IC封装材料发展趋势

第六章IC構裝製材料技術發展趨勢6−1版權所有，翻印必究第六章IC構裝材料技術發展趨勢第一節導電接著材料一、組成介紹IC構裝用導電接著材料除具接著性外亦具有導電性，主要成分有二:1.黏著劑(Binders)2.導電粒子(conductiveParticles)，常用之導電粒子為Ag、Au、Cu、Al、steel及Carbonblack；常用之黏著劑有epoxy、PU、silicones、vinyl及acrylic幾類，以下分別針對組成種類及特性加以介紹:(一)黏著劑(Binders)有機黏著劑用於電子元件之接著時，主要功能包括有：在導體連接器等電子元件間提供高的電氣絕緣性，使其保持一定之接著強度及耐熱性質，以及保護其避免環境之損害，這些環境因素包括濕氣熱、鹽霧、氧氣、輻射、微生物、化學物質及溶劑等之影響。因此黏著劑在黏晶材料之可靠性、施工性及穩定性上佔有很重要之地位，常用黏著劑又可分為熱塑性及熱固性兩種，其特點說明如下。1.熱塑性樹脂如SBR、Acrylate、Silicone、plyimide優點：基材可加熱熔融，具反覆加工性，因此可更換不良接著點。缺點：無法耐高溫，此外加溫、加壓黏著後的熱收縮應力，會有彈性恢復現象，導電度不穩定。IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查6−2版權所有，翻印必究2.熱固性樹脂，如:epoxy、Acrylate、Urethane、cyanateester優點：樹脂硬化形成網狀交聯結構，具良好的熱安定性，且可維持良好的導電性。其中以環氧樹脂的應用最為普遍。缺點：較難rework就各類黏著劑之特性比較：1.環氧樹脂(EpoxyResins)系接著劑這是一種由樹脂、硬化劑、硬化觸媒組合而成，具有特性變化多、很好的接著強度、可信賴度高、相溶性好、施工容易以及電氣特性佳具有耐候性等優點。以往二液型用得很多，但要注意混合時的均一化與配合量，很難自動化。目前已逐漸改成一液型者，硬化後可形成耐溶劑性、機械性良好之聚合物，適於電子、電機機器之用。2.含矽樹脂(Siliconresins)系接著劑這種接著劑的耐熱性優，有很好的彈性，是用在需柔軟性、熱衝擊性、應用溫度範圍廣、高濕度之場合，雖然成本較高，但需求仍旺。3.聚醯亞胺樹脂(Polyimideresins)系接著劑除了做一般耐熱性接著外，在半導體元件上也甚受注目。4.熱熔膠(hotmelt)接著劑此接著劑用於低強度，有溫度範圍限制及快速組合之場合。以熱可塑性聚合物做基本樹脂。5.壓克力系接著劑具有極佳的電氣特性、安定性、耐老化性及光透明性。第六章IC構裝製材料技術發展趨勢6−3版權所有，翻印必究6.紫外線硬化型接著劑為一種無溶劑，硬化速度快，作業性優之接著劑。其用途正在擴展中，很適合電子裝置之封裝、塗膜需求。接著劑可為一液型或二液型液體，或為粉狀，溶劑溶液型，薄膜或粒狀等型。一向是用在玻璃等之透明材料上，最近在附加厭氣性、熱硬化性、電漿硬化性等型式接著劑後，用途更加擴大，在電子快速組合生產線上應用大為增加。(二)導電粒子(conductiveParticle)導電粒子主要為提供導電接續之介質，因此必須具有一定程度之導電度而且為了提供良好之異方向性，也要求粒徑高的均一性及真圓度，故均以金屬粒子，或表層為金屬而中心為無機或高分子之微粒最常見。做為異方向性導電膠之導電粒子，依照其構造來分可分為:1.單層結構之金屬粒子2.雙層結構之高分子微粒or無機粒子表面鍍上金屬層3.三層結構之雙層粒子再包覆電氣絕緣層，如圖6-1所示。1.單層金屬導電粒子之種類金粉、銀粉、銅粉、鋁粉、鎳粉均是常用之導電粒子，其優缺點如表6-1所示。其中，金粉其特點為化學安定性最好，導電性佳，但價格昂貴，銀粉之化學安定性好，導電性佳，價格比金稍低，但比其他金屬粒又高出許多，銅粉之導電度佳，但易氧化，鎳粉及鋁粉之導電性較差。IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查6−4版權所有，翻印必究1.單層金屬粒子Au.Ag.Ni,Cu2.雙層導電粒子Au,Ag,Ni,Cu或覆合屬層高分子or無機材3.三層導電粒子絕緣層資料來源：工研院化工所圖6-1導電粒子構造之比較表6-1各種導電粒子之比較填充劑優點缺點Silver(Electricalconductor)VeryhighconductivityHighcost；silvermigrationcanoccurundercertainconditions；tarnishesandcorrodesGold(Electricalconductor)Veryhighconductivity:VeryinertandstableHighercostthansilver；subjecttogovernmentcontrolsandauditCapper(Electricalconductor)Highconductivity；lowcostRequiresextrastepsforcleaningtoremoveoxides；conductivitydecreaseswithageAluminum(EMIshielding)Highconductivity；lowcost；goodEMIshieldCanoxidize;shieldingde-creaseswithrisingfrequencySteel(EMIshielding)Lowcost；goodEMIshieldatlowvolumepercentageLowconductivityGraphiteandcarbonblack(conductorandEMIshielding)Lowcost；goodEMIshieldLowconductivity；shieldingdecreaseswithrisingfrequency；mustbelargevolumepercentage.資料來源：工研院化工所第六章IC構裝製材料技術發展趨勢6−5版權所有，翻印必究2.雙層及三層結構之導電粒子之種類雙層之導電粒子中心物質主要為1.無機材，如:Micagalss、Silica、金屬氧化物，或2.各種熱固型or熱塑型高分子材質，如Acrylic、epoxy、Polyamide、Poyimide、Polysteyrene、PU、Polyester、Rubber(SBR系)、Silicone、phenolic等，並且在中心粒子之表面進行表面處理，以利表面金屬化之步驟。因為中心為高分子材質之粒子，在熱壓時易變形，提高接觸面積，進而提高其接續時之導電度故應用最多。表面金屬化之金屬可用金、白金、銀、錫、鎳、銅、鋅、鋁、鉑、鈷等。除單一組成外，合金也可用以覆蓋。而在底層鍍銅，表面鍍金的複合電鍍膜，從性能和成本之均衡上頗有效。表面鍍錫的複合電鍍也是常用的方法之一。三層之導電粒子構造為雙層構造再coating上一層絕緣包覆層，以防止由導電粒子引起之短路，使得其單方向之導電接續效果更好。影響導電接著之導電性，除了受cured之條件及環境的影響外(表6-2)，尚有包括導電粒子之粒徑大小，導電粒子之形狀，粒徑分佈及含量等變數。通常導電粒子在樹脂(orbinder)中之體積分率與導電度具有一明顯之轉折點(如圖6-2)，即達到其臨界體積分率時其電阻會陡降，此乃根據隧道效應(tunneleffect)導電粒子間距低於電子穿隧距離時即可導電。IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查6−6版權所有，翻印必究表6-2摻導電粒子之epoxy之導電度影響…….Conductivity(mhos/cm)……..CompositionNitialAfter40daysAfter50hrValueHumidityCycling20%SaltSpraySilver-filledepoxycured6hrsat180℃Silver-filledepoxyairdried36hrsGold-filledepoxycured6hrsat50℃3,0001,2501,400100700-200-700--資料來源：工研院化工所資料來源：工研院化工所圖6-2導電接著劑之電阻與導電粒子臨界體積分率之關係圖材料之組成，簡而言之乃將導電填充料(或稱導電粒子)與樹脂均勻混合，經加工黏著製程後，藉由導電填充料間彼此接觸而具導電性。依其導電形式可分為(1)同方向性及(2)異方向性兩類。(1)同方向性導電接著劑同方向性導電接著劑特點為導電填充粉在基材樹脂中均勻分佈，且黏著劑的導電性質完全均勻，或是一般稱之為導電接著劑。常用之接著劑種類主要有epoxy、polyimide、Acrylic、第六章IC構裝製材料技術發展趨勢6−7版權所有，翻印必究silicone及cyanateEster，除應用在Die-attach、Flip-chipbond、chiponglass上時，應可作為PTHfiller，90%以上的導電粒子為Agpowder或flake為主，其他少數為金、銀合金、鎳及碳。各主要組成份之體積阻抗如表6-3所示。表6-3導電接著劑各主要組成份之體積阻抗物質VolumeResistivity,Ohm-cm環氧樹脂1014－1015(Insulative)環氧樹脂/銀10-2－10-4(Conductive)銀1.6×10-6(HighlyConductive)銅1.8×10-6(HighlyConductive)金2.3×10-6(HighlyConductive)資料來源：工研院化工所Dieattach製程是為導通矽晶片和連接電極間如導線架，以導電接著劑連接之IC構裝成本較以往使用金-矽共鎔焊錫便宜，同時所含的金屬粒子亦扮演導熱的功能。Dieattach導電接著劑中之接著劑以環氧樹脂(epoxy)及聚醯亞胺(polyimides)為主，而環氧樹脂類的應用又比聚醯亞胺類更廣泛。環氧樹脂應用時可分為一液型(表6-4)及二液型兩種，而聚醯亞胺則具有高玻璃轉化溫度(Tg)，應用在高操作溫度的可靠性較高，在Polyimide中也需避免離子不純物的存在，例如氯離子，在epoxy之系統中氯離子之含量也在10ppm以下，鈉離子之含量也在5ppm以下。IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查6−8版權所有，翻印必究表6-4一液型之epoxyDie-attach導電接著劑(參考配方)IngredientPartsbyWeightStandardEpoxyResin(REW=190)25Dicyandiamide2.0Substituted(Cocatalyst)1.4ButylGlycidylEther2.8Silver68.8TOTAL100資料來源：工研院化工所一液型環氧樹脂導電接著劑交聯時，Epoxy,Dicyandiamide及Urea會產生NH3或其他低分子量之胺類化合物，這些副產物在長時間使用時會逐漸釋放出來，因此已較少使用了，目前應用上以高純度BisphenolＡ類Epoxy，及phenolicnovolac或cresolnovolac樹脂為王，銀之含量則在60〜80wt%之範圍。Die-attach用導電接著劑為一種搖變型(thixotropicpastes)之材料，必須在點膠時流動快速，但點完後之流動性小，這種封裝方式可得到高的產率及生產速度，所需求之性質如表6-5、6-6所示。表6-5epoxyDieattach導電接著劑之特性PropertyEop-Tek*H2OEEpo-Tek*H20E-PFCTypeEpoxy-Silver.Two-ComponentEpoxy-Silver.Two-ComponentMixingRatio1：11：1CuringScheduleMinutesat150℃5580℃990LapShearStrength,psi16001200Tg,℃8080VolumeResistivity,10-4ohm-cm1-41-4CoefficientofThermalExpansion,10-6in./in./℃BelowTg38AboveTg50PotL