粘片工藝介紹

粘片作為芯片與管殼間實(shí)現(xiàn)連接和固定的關(guān)鍵工序，達(dá)成了封裝對(duì)于芯片的固定功能，以及芯片背面電連接功能。在行業(yè)里，這一工序常被叫做粘片。由于其核心作用是固定芯片，因而也被稱作固晶工藝或貼片工藝，英文表述為“Die Bonding”或“Die Attach”。

在日常生活中，“粘”通常意味著借助膠水實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物體的連接，這屬于物理連接過(guò)程。所以，用粘片來(lái)描述芯片的導(dǎo)熱膠粘接工藝，既生動(dòng)又恰當(dāng)。與之不同，另一種借助合金料片，將芯片焊接到管殼、基板或載體上的工藝，被稱作芯片燒結(jié)、合金燒結(jié)或合金粘片。這一過(guò)程涉及多種金屬間的復(fù)雜反應(yīng)。

芯片與外殼或基板的貼裝方法，主要有導(dǎo)熱膠粘接和合金料燒結(jié)（此處不探討倒裝焊）。導(dǎo)熱膠對(duì)被粘接的芯片和外殼要求相對(duì)寬松，只要確保原材料潔凈，導(dǎo)熱膠就能順利固化并完成粘接。而燒結(jié)則需要用到合金焊料，焊料的可焊性、熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度以及熱膨脹系數(shù)等，都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量和可靠性造成影響。這些是材料生產(chǎn)廠家需要考慮和優(yōu)化的內(nèi)容。封裝廠的任務(wù)是挑選合適的成熟焊料片，并應(yīng)用于器件生產(chǎn)。每種焊料片因成分配比和自身性質(zhì)固定，所需的焊接條件也相對(duì)固定。封裝廠無(wú)需開展過(guò)多研究，只需按照對(duì)應(yīng)的燒結(jié)曲線，完成焊料與芯片的焊接。由此可見(jiàn)，粘片工藝對(duì)后期技術(shù)研發(fā)的依賴程度較低。

然而，國(guó)內(nèi)外仍有大量研究聚焦于粘片工藝。這主要是因?yàn)樵O(shè)備波動(dòng)、物料變質(zhì)、原材料缺陷以及背面金屬化層質(zhì)量問(wèn)題等，都會(huì)干擾粘接和焊接的正常進(jìn)行，必須通過(guò)研究分析找出問(wèn)題。早期，原材料氧化、人員手工貼片手法差異、設(shè)備真空度限制以及保護(hù)氣氛施加方式等問(wèn)題，極大地影響了粘片工藝的穩(wěn)定性，導(dǎo)致為獲得良好焊接效果所需的粘片工藝參數(shù)存在較大不確定性。此外，粘片在封裝工序中處于靠前位置，后續(xù)工序會(huì)對(duì)粘片的可靠性產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)封裝工藝方案時(shí)，需要全面考慮包括粘片在內(nèi)的各工序之間的匹配關(guān)系，比如溫度梯度和應(yīng)力疊加等，避免后續(xù)工藝對(duì)粘片質(zhì)量造成影響。同時(shí)，粘片也會(huì)對(duì)其他工序產(chǎn)生影響。例如，粘片過(guò)程中的偏移，是器件小型化進(jìn)程中需要解決的難題，導(dǎo)熱膠的膠暈會(huì)影響鍵合絲與管殼的鍵合強(qiáng)度。

無(wú)論如何，粘片工序都是集成電路封裝工藝中最為基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。值得注意的是，后續(xù)篩選考核中的熱沖擊、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、掃頻振動(dòng)、恒定加速度等試驗(yàn)，都是在檢驗(yàn)粘片的可靠性，這充分說(shuō)明了該工藝可靠性的重要性 。

粘片工藝的選型

導(dǎo)熱膠粘接和合金燒結(jié)這兩種粘片技術(shù)，各有優(yōu)劣。

1.導(dǎo)熱膠粘接：該工藝適用性廣泛，能用于絕大多數(shù)芯片與器件的粘接。然而，導(dǎo)熱膠熱膨脹系數(shù)偏高，與陶瓷、金屬以及硅芯片在熱性能匹配上，不及焊料，容易引發(fā)熱失配問(wèn)題。此外，導(dǎo)熱膠等膠粘劑會(huì)吸附氣體，并在使用過(guò)程中緩慢分解釋放有害氣體，對(duì)器件內(nèi)部造成損害。

2.合金燒結(jié)：此工藝可靠性極佳，具備較高的焊接強(qiáng)度，以及出色的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。對(duì)于高可靠性要求的器件，通常采用合金焊料燒結(jié)粘片，使其能適應(yīng)大溫區(qū)變化、高應(yīng)力沖擊等嚴(yán)苛的服役環(huán)境。不過(guò)，部分合金料在燒結(jié)過(guò)程中，可能出現(xiàn)顆粒飛濺現(xiàn)象。

另外，不同類型的導(dǎo)熱膠，固化溫度和耐受環(huán)境溫度有所不同。一旦超出耐受溫度，導(dǎo)熱膠粘接就容易失效。而經(jīng)過(guò)合金燒結(jié)的器件，若再次處于超過(guò)固化溫度的環(huán)境中，焊接材料會(huì)重新熔化，可能導(dǎo)致芯片脫落，還會(huì)引發(fā)氧化、產(chǎn)生更多焊接空洞等問(wèn)題。

因此，在選擇粘片工藝時(shí)，需依據(jù)產(chǎn)品性能指標(biāo)要求，選擇適配的工藝。

粘片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)——剪切強(qiáng)度

剪切應(yīng)力試驗(yàn)是評(píng)估粘片質(zhì)量的常用方法。芯片經(jīng)粘接或燒結(jié)后所具備的強(qiáng)度，即芯片粘結(jié)強(qiáng)度。可依照GJB 548B - 2005中方法2019.2“芯片剪切強(qiáng)度”規(guī)定的流程開展試驗(yàn)。芯片粘結(jié)強(qiáng)度與芯片面積密切相關(guān)，該方法給出了粘結(jié)強(qiáng)度是否合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)，具體如圖1所示。

圖1：芯片剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)芯片粘結(jié)面積大于4.13mm2，需至少承受25N的力，或其相應(yīng)倍數(shù)的力。

當(dāng)芯片粘結(jié)面積介于0.32mm2（含）至3.14mm2之間時(shí)，芯片承受的最小剪切強(qiáng)度，可參照?qǐng)D1所示標(biāo)準(zhǔn)確定。

當(dāng)芯片粘結(jié)面積小于0.32mm2，最小剪切強(qiáng)度應(yīng)為1倍時(shí)6N/mm2，或2倍時(shí)12N/mm2 。

粘片質(zhì)量指標(biāo)——空洞率

在高可靠性集成電路產(chǎn)品生產(chǎn)中，常采用燒結(jié)粘片，并對(duì)芯片焊接空洞率作出嚴(yán)格要求。出現(xiàn)以下任意一種情況，即判定粘片空洞率不合格：

1. 接觸區(qū)空洞面積超過(guò)整個(gè)接觸面積的二分之一。

2. 單個(gè)空洞橫跨半導(dǎo)體芯片的整個(gè)長(zhǎng)度或?qū)挾确秶页^(guò)整個(gè)預(yù)定接觸面積的10%。

導(dǎo)熱膠粘片

粘接原理：

芯片粘片工藝，核心在于利用膠粘劑在芯片與管殼、基板等承載物之間搭建起互連層。通過(guò)升溫，促使膠粘劑內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，歷經(jīng)液相階段，逐步凝膠化，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?。借助這一過(guò)程，不但能達(dá)成穩(wěn)固的機(jī)械連接，讓芯片與載體緊密結(jié)合，還能賦予連接層優(yōu)良的電學(xué)和熱學(xué)性能。在當(dāng)前環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的背景下，導(dǎo)熱膠和AuSn焊料憑借自身優(yōu)勢(shì)，成為替代傳統(tǒng)SnPb合金料的首選材料。在集成電路封裝行業(yè)，環(huán)氧樹脂憑借出色的綜合性能，成為應(yīng)用最為普遍的膠粘劑。環(huán)氧樹脂本質(zhì)上是高分子聚合物，分子式為(C??H??O?)?，指分子內(nèi)含有兩個(gè)或更多環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物。它由環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或者多元醇，經(jīng)過(guò)縮聚反應(yīng)制備而成。由于環(huán)氧基具有較高的化學(xué)活性，能夠與多種含活潑氫的化合物發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，通過(guò)固化交聯(lián)，構(gòu)建起網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此環(huán)氧樹脂歸屬于熱固性樹脂。其中，雙酚A型環(huán)氧樹脂產(chǎn)量最大、種類最豐富，并且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的改性產(chǎn)品不斷問(wèn)世，產(chǎn)品質(zhì)量也在持續(xù)提升。未經(jīng)填料改性的環(huán)氧樹脂，導(dǎo)熱性能差，且不具備導(dǎo)電特性。向環(huán)氧樹脂中添加Al_?O_?、AlN等陶瓷填料后，能夠顯著提高其熱導(dǎo)率。按照導(dǎo)電性能的差異，膠粘劑可分為導(dǎo)電膠和絕緣膠。在環(huán)氧樹脂中摻入銀粉，制成的導(dǎo)電膠可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接功能。對(duì)于背面設(shè)置有電極的芯片，導(dǎo)電膠可實(shí)現(xiàn)芯片背面電極與基板盤之間的電氣連通。在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)電膠還常用于電阻、電感、電容等阻容元件的粘接。絕緣膠則主要用于芯片背面無(wú)需導(dǎo)通的場(chǎng)景。大多數(shù)芯片粘片時(shí)，會(huì)選用不導(dǎo)電膠。這類膠粘劑除了能滿足導(dǎo)熱需求外，還可以提升絕緣性能。在這里，將用于集成電路芯片粘片的膠粘劑，統(tǒng)一稱作導(dǎo)熱膠。胺類化合物是環(huán)氧樹脂常用的固化劑，一般以粉末形式均勻分散在環(huán)氧樹脂體系中。在常溫條件下，固化劑與環(huán)氧基團(tuán)之間的反應(yīng)非常緩慢。當(dāng)溫度升高到一定程度，固化劑吸收足夠的能量開始溶解，并與環(huán)氧樹脂分子上的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得分子鏈之間不斷交聯(lián)。在反應(yīng)過(guò)程中，環(huán)氧基團(tuán)轉(zhuǎn)化為醇鹽結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，醇鹽基團(tuán)會(huì)與其他環(huán)氧基團(tuán)繼續(xù)反應(yīng)，在相鄰聚合物鏈之間形成新的醚鍵，逐步構(gòu)建起高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著分子鏈的不斷增長(zhǎng)，膠粘劑的黏度逐漸增大，從最初的線性聚合物交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終固化為熱固性聚合物。

導(dǎo)電膠的固化

按照固化方式的差異，導(dǎo)電膠可劃分為熱固化和光固化兩大類型。其中，熱固化依據(jù)固化溫度的不同，又可細(xì)分為室溫固化、中溫固化（150℃左右）和高溫固化（150-300℃）。

室溫固化耗時(shí)較長(zhǎng)，通常需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少。高溫固化速度較快，但在電子工業(yè)領(lǐng)域，過(guò)高的溫度可能對(duì)器件性能造成影響，因此一般盡量避免使用。中溫固化一般只需數(shù)分鐘到一小時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。光固化導(dǎo)電膠的固化，主要依賴紫外線照射引發(fā)樹脂基體發(fā)生固化反應(yīng)。這種固化方式速度快，且樹脂基體在避光條件下可長(zhǎng)期保存，目前已成為研究的熱點(diǎn)方向。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg

1.玻璃態(tài)與橡膠態(tài)

環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱膠隸屬有機(jī)聚合物范疇，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，即非晶態(tài)高聚物（包含晶態(tài)聚合物的非晶區(qū)域）在玻璃態(tài)和橡膠態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變的特定溫度。以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg作為分界線，聚合物在不同溫度環(huán)境下，會(huì)呈現(xiàn)出玻璃態(tài)和橡膠態(tài)兩種特性迥異的狀態(tài)。玻璃態(tài)本質(zhì)上是一種無(wú)定形的固體形態(tài)。在此狀態(tài)下，原子在結(jié)構(gòu)上既不存在長(zhǎng)程有序排列，也不具備平移對(duì)稱性。可以將其理解為一種保留了液體結(jié)構(gòu)特征的固體。而橡膠態(tài)指的是，聚合物內(nèi)鏈段能夠自由運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)分子鏈不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移的狀態(tài)。處于橡膠態(tài)時(shí)，只需施加較小的外力，聚合物就能產(chǎn)生較大的形變，并且當(dāng)外力移除后，形變能夠迅速恢復(fù)。在部分學(xué)術(shù)研究資料中，也將玻璃態(tài)和橡膠態(tài)表述為玻璃態(tài)和高彈態(tài)。大多數(shù)高分子聚合物常態(tài)下處于玻璃態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，是聚合物大分子鏈擺脫束縛、實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)所需達(dá)到的最低溫度。值得注意的是，該溫度并非一個(gè)精確的固定值，而是分布在一定的溫度區(qū)間內(nèi)。當(dāng)聚合物所處溫度高于Tg時(shí)，材料展現(xiàn)出顯著的高彈性；當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，材料則表現(xiàn)出脆性。因此，Tg對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和材料性能調(diào)控而言，是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

2. Tg與材料性質(zhì)

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并非某一個(gè)確切的溫度點(diǎn)，而是一個(gè)溫度范圍。盡管學(xué)界針對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象提出了眾多理論，但到目前為止，還沒(méi)有任何一種理論能夠?qū)@一復(fù)雜現(xiàn)象做出全面、完善的解釋。目前，測(cè)定Tg的方法主要分為四類，分別通過(guò)監(jiān)測(cè)材料的體積變化、熱力學(xué)性質(zhì)變化、力學(xué)性質(zhì)變化以及電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)聚合物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，其多項(xiàng)物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈變化。以比體積、比熱容、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)為例，這些參數(shù)在玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的變化。以H35導(dǎo)電膠為例，當(dāng)溫度低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，熱膨脹系數(shù)為31×10^-6in/(in·℃)；而當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，熱膨脹系數(shù)大幅上升至97×10^-6in/(in·℃)。從分子結(jié)構(gòu)的角度分析，Tg轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是高聚物無(wú)定形部分從凍結(jié)狀態(tài)向解凍狀態(tài)過(guò)渡的一種松弛現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的相轉(zhuǎn)變不同，玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中并不伴隨相變熱的產(chǎn)生。當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，高聚物處于玻璃態(tài)，此時(shí)分子鏈和鏈段都被“凍結(jié)”，無(wú)法自由移動(dòng)，僅有構(gòu)成分子的原子（或原子團(tuán)）在其平衡位置附近做微小振動(dòng)。當(dāng)溫度達(dá)到Tg時(shí)，雖然分子鏈整體仍無(wú)法移動(dòng)，但鏈段開始獲得足夠的能量，能夠進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，材料因而呈現(xiàn)出高彈性質(zhì)。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，整個(gè)分子鏈都開始運(yùn)動(dòng)，材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓承粤鲃?dòng)特性的熔融體或液體。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是表征聚合物特性的重要參數(shù)之一。一般來(lái)說(shuō)，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，其分子鏈的柔性就越大；反之，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，分子鏈的剛性就越強(qiáng)。此外，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，聚合物膠粘劑的導(dǎo)電性等關(guān)鍵性能，也可能發(fā)生顯著變化 。

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