包封材料芯片黏接材料功能及作用Bump材料第3章芯片黏接材料3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用芯片黏接方法及黏接材料分類及異同點導電膠組成及作用、導電機理、分類（結構、導電方向、基體、固化條件、導電粒子）導電膠膜優(yōu)點互連焊料作用、優(yōu)點、參數(shù)、互連實現(xiàn)、焊料基本要求低溫封接玻璃及要求3.2芯片黏接材料類別和材料特性芯片黏接材料發(fā)展方向納米顆粒填充芯片黏接材料、碳系導電黏接材料3.3新技術與材料發(fā)展包封保護材料：IC封裝中，包封保護所用的材料。按封裝形式及具體工藝不同分類：（固態(tài)）環(huán)氧塑封料EMC（EpoxyMoldingCompound）或稱遞模成型材料TMC(TransferMoldingCompound);液態(tài)塑封料（LiquidMoldingCompound）或底部填充料（Underfill）、包裝材料等，包含芯片底部填充用有機材料，如非導電漿材料(Non-ConductivePaste,NCP)、非導電膜（Non-ConductiveFilm,NCF）。圖4-1塑料封裝中的包封保護用塑封料示例EMC：主要應用于IC芯片的封裝保護，是IC電路后道封裝的主要材料之一。塑料封裝中，通常用EMC對芯片有互連部位進行包封保護，而在高可靠性的金屬、陶瓷封裝中，通常采用封蓋技術將芯片與互連部位保護在特性氣氛空腔內(nèi)，在部分金屬、陶瓷封裝中也會用到EMC進行包封。Underfill是一種適用于FC芯片結構的材料，將液體EMC填充在芯片與基板之間的夾縫中，將互連部位密封保護起來。UnderfillNCP，NCF，更適合窄節(jié)距互連的環(huán)境下提供保護。目錄4.1環(huán)氧塑封料4.2底部填充料目錄4.1環(huán)氧塑封料4.1.1

環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用4.1.2環(huán)氧塑封料類別和材料特性4.1.3新技術與材料發(fā)展4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用圖4-2典型的環(huán)氧塑封料封裝形式4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用圖4-3環(huán)氧塑封料實物圖主體材料：熱固性樹脂，加熱后基于高分子聚合物化學膠聯(lián)來固化成型。環(huán)氧塑封料組成：環(huán)氧樹脂、固化劑、固化促進劑、無機填充料（硅微粉）、增韌劑、偶聯(lián)劑、著色劑等助劑。在專用設備進行混合、加熱，制造成一定形狀、尺寸的用于IC封裝的專用熱固性塑料。4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用環(huán)氧塑封料基本要求：（1）CTE低。（2）導熱性好。（3）氣密性好，化學穩(wěn)定性好，具有耐酸堿、耐高濕、耐高溫的性能，可以減少外界環(huán)境對電子元器件影響。（4）良好的機械強度，可以對芯片起到支撐和保護作用。（5）良好的加工成型特性。4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用環(huán)氧塑封料基本要求：還需具備黏度低、流動性好的特點。當引線框架和芯片預先放置在模具型腔中時，環(huán)氧塑封料通過傳遞塑封成型技術，流經(jīng)引線框架和芯片，并將集成電路芯片包裹其中，不會引起芯片與元器件內(nèi)部結構明顯變形。填充后會發(fā)生聚合反應，使制件具有較好的機械穩(wěn)定性、耐濕性和抗熱性。4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用WLP對環(huán)氧塑封料關鍵技術要求：填料粒徑小（<75mm）、翹曲小、無空洞、無流痕(Flowmark)。一般用液態(tài)有機材料（如光敏絕緣介質材料），部分公司仍使用環(huán)氧塑封料，采用模壓方式(CompressionMolding)進行封裝。4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用圖4-5

圓片級封裝流程圖環(huán)氧塑封料供應商集中在日本（Sumitomo,住友，HitachiChemical日立化成）、韓國、中國（江蘇中鵬材料股份有限公司，江蘇華海誠科新材料股份有限公司、天津凱華絕緣材料有限公司），高端主要是日本、韓國。進口環(huán)氧塑封料占據(jù)國內(nèi)大部分中高端市場。4.1.1環(huán)氧塑封料在先進封裝中的應用分類型號主要封裝范圍標準型環(huán)氧塑封料EMC－LRB中小規(guī)模、大規(guī)模集成電路EMC－LJB分立器件、中小規(guī)模集成電路高熱導型環(huán)氧塑封料EMC－LJD功率器件EMC－LQD低應力型環(huán)氧塑封料EMC－LRY大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路低線膨脹系數(shù)型環(huán)氧塑封料EMC－QRP超大規(guī)模、特大規(guī)模集成電路低鈾含量型環(huán)氧塑封料EMC－QHU存儲器類特大規(guī)模集成電路環(huán)保型環(huán)氧塑封料EMC－QRCEMC－QFG環(huán)保型器件及電路4.1.2環(huán)氧塑封料類別和材料特性表4-1國產(chǎn)環(huán)氧塑封料的分類（SJ/T11197—2013

）環(huán)氧塑封料按封裝形式分類：分立器件用、集成電路用，沒有明確界限。制造流程基本相同，壓塑封裝用不需要預成型打餅，需要控制粉碎粒徑，用戶直接使用顆粒料進行封裝。4.1.2環(huán)氧塑封料類別和材料特性圖4-6環(huán)氧塑封料的制造流程環(huán)氧塑封料工作集中在降低應力、介電常數(shù)。目前降低塑封料應力的方法：（1）添加應力改性劑，一般為硅橡膠或有機硅，可以與樹脂形成海島結構或直接與樹脂反應，形成微細均勻分散體系，從而吸收塑封料的應力，達到降低應力目的。（2）降低塑封料的CTE。主要是提高填料和使用新的樹脂體系。介電性是表征絕緣性能的重要參數(shù)，用低介電常數(shù)材料，采用低介電常數(shù)型基體樹脂（如聚雙環(huán)戊二烯環(huán)氧樹脂），或低是電常數(shù)填料，控制原材料純度至關重要。一般硅微粉填充，介電性能得到改善，細顆粒填充比粗顆粒填充體系介電常數(shù)低。4.1.2環(huán)氧塑封料類別和材料特性12inch（300mm）–18inch(450mm);Intel、Samsung及TSMC推動向18inch時代發(fā)展，工藝圖形90nm-65nm,45nm,40nm,32nm,28nm,16nm,7nm,5nm發(fā)展，將硅片改善至更高集成度、功能性和速度，同時可以滿足銅布線技術和低介電常數(shù)層介質技術的要求。進一步，對填料粒徑要求越來越高，對翹曲度要求也越來越高。4.1.3新技術與材料發(fā)展環(huán)氧塑封料發(fā)展方向：填料尺寸小，材料CTE小，與IC硅片及金屬化層結合力高、防潮能力高、環(huán)保、良好的連續(xù)成膜性能，具體要求：（1）在大的溫度、頻率范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的介電性能，能夠滿足高電壓（大于600V）的需求。（2）具有較好的成型加工性能。（3）高導熱率，國外3.0W/m·K以上。（4）低吸水率，雙85，168小時，吸水率小于0.15%.（5）高黏接力：對于鍍銀、鍍鎳鈀金框架，要提高黏接力，溫度敏感1級。（6）QFN/BGA的低翹曲度及普適性。4.1.3新技術與材料發(fā)展4.2底部填充料圖4-7倒裝芯片封裝結構中的底部填充料作用：可緩解芯片、互連材料（焊球）和基板三者的CTE不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應力，分解芯片正面承載的應力，同時保護焊球、提高芯片的抗跌落性、熱循環(huán)可靠性，在高功率器件中還能傳遞芯片間的熱量。窄節(jié)距互連，TCB（Therma-compression–bonding）。傳統(tǒng)TCB工藝逐層疊加芯片，采用毛細管底部填充工藝來填充芯征空隙，保護互連線。隨著芯片堆疊層數(shù)的增加和層間空隙的減小，傳統(tǒng)工藝需要花費更多的時間來填充處理，且增加封裝無缺陷疊層結構難度，導致生產(chǎn)效率降低和可靠性問題。4.2底部填充料隨著封裝制程及新材料進步，新一代材料被開發(fā)出來，NCP(Non-ConductivePaste),NCF(Non-ConductiveFilm),回流固化ReflowCuringNCP/NCF可以發(fā)揮IC中大容量、窄節(jié)距銅柱工藝先進性。縮短固化時間，增強封裝可靠性，實現(xiàn)更大I/O數(shù)量，更窄節(jié)距。4.2底部填充料4.2底部填充料圖4-8以NCP為一級互連材料的倒裝芯片封裝示意圖4.2底部填充料4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用4.2.2底部填充料類別和材料特性4.2.3新技術與材料發(fā)展4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用根據(jù)使用環(huán)境差異，分為一級封裝底部填充料和二級封裝底部填充料。一級封裝，芯片到芯片載體/基板之間封裝，相關的有FC,TSV芯片及TSV中介層封裝。主要發(fā)展方向，底部填充料與焊球電氣互連的封裝工藝和器件可靠性的兼容性；底部填充料對芯片、基板、TSV芯片、TSV中介轉接層的黏接強度要求。二級封裝，WLCSP，疊層封裝，采用底部填充膠。黏度，高溫穩(wěn)定性是關鍵。毛細作用是必要因素。4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用倒裝芯片底部填充膠起到將連接焊點密封保護起來的作用。底部填充料是影響倒裝芯片組裝質量的關鍵因素之一。當芯片承受熱沖擊或機械沖擊時，焊球和黏接劑之間的牢固黏接可以平均分散整個芯片的應力，并降低芯片、基板、焊球之間熱膨脹系數(shù)差異造成的負面影響，以保持焊點的可靠性。填充料黏度和高溫穩(wěn)定性是相當關鍵的。毛細作用是完成整個封裝的必要因素。4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用材料CTE/(ppm/℃)倒裝芯片中的應用硅2.5芯片或硅基板FR-4基板16有機基板氧化鋁6.9陶瓷基板焊料18～22互連聚酰亞胺45柔性有機基板環(huán)氧樹脂55～75底部填充料中的樹脂二氧化硅0.5底部填充料中的填料表4-2倒裝芯片結構中主要材料的CTE值4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用底部填充料使整個系統(tǒng)的CTE介于芯片與基板CTE之間，強化焊接連接強度，降低連接點疲勞應力，從而增加壽命。還起到保護器件免受外部環(huán)境帶來的潮濕、離子污染、輻射、機械損傷等的影響，提高芯片整體可靠性。底部填充料供應商：日立化成（HitachiChemical），納美仕（Namics），信越化工（ShinEtsu），陶氏化學（DowChemical），洛德（Lord）等公司。選擇取決于應用，如芯片尺寸、鈍化材料、基板材料、焊料類型和封裝體在實際應用中所處的環(huán)境等。4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用新型高密度封裝結構出現(xiàn)，導致毛細管底部填充料+回流向NCP/NCF材料+熱壓工藝轉變圖4-9CUF工藝與圓片級NCF工藝對比4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用NCP供應商：漢高（Henkel），納美仕（Namics），長瀨產(chǎn)業(yè)株式會社（Nagase），日立化成（HitachiChemical），松下（Panasonic）。NCF供應商：漢高（Henkel），日立化成（HitachiChemical），日本電工（NittoDenko），納美仕（Namics），住友（Sumitomo）。4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用圖4-10Amkor研究的TC－NCP應用在SamsungGalaxy智能手機中PoP微處理器截面圖C2芯片節(jié)距縮小至10mm4.2.1

底部填充料在先進封裝中的應用圖4-11Hynix（海力士）生產(chǎn)的AMD圖形處理器單元截面圖NCF-TCB依次將DRAM堆疊，每個芯片底部填充料凝膠化、焊料熔化、底部填充料固化、焊料固化需要10s，海力士提出新的集成方法，由40s縮短到14s4.2.2

底部填充料類別和材料特性組成：以環(huán)氧樹脂為主，添加球形硅粉，以及固化劑、促進劑、表面處理劑等。特性：低CTE，高Tg，高模量，低離子含量，低吸濕量，低介電常數(shù)，良好的助焊劑兼容性，良好的熱導率。4.2.2

底部填充料類別和材料特性圖4-12底部填充料的分類4.2.2

底部填充料類別和材料特性圖4-13組裝后底部填充技術在應用于窄節(jié)距互連時易產(chǎn)生孔洞4.2.2

底部填充料類別和材料特性預成型底部填充技術PreassemblyUnderfill，指底部填充料在芯片互連之前就被施加在芯片或基板上，在后續(xù)的回流和熱壓鍵合過程中，芯片凸點互連與底部填充固化的工藝同時完成。包括：非流動底部填充料（No-flowUnderfillNUF）、圓片級底部填充料（WLUF）、NCP、NCF。NUF中No-flow過程是將封裝材料及助焊劑等在焊料回流時同時進行焊球的互連過程。NCP/NCF是一種非導電材料（膜），是利用倒裝鍵合的熱壓方式將焊球互連及封裝材料固化同步完成。4.2.2

底部填充料類別和材料特性1）CapillaryUnderfill圖4-14毛細管底部填充的工藝流程首先將一層助焊劑涂在帶有凸點焊盤的基板上；然后將芯片焊料凸點對準基板焊盤；加熱進行焊料回流，使凸點互聯(lián)；接著通過溶劑噴霧等方式進行助焊劑清洗；沿芯片邊緣注入底部填充料，底部填充料借助毛細作用會被吸入芯片和基板的空隙；最后加熱固化。4.2.2

底部填充料類別和材料特性1）CapillaryUnderfill流動速度是影響底部填充工藝生產(chǎn)效率的主要因素之一，降低黏度至關重要。因空隙越來越小，采用大尺寸填充料易造成堵孔、產(chǎn)生氣泡，要求更換使用更小尺寸填充料進行填充。生產(chǎn)效率，采用絲網(wǎng)印刷方式進行提高。4.2.2

底部填充料類別和材料特性1）CapillaryUnderfill圖4-15采用絲網(wǎng)印刷方式進行底部填充過程熱板約120

oC，底部填充料在毛細作用下流向芯片、焊球、基板之間，最終完成填充。網(wǎng)版開口干膜開口4.2.2

底部填充料類別和材料特性2）塑封底部填充料是環(huán)氧塑封料的一種變形，由Cookson

Electronics在2000年提出，后來德克斯工業(yè)(Dexter)，Intel，Amkor，星科金朋(STATS)和意法半導體（STMicroElectronics）報道過相關技術。常規(guī)倒裝芯片塑封，毛細管底部填充工藝兩步法：先使用毛細流動型填充工藝，使用底部填充料填充芯片和基板之間的空隙；加熱固化以后，再使用標準塑封化合物器件整體密封，起到保護封裝體作用。塑封底部填充工藝將底部填充與器件塑封兩個步驟統(tǒng)一。塑封同時，底部填充料進入芯片和基板空隙中，隨后一起固化、密封。更簡單、更快速。4.2.2

底部填充料類別和材料特性2）塑封底部填充料圖4-16毛細管底部填充（CUF,CapillaryUnderfill）工藝與塑封底部填充（MUF,MoldedUnderfill）工藝對比4.2.2

底部填充料類別和材料特性2）塑封底部填充料傳統(tǒng)底部填充料中，SiO2質量含量50%~70%，塑封底部填充，SiO2質量含量達80%，要求SiO2尺寸更小。4.2.2

底部填充料類別和材料特性2）塑封底部填充料塑封底部填充工藝面臨的挑戰(zhàn)：（1）芯片和基板之間的塑封底部填充料的流動通常由真空輔助。（2）環(huán)氧塑封料的SiO2填料尺寸必須非常小才能滿足流動性。（3）塑封底部填充料的環(huán)氧塑封料成本遠遠高于封裝成型的成本。（4）環(huán)氧塑封料、芯片和基板之間的CTE不匹配，容易造成翹曲。（5）成型溫度受到焊球熔點的限制。（6）焊球高度和節(jié)距不能太小。4.2.2

底部填充料類別和材料特性3）非流動底部填充料圖4-17非流動底部填充工藝的工藝流程4.2.2

底部填充料類別和材料特性3）非流動底部填充料具備毛細管底部填充料的性能，還需具備助焊功能。早期非流動底部填充料中不含或只含很少的SiO2填料，具有較高的CTE，降低封裝可靠性。難點：SiO2填料容易被限制在焊球之間，造成焊球連接失效。改進：在加熱過程中施加壓力、采用雙層非流動底部填充工藝。非流動底部填充工藝大大簡化了倒裝芯片底部填充料工藝過程。4.2.2

底部填充料類別和材料特性4）圓片級底部填充料圓片級封裝指以整片晶圓為封裝結構單元，封裝之后進行單個組件切割，大大提高封裝效率。出現(xiàn)圓片級底部填充料，可靠性高、生產(chǎn)成本低，能夠與SMT工藝兼容。4.2.2

底部填充料類別和材料特性4）圓片級底部填充料圖4-18圓片級底部填充工藝的工藝流程4.2.2

底部填充料類別和材料特性4）圓片級底部填充料去除了助焊劑及其后續(xù)清除過程，焊料回流過程中周圍底部填充料可以有效地保護焊球，防止焊球開裂、失效和機械破損，底部填充料的固化和焊球接點的形成同時進行。有效提高生產(chǎn)效率。符合焊料凸瞇的窄節(jié)距、小直徑、高度降低及芯片厚度變薄的發(fā)展方向，可用于2.5D封裝中，得到廣泛應用。進一步加強了芯片制造廠、封裝企業(yè)及材料供應商之間的配合。4.2.2

底部填充料類別和材料特性5）非導電漿料（NCP）直接通過熱壓方式使凸點和焊盤直接接觸實現(xiàn)互連，省去助焊劑相關工序。NCP起形成機械連接并保持凸點和焊盤的接觸壓力的作用。圖4-19使用NCP進行熱壓鍵合的組裝過程4.2.2

底部填充料類別和材料特性5）非導電漿料（NCP）與普通底部填充料相比，NCP具有黏度高、快速固化、極短時間膠化特性。性能R2323iHX-6B-5G3FFR3007-6R9020UFR217CUF低應力CUF好流動性輔助CUF可行NCP應用OSP填充量wt%50506062Tg（DMA）℃120100134140熱膨脹系數(shù)（CTE）ppm/℃37362727彎曲模量GPa6.07.07.38.0黏度mPa·s70001000150090000膠化時間s550@160℃420@150℃120@150℃2@170℃

4@270℃固化時間min90@160℃60@150℃30@150℃60@150℃表4-3CUF與NCP材料特性表4.2.2

底部填充料類別和材料特性5）非導電漿料（NCP）NCP研究方向：減少孔洞、確保互連效果，可從降低最小黏度、提高去氧化活性、控制固化速度著手。優(yōu)良的導熱性、較長工作壽命受到關注。4.2.2

底部填充料類別和材料特性6）非導電膜（NCF）NCF材質柔軟，可以夾在PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）之類的塑料薄膜中作為卷材使用。可用在WLP中。圓片級NCF的材料為改性環(huán)氧樹脂，在80~95oC下具有高流動性，在該溫度下可實現(xiàn)無孔洞層壓。NCF缺點是：黏合速度比NCP慢，對于不同凸點高度的芯片沒有靈活性，只能考慮配以不同厚度的膜。NCF優(yōu)點：成本低、操作方便、片間間距小，可以采用無孔熱軋復合機在凸點圖形的晶圓活性側進行鍵合。4.2.2

底部填充料類別和材料特性6）非導電膜（NCF）圖4-20使用NCF的倒裝鍵合過程4.2.2

底部填充料類別和材料特性6）非導電膜（NCF）圓片級NCF特性：與晶圓正面具有良好的黏著力和良好的機械性能，以防止NCF在切割過程是被損壞，熱壓焊時NCF基體可以快速軟化、流動和潤濕。NCF導電性和載流能力有限，在高溫/高濕度和熱循環(huán)下的可靠性需進一步提高。在高電流密度環(huán)境下需要滿足接觸點的低接觸電阻、高載流能力和高可靠性要求。使用問題：孔洞和晶圓減薄和劃片進所產(chǎn)生的晶圓或芯片裂紋，以及NCF分層。4.2.2

底部填充料類別和材料特性6）非導電膜（NCF）需求解決方法晶圓層壓能力在