各向異性導(dǎo)電膠膜的導(dǎo)電粒子電性能研究

李 慧，張 軍

(1.黃河科技大學(xué)工學(xué)院，河南鄭州450006;2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

目前電子封裝行業(yè)中一種更方便、更環(huán)保，成本低廉的連接材料——各向異性導(dǎo)電膠的應(yīng)用正在悄然興起［1］.因?yàn)楦飨虍愋詫?dǎo)電膠膜(Anisotropic Conductive Film，簡(jiǎn)稱ACF)比其它方法更能實(shí)現(xiàn)高的密度(最小間距37 μm)，并且在生產(chǎn)制造過(guò)程中易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化［2-3］.另外，各向異性導(dǎo)電膠膜能夠滿足在IC器件上具有大量的引腳，以及使用非常小的架子來(lái)滿足導(dǎo)電通道且不需要再流過(guò)程，對(duì)芯片和基板的影響小.

ACF是有兩層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電膠薄膜，由導(dǎo)電粒子、膠粘劑、添加劑組成的，是具有導(dǎo)電性、粘接性、絕緣性的電子及電氣各向異性的高分子薄膜.其中導(dǎo)電粒子賦予各向異性導(dǎo)電膠膜以導(dǎo)電性能，膠粘劑賦予各向異性導(dǎo)電膠膜以連接性能［4］.影響各向異性導(dǎo)電膠膜粘接電性能可靠性的因素很多，主要有粘接溫度、固化時(shí)間、粘接壓力、導(dǎo)電粒子含量、金屬凸點(diǎn)和基板焊區(qū)的平整度以及各向異性導(dǎo)電膠膜的彈性模量等.目前，應(yīng)用于ACF電性能可靠性評(píng)估的方法.目前主要包括傳統(tǒng)的可靠性失效率預(yù)計(jì)法和失效物理方法.通過(guò)可靠性試驗(yàn)及其失效機(jī)理分析來(lái)對(duì)ACF粘接可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前可以參照的模型有：熱效應(yīng)模型(Arrhenius Model)、熱機(jī)械效應(yīng)模型(Coffin Manson Model)和溫度—濕度效應(yīng)模型(Hallberg Peck Model)［5］.雖然，ACF 粘接結(jié)構(gòu)是微電子封裝中廣泛應(yīng)用連接形式，然而目前ACF在溫度、濕度等環(huán)境下其粘接可靠性較低.在溫度、濕度載荷的作用下，使用過(guò)程中已成型的ACF粘接界面，由于微裂紋、氣泡等缺陷不斷擴(kuò)展，使界面粘接強(qiáng)度下降，而且也會(huì)引起導(dǎo)電粒子的變形，影響ACF 的導(dǎo)電性能［6-7］.

筆者通過(guò)理論分析，研究了ACF在粘結(jié)過(guò)程中導(dǎo)電粒子變形、開(kāi)裂等因素對(duì)其電性能的影響，并應(yīng)用有限元法對(duì)導(dǎo)電粒子在高溫、高濕環(huán)境下的回彈進(jìn)行分析，對(duì)比分析了粒子回彈變形對(duì)導(dǎo)電粒子電阻和粒子數(shù)量對(duì)總電阻的影響.

1 導(dǎo)粒子的電阻理論分析

ACF中含有大量導(dǎo)電粒子，ACF粘接后導(dǎo)電粒子的總電阻由4個(gè)約束電阻Rc、2個(gè)隧穿電阻Rt和1個(gè)粒子電阻Rp組成，如圖1所示.粒子電阻Rp是整個(gè)電阻的主要部分.因此，導(dǎo)電粒子總的粘接電阻的研究主要集中于粒子電阻Rp.

ACF粘接后鍍鎳聚合物的粒子通常呈鼓狀，但在頂部和底部有兩個(gè)圓面，分別與金凸點(diǎn)和玻璃接觸.粒子電阻Rp可由兩個(gè)圓面電阻Rc和環(huán)形電阻Rr組成.鎳鍍層的電阻表示如下：

式中：dy是沿當(dāng)前路徑的完整單元的高度;σN是鎳傳導(dǎo)率即2.5×106Ω-1·m-1;S是垂直于當(dāng)前路徑方向的面積.

圖1 ACF粘接后粒子總電阻組成Fig.1 Components of particle resistance after ACF bonding

Rc可以由下式計(jì)算：

假設(shè)兩個(gè)圓形接觸面沒(méi)有裂開(kāi)，環(huán)形電阻表示如下：

式中：h是聚合物中心部分的高度;t是鎳鍍層的厚度;r是圓形電阻的半徑，如圖2所示.高度h和半徑r在不同的粘結(jié)壓力下是不同的，而厚度t保持為定值.

圖2 鎳鍍層聚合物粒子示意圖Fig.2 Profile of a nickel-coated polymer particle

如果粒子變形時(shí)鍍鎳層有裂紋出現(xiàn)，鼓狀鎳鍍層的電阻不再是環(huán)形電阻，而表示為裂紋電阻.為了計(jì)算Rc，引入了一個(gè)新的參數(shù)Rv可以表示如下：

其中，θc為裂紋夾角.

可得Rcr.則Rp可以表示為

粒子電阻Rp可以由以上公式計(jì)算得到，而且這個(gè)方法對(duì)于所有的ACF組裝件無(wú)論采用哪種金屬覆蓋層和聚合物中心均適用.

2 粒子變形程度對(duì)Rp的影響

單個(gè)導(dǎo)電粒子受壓后的電阻由兩個(gè)圓面電阻Rc和一個(gè)環(huán)形電阻Rr組成，即.而由式(2)和(3)可知，當(dāng)t=0.15 μm，導(dǎo)電粒子電阻Rp的計(jì)算公式為：

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，如圖3所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好.在粒子高度變化小的時(shí)候，試驗(yàn)很難測(cè)到電阻的變化，壓力過(guò)大粒子被壓碎電阻會(huì)非常大.從計(jì)算結(jié)果看出，在粘接壓力載荷作用下，粒子高度h降低18.92%時(shí)，粒子電阻Rp降低34%，可見(jiàn)粒子的變形量對(duì)其電阻變化影響很大.而粘接壓力過(guò)高即粒子高度低于開(kāi)裂極限時(shí)，導(dǎo)電粒子可能被壓碎，會(huì)出現(xiàn)斷路的情況，所以導(dǎo)電粒子合理變形量的控制是必要的，理想的粒子變形是導(dǎo)電粒子最大限度的壓縮但不能破裂.

圖3 粒子變形高度h和Rp的關(guān)系Fig.3 Relationship of h and Rp

3 回彈對(duì)粒子電阻的影響

由于粒子的變形量對(duì)ACF粘接的線路電阻變化影響很大，在溫度和濕度環(huán)境下，導(dǎo)電粒子會(huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，為了研究回彈對(duì)導(dǎo)電粒子電阻的影響，對(duì)其進(jìn)行有限元建模分析，導(dǎo)電粒子的正常工作環(huán)境是20℃，而在85℃和濕度85%的環(huán)境下，建立模型如圖4所示.

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

為了觀察清晰，而且模型對(duì)稱，僅取半個(gè)模型顯示.模型中所用部件的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1.此ACF粘接結(jié)構(gòu)包括玻璃基板、集成IC芯片、環(huán)氧樹(shù)脂膠體、金凸點(diǎn)、一個(gè)導(dǎo)電粒子，物理性質(zhì)如表2所示.

表1 模型中所用部件的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the all parts μm

表2 有限元模型所用材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of the FEM simulation

該對(duì)稱結(jié)構(gòu)的yz平面內(nèi)x方向上的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)固定，由約束條件U1=UR2=UR3=0限制.玻璃基板底面xy平面內(nèi)z軸方向上的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)固定，由U3=UR1=UR2=0限制.鎳鍍層和聚合物中心的互連及鎳鍍層和環(huán)氧樹(shù)脂的互連約束均設(shè)定為綁定約束.對(duì)稱的xz面內(nèi)y輛方向上的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)固定，由U2=UR1=UR3限制.

此模型中鎳鍍層、IC芯片、玻璃基板的網(wǎng)格單元類型均為C3D8R，網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格;聚合物所采用的網(wǎng)格單元類型為C3D8R，共有13 978個(gè)單元;IC芯片凸點(diǎn)和玻璃凸點(diǎn)均采用網(wǎng)格單元類型為C3D8R;ACF的網(wǎng)格單元類型為C3D8R，細(xì)化部分采用四面體網(wǎng)格，單元類型為C3D4.

在粘接壓力作用下，環(huán)氧樹(shù)脂膠體和導(dǎo)電粒子的變形模擬結(jié)果如圖5所示.而在高溫、高濕(85℃和濕度85%)環(huán)境下ACF粘接結(jié)構(gòu)的變化如圖6所示.在以上兩種情況下，導(dǎo)電粒子變形對(duì)比的模擬結(jié)果如圖7所示.

由模擬結(jié)果測(cè)量可知，在85℃和濕度85%環(huán)境下，受壓后的導(dǎo)電粒子變形高度增加0.08 μm.且導(dǎo)電粒子與焊區(qū)金屬的接觸面積會(huì)減小，由式(6)可知，單個(gè)導(dǎo)電粒子的電阻Rp增加為1.3 mΩ.實(shí)際生產(chǎn)中，一個(gè)線路中導(dǎo)電粒子數(shù)量一般都是在5個(gè)以上，低于此值會(huì)影響ACF的導(dǎo)電性能.假設(shè)每個(gè)粒子電阻Rp相等，由于粒子電阻Rp之間是并聯(lián)關(guān)系，所以總電阻R=Rp/n(其中n=1，2，3，…).隨著粒子數(shù)量的逐漸增加，總電阻逐漸減小.在高溫、高濕環(huán)境下，5個(gè)導(dǎo)電粒子的單回路的電阻會(huì)增加0.26 mΩ.

4 結(jié)論

分析了ACF粘接后導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電機(jī)理，對(duì)導(dǎo)電粒子的鍍鎳層開(kāi)裂和不開(kāi)裂兩種情況下的電阻計(jì)算分別建立了數(shù)學(xué)模型.模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明此模型可以用來(lái)計(jì)算導(dǎo)電粒子變形后的電阻.通過(guò)理論模型的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電粒子的變形量對(duì)其電阻變化影響很大，建議ACF在粘接時(shí)，導(dǎo)電粒子變形在不壓碎的情況下導(dǎo)電粒子壓得越扁越好，這樣，導(dǎo)電粒子的電阻會(huì)越小.通過(guò)對(duì)導(dǎo)電粒子在高溫、高濕環(huán)境下回彈進(jìn)行有限元模擬，得到了導(dǎo)電粒子的回彈量，并計(jì)算出單個(gè)導(dǎo)電粒子的電阻增加量和單獨(dú)線路的電阻增加量，這些對(duì)ACF的使用和深入研究都具有意義.

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