以下文章來源于半導體封裝工程師之家，作者謝廷明 廖希異 等

摘要:

環氧粘接膠常用作集成電路粘接材料。在其固化過程中,經常觀察到樹脂析出現象。樹脂析出物會沾污鍵合區,帶來鍵合可靠性問題。本文利用接觸角的方法研究了樹脂析出的機理,討論了基板粗糙度和樹脂析出的關系,初步得出真空烘培對于樹脂析出有較大影響,而基板粗糙度和樹脂析出的嚴重程度無必然關聯。

0 引 言

環氧粘接膠具有粘接強度高、穩定性好、收縮率低等優點,應用于集成電路基板和元件等的粘接工藝。環氧粘接膠在固化過程中,經常見到樹脂析出的現象。相關參考文獻[1-3]對樹脂析出問題進行了研究。圖1顯示了集成電路微組裝采用環氧粘接膠粘接基板和元件過程發生的樹脂析出現象。

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

環氧粘接膠由環氧樹脂基體(增塑劑、增韌劑、填料等)、固化劑、稀釋劑和促進劑組成。環氧樹脂是一種分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機高分子化合物,它的相對分子量不高。環氧樹脂的分子結構是以分子鏈含有活潑的環氧基團為特征,環氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環狀結構。由于分子結構中含有活潑的環氧基團,使它們可與多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶的具有三維網狀結構的高聚物。

通常情況下,圖1中環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濕性和粘接力,但同時降低了膠體的表面張力,使得樹脂析出更明顯。

隨著集成電路的組裝密度越來越高,元件和鍵合區的距離越來越小,樹脂析出可能會沾污到元件周圍的鍵合區,影響集成電路鍵合可靠性。人們已對樹脂析出問題進行了研究。研究結果表明,降低基材的表面能和提升膠體的內聚力可以減少樹脂析出。Marks和同事的研究結果表明,膠體的內聚力和潤濕粘合力起到相互平衡作用,增加了膠體的內聚力,當內聚力大于潤濕粘合力時,固化后可以減少樹脂析出[1]。采用溶劑處理方式對基材表面進行預處理,在一定程度上減少樹脂析出的發生,但需考慮溶劑帶來的可靠性隱患。在粘接前對基材進行等離子處理的方法也在被采用,部分基材在清洗后,粘接膠的潤濕能力降低,減少了樹脂析出,但部分基材在等離子清洗后表面能增加,樹脂析出現象更明顯。有文章指出,縮短點膠后的放置時間,提高升溫速率,能夠減少樹脂析出。

對于環氧粘接膠的樹脂析出問題,需要進一步研究,以期找到有效的控制樹脂析出的方法。

1 環氧粘接膠樹脂析出機理

1.1 接觸角

接觸角是指液體與固體表面之間的夾角。當液體與固體表面接觸時,三者之間會形成一種平衡狀態(見圖2),這個平衡關系就是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。

樹脂析出是一種擴散過程,擴散系數是表征樹脂擴散的一個重要指數。Padday[3]定義擴散系數S為:

Padday認為擴散系數與溫度以及基材表面相關。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。基板表面的粗糙度增加了粘接膠和基板的接觸面積。考慮到固體表面的粗糙度對潤濕的影響,Wenzel[4]在1936年引入粗糙因子來描述當液體滴在粗糙性表面上時,液體可以完全潤濕空隙。Wenzel方程如下:

式中,r 表示固體表面的粗糙因子,即實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。

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

這樣定義的粗糙度事實上不能體現表面形貌的特征,相同粗糙度、不同形貌的表面也會對潤濕產生不同的影響。

1.3 等離子清洗

等離子清洗在集成電路領域已經使用很多年。這種方法可以去除表面的沾污,對芯片和元件的剪切強度沒有負面影響。

等離子清洗主要基于等離子體的特性,通過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)來產生等離子體。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行反應。等離子體反應主要可分為兩大類:一種是等離子體轟擊物體表面的物理反應,另一種是等離子體中的離子與物體表面發生的化學反應[5]。

2 實 驗

通過對環氧樹脂析出機理的分析,我們發現樹脂析出和表面粗糙度以及基板表面狀態等相關。本文開展了相關實驗,以期找到樹脂析出原因和控制措施。

2.1 材 料

2.1.1 膠 體

本文用到的環氧粘接膠型號為A 400 36,它是一種單組分的環氧樹脂粘接膠,在25 ℃下可以保存3個月。環氧樹脂分子中含有兩個或多個環氧基團,而固化劑則是一種具有活潑氫原子的物質,例如脂肪胺、酸酐等。在固化過程中,環氧基團與固化劑中的活潑氫原子發生加成反應,產生羥基或胺基等活性團,最終形成交聯結構,交聯結構使得環氧樹脂由液態變為固態。

2.1.2 實驗樣品1

實驗樣品1選用不同粗糙度、不同材質的白基板。

2.1.3 實驗樣品2

為進一步研究基板表面狀態與樹脂析出的關系,制作了實驗樣品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 實驗過程

2.2.1 樣品1實驗

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

隨后,在樣品1基板表面點涂環氧粘接膠A 400 36,固化溫度為150 ℃,固化時間為1小時。固化后測試樹脂析出物寬度(析出物寬度示意見圖1)。采用GXT80 BD高倍顯微鏡測試析出物寬度,測試數據為白基板樣品上3個不同位置的析出物寬度均值。

2.2.2 樣品2實驗

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

隨后,在基板表面點涂環氧粘接膠A 400 36,鼓風烘箱固化溫度為150 ℃,固化時間為1小時。固化后測試樹脂析出物寬度,每組測試數據為同一樣品上3個不同位置的析出物寬度均值。

3 結果和討論

3.1 基板粗糙度與樹脂析出的關系

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為基板上樹脂析出寬度測試結果。

從表1中可以看出,基板4上樹脂析出寬度為0.2 mm,而基板2上樹脂析出寬度為0.45 mm。沒有證據證明表面粗糙度和樹脂擴散之間存在必然聯系。由表1還可以看出,雖然擴散系數和接觸角之間關系密切,但接觸角和樹脂析出之間也沒有發現必然聯系。

實驗結果表明,不同的基板表面在樹脂析出中扮演了重要的作用,基板的粗糙度和接觸角為進一步研究樹脂析出機理提供了重要的手段。

3.2 基板表面狀態與樹脂析出的關系

樣品2采用不同的處理方式后,其接觸角和樹脂析出寬度見表2。樣品2樹脂析出寬度測試結果見圖5。

從表2中可以看出,樣品2基板經過等離子清洗后,仍然出現樹脂析出現象。樣品2基板經過等離子清洗、鼓風烘箱烘培處理以及真空烘箱處理后,環氧樹脂固化后樹脂析出寬度比未經任何處理的基板要小一些。

此外,還可以看出,樣品2基板經過150 ℃真空烘培2小時,環氧粘接膠固化后沒有發生樹脂析出現象。真空烘培過程通過反復充氮氣抽真空能夠去除殘余的雜質氣氛、顆粒。真空烘培過程的高溫能夠較好地去除基板表面的水汽和易揮發的有機雜質。TAN N X等[6]認為通過真空烘培,表面形成了碳氫化合物,從而降低了基板的表面能。MARKS M R等[1]認為在真空烘培過程中,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程可能形成的碳氫化合物膜對鍵合可靠性的影響。

4 結 論

通過實驗發現,基板粗糙度和樹脂析出寬度無必然聯系,等離子清洗后在基板表面仍會出現樹脂析出問題。實驗還發現,真空烘培可以解決基板表面樹脂析出問題。該方法解決了高組裝密度集成電路在微組裝裝配過程中環氧粘接膠樹脂的析出問題。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程可能形成的碳氫化合物膜,避免其影響鍵合可靠性。