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1 微电子封装技术的发展趋势
目前微电子封装技术的发展呈现以下两大趋势：
（1）半导体器件的集成度、I/O数、功率、工作主频、运算速度飞速增长，以及电子产品外型向小型化和薄型化的方向发展，使得具有易散热、高密度、寄生影响小、兼具电/热/机械联结等优良特性的倒装芯片将成为今后的主流封装技术[1]；
（2）铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位，然而，铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性，铅通过污染水资源进而威胁人类健康，人体吸收过量的铅会引起铅中毒，长期广泛地使用含铅焊料会给人类的生存环境和安全造成不可忽视的危险。近年来，在欧美各国，铅对地下水的污染问题日益突出，其主要原因就是废弃电子产品中的焊接材料Sn－Pb合金中的铅溶出造成的，因此，电子工业呼吁采用绿色电子材料，电子产品必须要向无铅化转变，各国纷纷出台有关禁止含铅焊料在电子产业中使用的法令[2]。
2 实现绿色封装主要的途径
实现绿色封装主要有两个途径[3－4]，一是采用新型的低熔点的无铅合金来代替传统的铅锡合金，而基本不改变现有的生产过程。目前在这个领域已经取得一定的成功。然而，无铅焊料依然存在技术上的缺陷，例如，相对成本高或者该金属太稀有，对有些金属和合金来说还需要相对较高的焊接温度。另外，和锡铅焊比较，无铅焊料也很容易因为温度循环产生的焊接热流和疲劳裂纹而导致接头脆性失效；另一个方面则是采用导电胶互连技术取代合金互连技术。导电胶可分为各向同性导电胶（ICA，isotropic conductiveadhesive）和各向异性导电胶（ACA，anisotropicconductive adhesive）。
各向异性导电胶（ACA）与传统锡铅焊料相比具有很多优点[5-6]。首先，适合于超细间距，可低至50μm，比焊料互连间距提高至少一个数量级，有利于封装进一步微型化；其次，ACA具有较低的固化温度，与焊料互连相比大大减小了互连过程中的热应力和应力开裂失效问题，因而特别适合于热敏感元器件的互连和非可焊性表面的互连；第三，ACA的互连工艺过程非常简单，具有较少的工艺步骤，因而提高了生产效率并降低了生产成本；第四，ACA具有较高的柔性和更好的热膨胀系数匹配，改善了互连点的环境适应性，减少失效；第，节约封装的工序；第六，ACA属于绿色电子封装材料，不含铅以及其他有毒金属。由于上述的一系列优异性能，使得细间距而ACA技术迅速在以倒装芯片互连的IC封装中得以广泛地应用。特别是许多电子长期用液晶显示屏作为人机信息交换的界面，如个人数字助理（PDA）、全球定位系统（GPS）、移动电话、游戏机、笔记本电脑等产品，其内部的IC连接大部分都是通过ACA或者ACF（ACF，anisotropic conductiveadhesive film，各向异性导电膜，ACA的一种形式）互连的，即COG（Chip-on-Glass）和COF（Chip-on-Flex）两种互连技术。
3 ACF互连器件的粘接原理
随着电子工业的迅猛发展，电子产品市场对液晶显示屏（LCD，Liquid Crystal Display）的薄型化、微型化和轻质量提出了更高的要求。因此，COG技术成为目前LCD中最流行、最有效的互连技术之一。在一块采用COG技术的LCD中，IC器件被直接贴装在作为LCD组成部分的同一玻璃基片上，从而满足驱动LCD的需要。COG技术能否成功实现的关键在于使用各向异性导电胶膜ACF。COG器件的粘接原理和导电粒子在粘接过程中的变形机理如图1所示[7-8]。
ACF是在聚合物基体（如环氧基的胶）中掺入一定量（一般为3%-15%，体积百分比）的导电粒子而形成的薄膜。导电粒子一般为在表面镀有Ni/Au涂层的球形树脂微颗粒（一般情况下，外面还会有一层绝缘薄膜）。在粘接前的各向异性导电胶中其导电粒子一般呈近似均匀分布，互不接触，加之有一层绝缘膜，所以ACF膜本身是不导电的。未使用的各向异性导电膜一般都有上下两层保护膜，在粘接过程中先后将其保护膜揭掉。通常情况下，ACF的粘接过程包括预粘接和粘接两道工艺 。当对ACF膜加压、加热后，它会变软化（呈胶体状态），导电粒子可以流动并均匀分布，使得每条线路有一定数量的导电粒子，保证稳定的电阻值，它主要由粘接温度和固化时间来确定。在粘接压力的作用下，导电粒子绝缘膜破裂，圆片上的凸点和与之对应的玻璃基板上的ITO电路之间夹着多个受压变形的导电粒子，由这些变形的导电粒子实现上、下凸点之间的电互连，其他区域的粒子互不接触，并且密度分布很小，不足以在横向形成导电通路。因此，实现了各向异性互连。圆片与基板整体被ACF的高分子聚合物（树脂）固化，实现了电子封装的机械支撑和散热。
4 影响ACF互连器件可靠性的因素
可靠性是电子工业极其关注的问题之一。一般来说，ACF互连器件的可靠性都是通过器件的接触电阻和粘接强度两个指标来衡量的。下面将讨论影响ACF互连器件可靠性的各种因素，包括粘接工艺参数、外界环境的干扰、各向异性导电胶膜的物理特性等几方面。
4.1 粘接工艺参数
大量研究表明[9-23]，适当的粘接温度、粘接压力、粘接升温速度、降温条件以及固化环境和固化时间对于形成良好的机械强度以及电接触至关重要。另外，芯片凸台与基板的金属底盘或者ITO电路的对准度、芯片凸点和基板焊区的平整度和刚度等粘接工艺参数或材料特征也都对ACF互连器件的可靠性有很大影响。
首先，粘接温度对ACF互连器件的可靠性有很大影响。由于吸附是胶粘合强度的一个主要机制，要获得最好的吸附效果，必须保证ACF与芯片以及基板之间有密切的分子接触，以形成范德华力、氢键以及其他的分子间近距用力。因此，ACF对芯片以及基板的润湿是获得较好吸附的关键。而粘接温度的提高降低了ACF的表面能，促进了ACF的润湿和流动，因此对吸附非常有利，从而提高了互连的结合强度。Chan等人[9]研究了不同的粘接温度条件下，芯片与柔性基板的ACF互连可靠性，采用的粘结剂为商用热固型各向异性导电胶膜（ACF）。实验的粘接温度分别为：160℃、180℃、200℃、220℃、240℃，固化时间都是10s。由于ACF的固化程度是互连评价可靠性的一个重要物理量，而且其固化程度与粘接温度是密切相关的。所以，他们对不同粘接温度情况下的ACF固化程度作了详细的研究，并发现：各向异性导电胶膜在低于160℃时只有26%被固化，胶体中只有线型纤维形成，而没有形成网状纤维，因而粘接强度较低。在180℃和200℃时，ACF的固化程度分别为74%和83%，而且在胶体中有网状纤维形成；然而，在粘接温度高于200℃时，虽然ACF的固化度达90%以上，但会使聚合物的物理特性发生退化，而且会增加聚合物中的气泡与裂纹等缺陷，严重影响ACA连接的机械稳定性。因此，粘接温度太低，聚合物的固化程度不足，交联反应不充分；温度太高则固化速度过快，使的聚合物不能充分流动以及导电颗粒没有足够的时间分布于凸点和底盘之间而无法形成良好的电连接。Chen等人[10]研究了粘接问题对TAB试件（ACF互连）可靠性的影响。他们发现：在粘接温度为160℃-190℃的范围内，TAB试件的接触电阻并没有明显变化。而且，他们认为，接触电阻没有变化是由于导电粒子变形程度并没有因为粘接温度的变化而变化，粘接温度的升高主要提高各向异性导电胶膜的固化程度，而对它接触电阻的影响不大。同时，试件的剥离强度随粘接温度的增加而增加。这是因为粘接温度升高使聚合物胶体的流动性增加，它的固化程度也随粘接温度的升高而提高，而且界面的侵润程度也会提高，所以在此温度范围内粘接强度随着温度的增加而增加。Yin等人[11]在更宽的粘接温度范围内，研究了粘接温度对TAB试件（ACF互连）可靠性的影响。他们发现：当粘接温度低于140℃和高于220℃时，器件的接触电阻会明显增加。这是因为，当粘接温度过低时，ACF没有充分地固化，所以在粘接过程结束后，ACF拉伸力（因为粘接压力撤走后，压缩变形的粒子受到拉伸力的作用）不是足够大，从而导致导电粒子的变形（弹性部分）出现回弹现象；当粘接温度过高时，ACF固化速度过快，使的导电粒子没有足够时间获得最佳变形范围，而且粒子在芯片凸台与基板底盘之间分布不均匀。所以，这两种情况均会导致器件的接触电阻增加。Liu等人[12]也分别采用DSC（Differntial scanning calorimeter）和90°剥离的方法系统地研究了ACF的固化状态（固化温度）对器件粘接强度和接触电阻的影响。他们进一步验证了ACF互连器件的粘接强度并不随粘接温度的升高而一直增加，即当粘接温度达到一定程度后，如果继续升高粘接温度，其粘接强度反而会降低；同时，接触电阻很大程度上决定于ACF的固化程度，但与粘接温度的关系不大。
其次，粘接压力对ACF互连器件的可靠性有很大影响，足够的粘接压力可以使导电颗粒与凸点或者金属盘面充分接触，得到足够大的接触面积，降低接触电阻。Chan等人[16]研究了不同的粘接压力条件下，芯片与柔性基板的ACF互连可靠性。采用的粘结剂为商用热固型各向异性导电胶膜（ACF）。实验的粘接压力分别为：70N/bump、80N/bump、90N/bump、100N/bump、110N/bump、120N/bump和130N/bump。实验证明：各向异性导电胶膜在粘接时，随着粘接压力的增加，接触电阻会迅速下降，然后渐渐趋于平稳，当压力超过90N/bump时，接触电阻开始增加。这是因为导电粒子与芯片凸点和焊区的接触面积随着压力增加而增加，接触电阻就会减少；但是，压力继续增大时，导电粒子的导电层就会被压破，甚至整个导电粒子被压碎，从而导致接触电阻增加。结果表明粘接压力应该在70N/bump-90N/bump为佳。Chen等人[10]也研究了粘接压力对TAB试件（ACF互连）可靠性的影响。他们发现：粘接压力的改变对ACF互连的可靠性影响很大。平均接触电阻随粘接压力的增加而减小；剥离强度随粘接压力的加大而下降。粘接压力增加会使各向异性导电胶膜的胶体过多地被挤压出去，使粘接胶体变薄，最终导致粘接强度下降。同时，如果粘接压力过大，不但会影响互连器件的接触电阻，而且在其释放后会产生过多的残余应力，降低互连器件冷却疲劳寿命。Wu等人[6，15]对此作了更进一步的研究。他们对COG和COF器件进行了冲击载荷试验，并发现：无论是COG还是COF，随粘接压力的增加，载荷都没有多大的变化，表明粘接压力对ACF互连的结合强度没有多大影响。这是因为压力主要通过影响胶层的厚度来影响结合强度，而ACF本身的厚度只有20μm-40μm，其在压力作用下的变薄可以忽略，因而压力对结合强度的影响并不明显。但是，对于ACF的倒装芯片互连，必须提供适当的压力，以获得足够的互连结合强度和稳定的导电性能。但是，如果压力太大会造成导电粒子的严重变形或开裂，影响互连接触电阻。这样就会在粘接压力撤除、固化结束后，粒子的周围留下较大的残余机械应力，可能会导致聚合物和粒子接触处形成裂纹和发生界面分离。另外，压力太大也可能导致凸点发生严重变形和表面发生破坏，使得凸点与凸点之间的间隙变小，进而使得相邻凸点之间出现"桥连"。
Chen等人[10]对ACF互连器件的粘接升温速度作了一些研究。他们通过改变Teflon膜的厚度来调整升温速度。实验发现，随着Teflon膜厚度的增加接触电阻值有所增大，Teflon膜厚度的变化，虽然能起到施力均匀的作用，但它对粘结时的升温速度影响很大，粘结时的Teflon膜厚度增加而引起的升温速度降低，同时也影响了粘结时导电粒子的分布情况和变形程度，从而导致了ACF的接触电阻的变化，同时，由于Teflon膜厚度的变化引起粘结升温速度的改变，而总的粘结时间不变，升温速度的增加必然引起固化时间的减小。粘结强度随升温速度降低而降低，升温速度不仅改变了ACF胶体橡胶态的转化速度而且也改变了它的粘结固化程度，最终引起了粘结强度的变化。
对于ACF互联器件的可靠性来说，粘结的后处理工艺也是十分重要的一个方面，Chen等人[1O]将采用同样的粘结工艺制作出来的一批试样，立即采用不同的温度环境（包含25℃，120℃，－10℃）进行后处理，发现在高温箱中停留30min试件的接触电阻要稍高，这是因为ACF在粘结时由于热压产生的残余应力，在高温环境中得到释放，导致电子的回弹程度大，导致接触电阻的升高，同样在高温箱停留30min的试件粘结强度也高于其他冷却情况，由此可见，粘结时的残余应力对其可靠性的影响很大，ACF互连的器件在粘结后应该有一个较高温度的后处理环境来消除粘接残余应力的过程，以提高产品的粘结可靠性。
另外，Lai 和Liu[20]在提出由于电路的金属凸台和基板焊区的平整度不均匀，各向异性导电胶的膜粘接后，它会直接或间接地影响电子元件接触电阻的大小和导电粒子的均匀程度，在电子显微镜下观察，电路的金属凸台和基板焊区表面相对粒子大小来说是凹凸不平的，它会影响到它的接触电阻。如果粘接时芯片相对基板倾斜，会导致一边导电粒子被压碎而另一边导电粒子还没有与焊区接触，或者出现芯片与基板焊区错位，都会造成导电粒子与电路的金属凸点和基板焊区接触不良。所以应尽量保证金属凸点和基板焊区的表面光洁度和平整度，及导电离子均匀变形程度。因此，芯片凸点与相应基板上凸点之间的错位会导致接触面积下降、接触电阻增大和连接结合强度下下降等问题[21－22]。
最后，基板的刚度对ACF互联器件的可靠性也有很大的影响，Liu[23]等人指出FR－4基板中的环氧树脂在粘接过程中会软化，这将直接影响ACF互联的质量。通常，环氧树脂材料的玻璃转化温度约为125℃，由于ACF互联工艺要求较高的粘接压力和粘接温度（180℃），因此，粘接过程很难避免环氧树脂的软化，使得基板发生变形，从而导致不理想的ACF连接，对于FR－4基板，ACF互连的导电性能和可靠性与凸点到玻璃纤维（在基板内部）的距离（下面简称凸玻距离）有很大的关系，由于软质的环氧树脂厚基板在粘接过程中会发生变形，所以凸玻距离较大，从而导致粘接过程中导电粒子不能充分变形，使得接触电阻增大。相反，如果采用刚度较大或者厚度较小的基板，就可以减小凸玻距离，从而导电粒子在粘接过程中就能得到足够的压缩变形和较好的连接可靠性。Liu等人为了进一步验证凸玻距离与接触电阻的关系，他们采用对具有不同凸玻距离的试样进行了热循环测试实验，然后对试样的剖面进行扫描电子显微观察，并发现基板刚度越大，凸玻距离越小，接触电阻越小；经过热循环实验后的接触电阻变化也越小。
4.2 环境干扰
由于外界环境的干扰，ACF互连器件的接触电阻不稳定和粘结强度下降是影响ACA互连可靠性并引起广泛关注的可靠性问题之一。研究表明，热循环载荷、热冲击、高温高湿等环境以及外来冲击载荷均会影响ACF互连器件的可靠性。与焊料凸点的倒装芯片技术不同，ACF互连中上下凸点间仅仅是机械接触导电，没有较强的金属连接，应力也大部分集中在凸点与底部金属盘的界面上。一旦环境温度和外界条件发生变化，就会使接触电阻发生漂移，出现电接触问题，影响接头的电学性能。
所有聚合物材料曝置在高温下，都有不同的降解，力学性能会降低。热固性胶粘剂没有固定的熔点，高温下使用的关键问题是热氧化及高温分解引起的强度降低。此外，热冲击也是导致ACA互连失效的重要原因。ACF互连而成的电子器件可以视为一种复合结构，当外界温度发生变化时，由于器件的各组件（如ACF、玻璃基板、FR4基板、PI柔性基板、载带；芯片凸点类型有电镀凸点、蒸镀凸点、化学镀凸点以及复合凸点等）的热膨胀系数不匹配，从而导致热应力的作用。在热冲击载荷作用下会在ACA与IC界面或ACA与基板界面上形成裂纹，导致ACA互连失效。特别是在高低温交变的热循环载荷作用下，各组件不断地膨胀和收缩，更容易导致ACF连接发生疲劳失效。因此，很多学者研究了温度循环载荷对ACF互连器件可靠性的影响[24，25]。
其中，高温高湿环境对ACF互连器件的接触电阻和粘接强度均有重要影响[26]。在高温高湿环境下，互连金属的氧化，电化学腐蚀以及聚合物吸潮导致接触电阻增加，由此引发ACA互连的可靠性问题。金属氧化一般发生在不同湿度的有氧环境下，特别是高温时更容易氧化。但是由于树脂固化后将连接点与有氧环境隔离，在高温下金属氧化导致的接触电阻增大并不非常明显。当两种金属的电化学势不同以及聚合物吸潮较大时，会在金属对之间形成原电池，从而会在金属表面形成一层氧化物。在高热湿条件下，这种过程更明显，导致接触电阻增加。另一方面，大多数聚合物在湿度较大的情况下都容易吸潮，聚合物吸潮后膨胀会迫使基板和芯片间的距离增大，导致凸点间的接触面积增加和接触压力减小，最终使得接触电阻发生变化。另外，由于聚合物吸湿发生膨胀，而其他元件（如芯片、玻璃基板等）的吸湿量相对来说非常小。所以，在各元件的连接界面处会产生类似热应力的湿胀应力，使界面很容易产生界面裂纹，从而降低了元件的粘接强度，加速了ACF互连界面的分层失效现象。目前已有部分学者研究了高温高湿环境对ACF互连器件可靠性的影响[27－29]。Wang[30]综述了目前COG技术在液晶显示产品中的应用和发展情况，并强调了今后可靠性研究的主要任务。他指出界面开裂和ITO电路的腐蚀问题是工业界面临的两大困难。Wu[31]等人研究了采用ACF互连技术的COG器件在不同的高温高湿老化环境下的可靠性。结果表明，在靠近芯片凸台附近存在的孔隙在高的老化温度环境会导致应力集中；没有完全固化的ACF比完全固化的ACF会从环境中吸收更多的湿气，从而导致ACF互连更快的失效。
4.3 各向异性导电胶的物理特性
各向异性导电胶的物理特性COG器件的可靠性也有很大影响。这里要讨论的物理特性主要是指各向异性导电胶膜中的胶体弹性模量、导电粒子含量、以及导电颗粒直径的波动。
一般来说，导电粒子在ACF中占3％－15％的体积比例。粒子的直径一般为3μm－5μm，它的详细结构以及粘接过程的变形机理如图1所示。由于导电粒子的存在，ACF的电学、热学以及机械性能均被改变了。Yim等人[32]通过增加ACF中的导电粒子的方法，研究了粘接后电子器件的接触电子的变化情况。他们发现，随着导电粒子的增加，器件的接触电阻逐渐减小并逐渐趋于稳定，这是因为当导电粒子增加后，在凸台与底盘之间出现了更多的导电路径，所以刚开始随着导电粒子的增加接触电阻会减小；但是，如果继续增加导电粒子的含量，则接触电子出现稳定趋势，这是因为在粘接压力一定的情况下，粒子数量越多，粒子的变形就越小，从而粒子与凸台或者底盘的接触面就越小。后来，Paik等人[33]通过往ACF中加入非导电粒子的方法，研究粒子含量对各向异性导电胶中的热机性能、流动性能以及ACF互连器件可靠性的影响。首先，制备出处粒子含量分别为10％、30％和50％等三种各向异性导电胶。然后，采用多种实验手段测定不同种的胶体的物理性能。同时，利用这三种各向异性导电胶来制作试样（芯片粘接到树脂基板上），并进行热循环、湿热老化等可靠性试验。结果表明，非导电粒子的含量是控制各向异性导电胶材料的基本性能参数的关键因素。随着粒子数的增加，各向异性导电胶膜的玻璃化转化温度和导电胶的储能模量均会增大；固化开始温度会升高；在低于玻璃转化温度（Tg）时，热膨胀系数会减小。但是在高于玻璃转化温度（Tg）时，粒子数量的增加对热膨胀系数影响不大。与此同时，可靠性试验也表明，在热循环和高温高湿试验中，随粒子数量的增加接触电阻增加的速度减小。也就是说，各向异性导电胶膜中的非导电粒子数增加，器件的可靠性更好。
其次，各向异性导电胶膜弹性模量对ACF互连器件的可靠性有很大影响。由于导电粒子只起到导电和部分支撑的作用，而连接情况的好坏完全集中在胶体上，导电胶的弹性模量越低，芯片和基板由于热膨胀系数的不匹配产生的剪应力越小，但各向异性导电胶膜的弹性模量太小会引起导电胶的玻璃化转化温度（Tg）降低，而且也会引起导电胶强度的下降，所以各向异性导电胶膜的弹性模量也是评价电子器件可靠性的一项重要参数。
另外，导电颗粒直径的波动对互连电性能有较大影响[34]。一般情况下，导电粒子的直径都是在一定误差范围内波动的。在粘接的过程中，直径较大的粒子先发生变形。当变形到一定程度后，直径较小的粒子才开始变形。当粘接结束后，原来直径较大的粒子就变形较大，它与芯片凸台或者基板底盘的接触面积也就自然较大，导电性能就越好。相反，原则直径较小的粒子的导电性能就较差。因此，接触电阻还与颗粒直径分布和接触面的焊合程度有关。
5 结束语
大量研究表明，对于各向异性导电胶来说，合适的粘接温度、粘接压力、粘接升温速度、降温条件以及固化环境和固化时间是至关重要的；其次，芯片凸台与基板的金属底盘或者ITO电路的对准度、芯片凸点和基板焊区的平整度和刚度等粘接工艺参数或材料特征对ACF互连器件的可靠性均有很大影响；热循环载荷、热冲击、高温高湿等环境以及外来冲击载荷也会影响ACF互连器件的可靠性。此外，各向异性导电胶的物理特性对COG器件的可靠性也有很大影响。
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