細節距雙金屬層COF封裝技術研究介紹

張浩苗

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細節距雙金屬層COF封裝技術研究介紹

張浩苗

昆山瑞創芯電子有限公司，江蘇 昆山 215301

介紹了雙金屬層細節距覆晶薄膜（COF，chip on film）封裝的3種互連鍵合技術：各向異性導電膠（ACF, anisotropic conductive film），非導電膠（NCF, nonconductive film），金錫冶金連接。研究了這3種封裝互連技術的電學性能、倒裝芯片結合點特性、剝離黏結強度、散熱能力和可靠性。為了實驗，準備了雙金屬層柔性印刷電路板（FPC，flexible printed circuit）和35?mΩ，25?mΩ，20?mΩ節距的顯示驅動芯片（DDI，display driver IC）。實驗中所有的雙金屬層FPC COF封裝樣品都表現出穩定的倒裝結點形態、低于5?mΩ的穩定的凸塊接觸電阻、高于600?gf/cm的良好黏結力、比傳統單金屬層FPC COF封裝更強的散熱能力。所有COF封裝樣品都在高溫高濕試驗和熱循環試驗中表現出了優秀的可靠性。但是在可靠性試驗過程中觀察到了電性短路，不過這只發生在20?mΩ節距的ACF連接點中。因此，對于小于20?mΩ節距的COF封裝，推薦NCF膠和金錫冶金鍵合的連接方式；對于25?mΩ節距以上的，則ACF、NCF、金錫冶金鍵合連接方式都適用。

雙金屬層細節距覆晶薄膜；ACF材料；NCF材料

引言

細節距雙金屬層 COF封裝的關鍵技術，一是生產雙金屬層細節距FPCs；二是在倒裝芯片鍵合過程中，實現芯片與基材之間的良好對準。在這個研究中，用ACF、NCF和金錫共晶3種鍵合方法論證了具有雙金屬層的細節距 COF 封裝，并從裝配可制造性、電學性能、剝離黏結強度、散熱性和可靠性角度進行了研究。

1 實驗

1.1 測試樣本

準備了細節距DDI芯片、雙金屬層FPC、ACF膠和NCF膠。雙金屬層FPC有雙面銅電極，它們之間有過孔相互連接還包括與DDI芯片相匹配的各種墊盤。采用36?μm厚的NCF和35?μm厚的ACF作為連接膠粘劑。ACF導電顆粒直徑為3.5?μm且涂有絕緣層。

1.2 ACF和NCF材料的特性

膠粘劑的特性對于確定最佳鍵合溫度和時間以及深入了解封裝可靠性都是很重要的。采用從 30～250℃的差動掃描熱量計（DSC，Perkin Elmer DSC 7）測量了固化行為，加熱速率為10?℃/min，用熱力學分析儀（TMA，精工EXSTAR 6000）測量了熱工性能。熱膨脹系數（CTEs）是根據固化膠粘劑的尺寸變化計算的，溫度變化從30～250℃，加熱速率為5?℃/min，在100?mN單軸拉伸載荷作用下。通過測量在0.02?Hz的100?mN正弦力作用下膠粘劑的儲能模量和損失切線（tanδ），利用動態力學分析儀（DMA）得到了模量和玻璃轉變溫度（Tg），溫度變化從30～250℃，加熱速率為5?℃/min。

1.3 采用各種連接方法演示細間距雙金屬層COF封裝

采用ACF和NCF膠粘劑和金錫冶金連接三種連接方法。ACF黏結是使用覆晶熱壓機臺進行的。在ACF粘接過程中，聚合物樹脂流動并隨后固化，而導電顆粒則在芯片凸塊和FPC電極之間被捕獲。NCF粘接與ACF粘接過程相似，只是膠粘劑樹脂中沒有導電顆粒?？紤]到ACF和NCF的固化特性，對粘接參數進行了優化。當壓頭溫度255℃，平臺溫度為65?℃時，用溫度計測量的實際ACF 和NCF 粘接溫度200?℃。在此溫度下，ACF和NCF的固化時間分別為11.5?s和11?s。為了讓膠粘劑完全固化，鍵合過程在200?℃保持15?s。通過FT-IR（IFS66v/s & Hyperion3000，Bruker）測量，比較了鍵合過程前后910?cm-1左右的環氧峰面積，計算了膠粘劑的固化率。在700～1700?cm-1的范圍內收集了分辨率為4?cm-1的64次掃描的光譜。吸收光譜歸一化為環繞1507?cm-1的苯環峰。從穩定的接頭形狀和凸塊接觸電阻值兩方面確定了最佳粘接壓力為 60?MPa。從晶片凸塊接頭的冶金形成角度來看，冶金連接方法不同于粘接。在金錫連接過程中，形成了金錫相。對采用三種連接方法制造的雙金屬層細節距COF進行了電測試（使用Keithley 236 源測量設備），并觀察了翻轉芯片接頭橫截面（用場發射掃描電鏡，Hitachi S-4800）。

1.4 制作出的細節距雙金屬層COF特性

從電氣、機械、熱性能以及可靠性等方面對細節距雙金屬層COF進行了研究。通過測量凸塊接觸電阻和絕緣電阻的方法，研究了電學特性，它們在細節距封裝中很重要。因為電極圖形之間如果存在幾μm的錯位或導電顆粒聚集，就會導致ACF 連接出現電氣短路。短路標準設置為108?。如果測量的絕緣電阻低于108?，則確定為電氣短路。采用90°剝離試驗，對芯片與雙金屬層FPC之間的黏附強度進行了測量，然后用光學顯微鏡觀察了失效部位。通過測量倒裝芯片接頭溫度，比較雙金屬層COF封裝與單金屬層COF封裝散熱效果的差異[1]。

2 結果及討論

2.1 采用多種連接方式的細節距雙金屬層COF封裝

在最優化的鍵合條件連接的細節距雙金屬層COF封裝樣品中，ACF和NCF的固化率在90%以上。需要90% 以上的固化率[2]來保證良好的封裝性能。ACF和NCF連接的凸塊接觸電阻通常隨著鍵合壓力的增加而減小和穩定，但過高的鍵合壓力會使凸塊接觸電阻和封裝的可靠性惡化[3-4]。在本實驗中，60 MPa 產生了穩定的凸塊接觸電阻值。使用ACF、NCF和金錫冶金連接方法的細間距雙金屬層COF封裝的接觸電阻分別為3.3±1.2?m?、2.7±1.1?m?和3.6±0.4?m?，凸塊節距不同（35?μm、25?μm和20?μm）的影響不大。在ACF和NCF鍵合中，ACF是通過導電顆粒使凸塊與電極連接，而NCF是凸塊與電極直接接觸。在金錫冶金連接中，得到了金錫合金接頭。結果表明，采用ACF、NCF和金錫冶金連接法，制備細節距雙金屬層COF封裝樣品成功。

2.2 細節距雙金屬層COF封裝的性質

2.2.1 電學性質

測量了雙金屬層COF封裝的凸塊接觸電阻和絕緣電阻。在所有三種凸塊節距35?μm、25?μm和20?μm的情況下，ACF連接法的接觸電阻都低于5?m?。NCF和金錫冶金連接方法也顯示出類似的值，凸塊節距不同（35?μm、25?μm和20?μm）的影響不大。測量了不同連接方法不同節距的絕緣電阻，采用108?的標準來判定絕緣電阻是否合格，進而判定細節距的極限。隨著凸塊節距變得更精細，幾微米的錯位就可能會導致凸塊之間的短路[5-6]。ACF連接法的COF封裝在35?μm和25?μm間距下都有100%的絕緣率。但是，由于凸塊之間的導電粒子聚集，在20?μm的節距下約有5%的短路率。這結果與現有使用ACF連接的精細節距極限的報告很好地匹配[5-6]。因此，ACF連接方法可適用于20?μm以上的節距。NCF和金錫冶金連接方法顯示出穩定的絕緣，包括在20?μm間距。

2.2.2 剝離粘接強度

ACF連接方法的粘接強度略高于NCF和金錫冶金粘接方法，因為ACF在粘接過程中在粘接區域周圍有更多的溢膠。失效部位為電極本身、黏合劑內部、芯片/黏合劑的界面以及FPC/膠粘劑的界面。所有COF封裝的附著力均高于600?gf/cm，這是典型的工業標準。

2.2.3 散熱能力

為了分析雙金屬層COF封裝的傳熱特性，比較了雙金屬層與單金屬層COF封裝的散熱性能。芯片表面上安裝了一個加熱器。加熱器的頂部表面處于自由對流狀態，鋁塊連接在COF封裝的底部表面。在覆晶芯片連接頭處插入了直徑為20?μm的k型熱電偶，以測量接頭溫度。在40?W的固定功率下，單金屬和雙金屬層COF的接頭溫度分別升高到126.2?℃和101.1?℃。由于過孔和底部電極的散熱程度好，雙金屬層COF覆晶芯片接頭溫度低于單金屬層25?℃。為了學術上的認識，實驗結果與仿真結果進行了對比，兩者相符。仿真結果由FLUENT公司提供的ICEPAK 4.4.8生成，這是分析電子封裝系統內傳熱現象的知名程序。除了較低的覆晶芯片接頭溫度外，雙金屬層COF的表面溫度99.3?℃，也低于單金屬層的126.9?℃。因此，雙金屬層COF封裝具有更好的散熱能力。

2.2.4 可靠性評估

通過量測高溫高濕測試（85?℃/85% RH，1 000 h）和熱循環測試（﹣40～125?℃，1 000個循環）中的接觸電阻變化，評估了雙金屬層COF封裝的可靠性。結論是，ACF、NCF和金錫冶金連接法的接觸電阻保持穩定。這3種連接方式都具有出色的可靠性。

3 結論

采用ACF、NCF和金錫冶金連接法演示了細節距雙金屬層COF封裝。所有COF封裝都表現出穩定的倒裝芯片接頭特性，在35?μm、25?μm和20?μm節距下，凸塊和電極之間保持安全接觸。然而，在ACF接頭中，20?μm節距下，約有5%的絕緣電阻低于108?，這是由于相鄰凸塊之間的導電顆粒聚集而導致的短路。因此，ACF粘接方法只能適用于20?μm以上的節距，NCF和金錫冶金連接方法可應用于小于20?μm節距。無論連接方法如何，所有COF封裝都具有良好的附著力（＞600?gf/cm）。與單金屬層COF相比，散熱能力顯著提高。

[1]Kyoung-Lim Suk，KyosungChoo，Sung Jin Kim， Jong-Soo Kim，Kyung-WookPaik. Studies on various COF packages using ultra fine pitch two-metal layer FPCs. Microelectronics Reliability 52 （2012）：1182-1188.

[2]Chung C K，Kwon Y M，Kim I，Son H Y，Choo K S，Kim S J，et al. Theoretical prediction and experimental measurement of the degree of cure of anisotropic conductive films （ACFs） for chip-on-flex（COF）applications. J Electron Mater 2008，37（10）：1580-1590.

[3]Yim M J，Paik K W. The contact resistance and reliability of anisotropically conductive film （ACF）.IEEE Trans Adv Packag，1999，22（2）：166-173.

[4]Chan YC，Luk DY. Effects of bonding parameters on the reliability performance of anisotropic conductive adhesive interconnects for flip-chip-on-flex packages assembly II. Different bonding pressure. MicroelectronReliab 2002，42（8）：1195-1204.

[5]Watanabe I，Fujinawa T，Arifuku M，Fuji M，Gotoh Y. Recent advances of interconnection technologies using anisotropic conductive films in flat panel display applications. In： Proceedings of the international symposium and exhibition on advanced packaging materials processes，properties and interfaces，2004：11-16.

[6]Yim MJ，Hwang J，PaikKw. Anisotropic conductive films （ACFs） for ultra-fine pitch chip-on-glass （COG）applications.Int J AdhesAdhes，2007，27（1）：77-84.

Introduction to the Research of Bimetallic Layer COF Packaging Technology

Zhang Haomiao

Kunshan Ruichuangxin Electronics Co., Ltd., Jiangsu Kunshan 215301

Three kinds of interconnect bonding technologies for biF layer chip on film (COF) package are introduced, anisotropic conductive film （ACF）, nonconductive film (NCF, nonconductive film), gold tin metallurgy connection. The electrical properties, flip chip bond characteristics, peel bond strength, heat dissipation capability and reliability of the three package interconnect technologies are investigated. For the experiment, a biphenyl flexible printed circuit board (FPC) and a 35 μm, 25 μm, 20 μm pitch display driver IC (DDI, display driver IC) are prepared. All bimetallic FPC COF package samples in the experiment exhibited stable flip-chip junction morphology, stable bump contact resistance of less than 5?mΩ, good adhesion of more than 600 gf/cm, and comparison with conventional single metal layers. The FPC COF package provides greater heat dissipation. All COF package samples showed excellent reliability in high temperature and high humidity tests and thermal cycle tests. However, an electrical short is observed during the reliability test, but this only occurred in the 20 μm pitch ACF connection point. Therefore, for COF packages with a pitch of less than 20 μm, the connection method of NCF glue and gold-tin metallurgy bonding is recommended. For pitch of 25 μm or more, ACF, NCF, and gold-tin metallurgy bonding methods are applicable.

bimetallic layer, fine-grained flip-chip film; ACF material; NCF material

TN405

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