集成電路微組裝用環(huán)氧粘接膠樹(shù)脂析出及控制研究

以下文章來(lái)源于半導(dǎo)體封裝工程師之家，作者謝廷明 廖希異 等

摘要:

環(huán)氧粘接膠常用作集成電路粘接材料。在其固化過(guò)程中,經(jīng)常觀察到樹(shù)脂析出現(xiàn)象。樹(shù)脂析出物會(huì)沾污鍵合區(qū),帶來(lái)鍵合可靠性問(wèn)題。本文利用接觸角的方法研究了樹(shù)脂析出的機(jī)理,討論了基板粗糙度和樹(shù)脂析出的關(guān)系,初步得出真空烘培對(duì)于樹(shù)脂析出有較大影響,而基板粗糙度和樹(shù)脂析出的嚴(yán)重程度無(wú)必然關(guān)聯(lián)。

0 引 言

環(huán)氧粘接膠具有粘接強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、收縮率低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于集成電路基板和元件等的粘接工藝。環(huán)氧粘接膠在固化過(guò)程中,經(jīng)常見(jiàn)到樹(shù)脂析出的現(xiàn)象。相關(guān)參考文獻(xiàn)[1-3]對(duì)樹(shù)脂析出問(wèn)題進(jìn)行了研究。圖1顯示了集成電路微組裝采用環(huán)氧粘接膠粘接基板和元件過(guò)程發(fā)生的樹(shù)脂析出現(xiàn)象。

圖1中,黑色部分為環(huán)氧粘接膠,黃色為陶瓷基板,表面金層厚度大于為4 μm。在基板和黑色環(huán)氧粘接膠之間有黃色的油漬物,這就是樹(shù)脂析出物。樹(shù)脂析出物寬度如圖1所示。

環(huán)氧粘接膠由環(huán)氧樹(shù)脂基體(增塑劑、增韌劑、填料等)、固化劑、稀釋劑和促進(jìn)劑組成。環(huán)氧樹(shù)脂是一種分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物,它的相對(duì)分子量不高。環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為特征,環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán),使它們可與多種類(lèi)型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。

通常情況下,圖1中環(huán)狀沾污是粘接膠體中為降低粘度而添加的活性劑,活性劑提升了膠體的潤(rùn)濕性和粘接力,但同時(shí)降低了膠體的表面張力,使得樹(shù)脂析出更明顯。

隨著集成電路的組裝密度越來(lái)越高,元件和鍵合區(qū)的距離越來(lái)越小,樹(shù)脂析出可能會(huì)沾污到元件周?chē)逆I合區(qū),影響集成電路鍵合可靠性。人們已對(duì)樹(shù)脂析出問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,降低基材的表面能和提升膠體的內(nèi)聚力可以減少樹(shù)脂析出。Marks和同事的研究結(jié)果表明,膠體的內(nèi)聚力和潤(rùn)濕粘合力起到相互平衡作用,增加了膠體的內(nèi)聚力,當(dāng)內(nèi)聚力大于潤(rùn)濕粘合力時(shí),固化后可以減少樹(shù)脂析出[1]。采用溶劑處理方式對(duì)基材表面進(jìn)行預(yù)處理,在一定程度上減少樹(shù)脂析出的發(fā)生,但需考慮溶劑帶來(lái)的可靠性隱患。在粘接前對(duì)基材進(jìn)行等離子處理的方法也在被采用,部分基材在清洗后,粘接膠的潤(rùn)濕能力降低,減少了樹(shù)脂析出,但部分基材在等離子清洗后表面能增加,樹(shù)脂析出現(xiàn)象更明顯。有文章指出,縮短點(diǎn)膠后的放置時(shí)間,提高升溫速率,能夠減少樹(shù)脂析出。

對(duì)于環(huán)氧粘接膠的樹(shù)脂析出問(wèn)題,需要進(jìn)一步研究,以期找到有效的控制樹(shù)脂析出的方法。

1 環(huán)氧粘接膠樹(shù)脂析出機(jī)理

1.1 接觸角

接觸角是指液體與固體表面之間的夾角。當(dāng)液體與固體表面接觸時(shí),三者之間會(huì)形成一種平衡狀態(tài)(見(jiàn)圖2),這個(gè)平衡關(guān)系就是Young's方程[2]。

式中,θ 為接觸角,γsv 為固體與氣體界面的表面張力,γsl為固體與液體界面的表面張力,γlv 為液體與氣體界面之間的表面張力。此方程表明,接觸角與表面張力之間的關(guān)系是由液體與氣體界面、固體與氣體界面以及液體與氣體界面的表面張力共同決定的。

樹(shù)脂析出是一種擴(kuò)散過(guò)程,擴(kuò)散系數(shù)是表征樹(shù)脂擴(kuò)散的一個(gè)重要指數(shù)。Padday[3]定義擴(kuò)散系數(shù)S為:

Padday認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)與溫度以及基材表面相關(guān)。因此,研究基材表面及處理方法顯得尤為重要。 1.2 基板粗糙度

Young's方程只適用于光滑表面?；灞砻娴拇植诙仍黾恿苏辰幽z和基板的接觸面積?？紤]到固體表面的粗糙度對(duì)潤(rùn)濕的影響,Wenzel[4]在1936年引入粗糙因子來(lái)描述當(dāng)液體滴在粗糙性表面上時(shí),液體可以完全潤(rùn)濕空隙。Wenzel方程如下:

式中,r 表示固體表面的粗糙因子,即實(shí)際固體與液體界面接觸面積和表面的固體與液體的接觸面積的比值。θw 為粗糙表面的接觸角。

根據(jù)該方程,如果原來(lái)基板表面是疏水的,增加粗糙度將更加疏水;如果原來(lái)基板表面是親水的,增加粗糙度將更親水。

這樣定義的粗糙度事實(shí)上不能體現(xiàn)表面形貌的特征,相同粗糙度、不同形貌的表面也會(huì)對(duì)潤(rùn)濕產(chǎn)生不同的影響。

1.3 等離子清洗

等離子清洗在集成電路領(lǐng)域已經(jīng)使用很多年。這種方法可以去除表面的沾污,對(duì)芯片和元件的剪切強(qiáng)度沒(méi)有負(fù)面影響。

等離子清洗主要基于等離子體的特性,通過(guò)在較低氣壓下使用高頻電壓(千赫茲至兆赫茲以上)電離某些氣體(如氬氣、氧氣等)來(lái)產(chǎn)生等離子體。這種等離子體具有高能量,能夠與被清洗物體表面的污物進(jìn)行反應(yīng)。等離子體反應(yīng)主要可分為兩大類(lèi):一種是等離子體轟擊物體表面的物理反應(yīng),另一種是等離子體中的離子與物體表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[5]。

2 實(shí) 驗(yàn)

通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂析出機(jī)理的分析,我們發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂析出和表面粗糙度以及基板表面狀態(tài)等相關(guān)。本文開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn),以期找到樹(shù)脂析出原因和控制措施。

2.1 材 料

2.1.1 膠 體

本文用到的環(huán)氧粘接膠型號(hào)為A 400 36,它是一種單組分的環(huán)氧樹(shù)脂粘接膠,在25 ℃下可以保存3個(gè)月。環(huán)氧樹(shù)脂分子中含有兩個(gè)或多個(gè)環(huán)氧基團(tuán),而固化劑則是一種具有活潑氫原子的物質(zhì),例如脂肪胺、酸酐等。在固化過(guò)程中,環(huán)氧基團(tuán)與固化劑中的活潑氫原子發(fā)生加成反應(yīng),產(chǎn)生羥基或胺基等活性團(tuán),最終形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得環(huán)氧樹(shù)脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)樣品1

實(shí)驗(yàn)樣品1選用不同粗糙度、不同材質(zhì)的白基板。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)樣品2

為進(jìn)一步研究基板表面狀態(tài)與樹(shù)脂析出的關(guān)系,制作了實(shí)驗(yàn)樣品2。樣品2選取樣品1中粗糙度為0.5 μm 的Al2O3 基板,在其上制作銀鈀層、金層和玻璃層。制作好的樣品2基板如圖3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 樣品1實(shí)驗(yàn)

測(cè)試樣品1的接觸角。接觸角測(cè)試采用SDC 200S接觸角測(cè)試儀,測(cè)試用液體為純凈水,測(cè)試結(jié)果為同一樣品不同位置3次測(cè)試結(jié)果的均值。

隨后,在樣品1基板表面點(diǎn)涂環(huán)氧粘接膠A 400 36,固化溫度為150 ℃,固化時(shí)間為1小時(shí)。固化后測(cè)試樹(shù)脂析出物寬度(析出物寬度示意見(jiàn)圖1)。采用GXT80 BD高倍顯微鏡測(cè)試析出物寬度,測(cè)試數(shù)據(jù)為白基板樣品上3個(gè)不同位置的析出物寬度均值。

2.2.2 樣品2實(shí)驗(yàn)

制備樣品2基板6塊,然后對(duì)基板進(jìn)行等離子清洗,150 ℃/1 h鼓風(fēng)烘箱烘培,150 ℃/2 h鼓風(fēng)烘箱烘培,150 ℃/1 h真空烘培,150 ℃/2 h真空烘培等處理,采用純凈水測(cè)試接觸角,測(cè)試結(jié)果為同一樣品不同位置3次測(cè)試結(jié)果的均值。

隨后,在基板表面點(diǎn)涂環(huán)氧粘接膠A 400 36,鼓風(fēng)烘箱固化溫度為150 ℃,固化時(shí)間為1小時(shí)。固化后測(cè)試樹(shù)脂析出物寬度,每組測(cè)試數(shù)據(jù)為同一樣品上3個(gè)不同位置的析出物寬度均值。

3 結(jié)果和討論

3.1 基板粗糙度與樹(shù)脂析出的關(guān)系

表1給出了4種不同粗糙度白基板表面的接觸角和析出寬度,圖4為基板上樹(shù)脂析出寬度測(cè)試結(jié)果。

從表1中可以看出,基板4上樹(shù)脂析出寬度為0.2 mm,而基板2上樹(shù)脂析出寬度為0.45 mm。沒(méi)有證據(jù)證明表面粗糙度和樹(shù)脂擴(kuò)散之間存在必然聯(lián)系。由表1還可以看出,雖然擴(kuò)散系數(shù)和接觸角之間關(guān)系密切,但接觸角和樹(shù)脂析出之間也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)必然聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同的基板表面在樹(shù)脂析出中扮演了重要的作用,基板的粗糙度和接觸角為進(jìn)一步研究樹(shù)脂析出機(jī)理提供了重要的手段。

3.2 基板表面狀態(tài)與樹(shù)脂析出的關(guān)系

樣品2采用不同的處理方式后,其接觸角和樹(shù)脂析出寬度見(jiàn)表2。樣品2樹(shù)脂析出寬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

從表2中可以看出,樣品2基板經(jīng)過(guò)等離子清洗后,仍然出現(xiàn)樹(shù)脂析出現(xiàn)象。樣品2基板經(jīng)過(guò)等離子清洗、鼓風(fēng)烘箱烘培處理以及真空烘箱處理后,環(huán)氧樹(shù)脂固化后樹(shù)脂析出寬度比未經(jīng)任何處理的基板要小一些。

此外,還可以看出,樣品2基板經(jīng)過(guò)150 ℃真空烘培2小時(shí),環(huán)氧粘接膠固化后沒(méi)有發(fā)生樹(shù)脂析出現(xiàn)象。真空烘培過(guò)程通過(guò)反復(fù)充氮?dú)獬檎婵漳軌蛉コ龤堄嗟碾s質(zhì)氣氛、顆粒。真空烘培過(guò)程的高溫能夠較好地去除基板表面的水汽和易揮發(fā)的有機(jī)雜質(zhì)。TAN N X等[6]認(rèn)為通過(guò)真空烘培,表面形成了碳?xì)浠衔?從而降低了基板的表面能。MARKS M R等[1]認(rèn)為在真空烘培過(guò)程中,基板表面形成了一層氧化鎳膜,降低了基板的表面能。

在鍵合前,一般都有等離子清洗步驟,該步驟可以避免真空烘培過(guò)程可能形成的碳?xì)浠衔锬?duì)鍵合可靠性的影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),基板粗糙度和樹(shù)脂析出寬度無(wú)必然聯(lián)系,等離子清洗后在基板表面仍會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂析出問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),真空烘培可以解決基板表面樹(shù)脂析出問(wèn)題。該方法解決了高組裝密度集成電路在微組裝裝配過(guò)程中環(huán)氧粘接膠樹(shù)脂的析出問(wèn)題。鍵合前一般都有等離子清洗步驟,該步驟可以有效去除真空烘培過(guò)程可能形成的碳?xì)浠衔锬?避免其影響鍵合可靠性。