導(dǎo)電膠的高溫剪切力存在較大差異，導(dǎo)電膠D的高溫粘接性能相對(duì)最差，這個(gè)因素也可以解釋使用導(dǎo)電膠D的器件為什么分層現(xiàn)象最為明顯；導(dǎo)電膠B和C的高溫剪切力基本一致且相對(duì)較低，結(jié)果顯示均出現(xiàn)少量的分層且發(fā)生比例接近；導(dǎo)電膠A高溫剪切力最高，沒(méi)有發(fā)生分層，由此推斷導(dǎo)電膠的高溫剪切力是影響器件分層的一個(gè)重要因素。

圖1 器件分層照片（左C-SAM/右T-SAM）

再討論四種導(dǎo)電膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和動(dòng)態(tài)拉伸模量性能參數(shù)。B和D兩者的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，同時(shí)常溫動(dòng)態(tài)拉伸模量也相對(duì)較高（如表1所示），因此兩者在經(jīng)過(guò)回流焊測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力較大。A和C兩者的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，同時(shí)常溫動(dòng)態(tài)拉伸模量也比較低，但是導(dǎo)電膠C的高溫動(dòng)態(tài)拉伸模量明顯高于導(dǎo)電膠A，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)電膠A在使用100mm2大芯片的情況下依然可以通過(guò)MSL3測(cè)試，而導(dǎo)電膠C出現(xiàn)了界面分層，說(shuō)明了在一定的常溫和高溫粘接強(qiáng)度的條件下，導(dǎo)電膠的常溫動(dòng)態(tài)拉伸模量同時(shí)也相對(duì)比較小的情況下，導(dǎo)電膠的高溫動(dòng)態(tài)拉伸模量相對(duì)越低，對(duì)器件的抗分層能力越強(qiáng)。我們得出在較大芯片的情況下，不僅需要關(guān)注低溫動(dòng)態(tài)拉伸模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，更需要考察導(dǎo)電膠的高溫動(dòng)態(tài)拉伸模量，當(dāng)器件在經(jīng)歷高溫回流焊的過(guò)程時(shí)，高溫下較低的動(dòng)態(tài)拉伸模量有利于吸收溫度變化所引起的應(yīng)力。

最后，我們根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及圖2中不同導(dǎo)電膠的高溫動(dòng)態(tài)拉伸模量、應(yīng)力指數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)綜合導(dǎo)電膠主要性能的應(yīng)力指數(shù)越高、高溫動(dòng)態(tài)彈性模量越高，發(fā)生分層的比例和風(fēng)險(xiǎn)越高，反之，發(fā)生分層的比例和風(fēng)險(xiǎn)越低。

圖2 250℃下導(dǎo)電膠動(dòng)態(tài)拉伸模量和應(yīng)力指數(shù)

另外，我們也發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠的揮發(fā)物含量、擴(kuò)散等對(duì)載片臺(tái)正面與塑封料之間的界面分層也有一定的負(fù)面影響，這里不再詳細(xì)討論。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)導(dǎo)電膠性能參數(shù)和器件分層實(shí)驗(yàn)情況，明確了LQFP類(lèi)導(dǎo)電膠主要性能參數(shù)對(duì)器件分層有直接的影響。在具備較高的高溫剪切力的前提下，如果導(dǎo)電膠具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、較低的常溫和高溫動(dòng)態(tài)拉伸模量，那么導(dǎo)電膠在回流焊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)比較小，發(fā)生導(dǎo)電膠分層的比例和風(fēng)險(xiǎn)非常小（即載片臺(tái)正面與導(dǎo)電膠之間的界面分層），最終器件將具備較強(qiáng)的抗分層能力和比較高的可靠性。

[1] 高麗蘭. 微電子封裝中導(dǎo)電膠連接可靠性研究[J]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2010.

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