细节距双金属层COF封装技术研究介绍

张浩苗



细节距双金属层COF封装技术研究介绍

张浩苗

昆山瑞创芯电子有限公司，江苏 昆山 215301

介绍了双金属层细节距覆晶薄膜（COF，chip on film）封装的3种互连键合技术：各向异性导电胶（ACF, anisotropic conductive film），非导电胶（NCF, nonconductive film），金锡冶金连接。研究了这3种封装互连技术的电学性能、倒装芯片结合点特性、剥离黏结强度、散热能力和可靠性。为了实验，准备了双金属层柔性印刷电路板（FPC，flexible printed circuit）和35 mΩ，25 mΩ，20 mΩ节距的显示驱动芯片（DDI，display driver IC）。实验中所有的双金属层FPC COF封装样品都表现出稳定的倒装结点形态、低于5 mΩ的稳定的凸块接触电阻、高于600 gf/cm的良好黏结力、比传统单金属层FPC COF封装更强的散热能力。所有COF封装样品都在高温高湿试验和热循环试验中表现出了优秀的可靠性。但是在可靠性试验过程中观察到了电性短路，不过这只发生在20 mΩ节距的ACF连接点中。因此，对于小于20 mΩ节距的COF封装，推荐NCF胶和金锡冶金键合的连接方式；对于25 mΩ节距以上的，则ACF、NCF、金锡冶金键合连接方式都适用。

双金属层细节距覆晶薄膜；ACF材料；NCF材料

引言

细节距双金属层 COF封装的关键技术，一是生产双金属层细节距FPCs；二是在倒装芯片键合过程中，实现芯片与基材之间的良好对准。在这个研究中，用ACF、NCF和金锡共晶3种键合方法论证了具有双金属层的细节距 COF 封装，并从装配可制造性、电学性能、剥离黏结强度、散热性和可靠性角度进行了研究。

1 实验

1.1 测试样本

准备了细节距DDI芯片、双金属层FPC、ACF胶和NCF胶。双金属层FPC有双面铜电极，它们之间有过孔相互连接还包括与DDI芯片相匹配的各种垫盘。采用36 μm厚的NCF和35 μm厚的ACF作为连接胶粘剂。ACF导电颗粒直径为3.5 μm且涂有绝缘层。

1.2 ACF和NCF材料的特性

胶粘剂的特性对于确定最佳键合温度和时间以及深入了解封装可靠性都是很重要的。采用从 30～250℃的差动扫描热量计（DSC，Perkin Elmer DSC 7）测量了固化行为，加热速率为10 ℃/min，用热力学分析仪（TMA，精工EXSTAR 6000）测量了热工性能。热膨胀系数（CTEs）是根据固化胶粘剂的尺寸变化计算的，温度变化从30～250℃，加热速率为5 ℃/min，在100 mN单轴拉伸载荷作用下。通过测量在0.02 Hz的100 mN正弦力作用下胶粘剂的储能模量和损失切线（tanδ），利用动态力学分析仪（DMA）得到了模量和玻璃转变温度（Tg），温度变化从30～250℃，加热速率为5 ℃/min。

1.3 采用各种连接方法演示细间距双金属层COF封装

采用ACF和NCF胶粘剂和金锡冶金连接三种连接方法。ACF黏结是使用覆晶热压机台进行的。在ACF粘接过程中，聚合物树脂流动并随后固化，而导电颗粒则在芯片凸块和FPC电极之间被捕获。NCF粘接与ACF粘接过程相似，只是胶粘剂树脂中没有导电颗粒。考虑到ACF和NCF的固化特性，对粘接参数进行了优化。当压头温度255℃，平台温度为65 ℃时，用温度计测量的实际ACF 和NCF 粘接温度200 ℃。在此温度下，ACF和NCF的固化时间分别为11.5 s和11 s。为了让胶粘剂完全固化，键合过程在200 ℃保持15 s。通过FT-IR（IFS66v/s & Hyperion3000，Bruker）测量，比较了键合过程前后910 cm-1左右的环氧峰面积，计算了胶粘剂的固化率。在700～1700 cm-1的范围内收集了分辨率为4 cm-1的64次扫描的光谱。吸收光谱归一化为环绕1507 cm-1的苯环峰。从稳定的接头形状和凸块接触电阻值两方面确定了最佳粘接压力为 60 MPa。从晶片凸块接头的冶金形成角度来看，冶金连接方法不同于粘接。在金锡连接过程中，形成了金锡相。对采用三种连接方法制造的双金属层细节距COF进行了电测试（使用Keithley 236 源测量设备），并观察了翻转芯片接头横截面（用场发射扫描电镜，Hitachi S-4800）。

1.4 制作出的细节距双金属层COF特性

从电气、机械、热性能以及可靠性等方面对细节距双金属层COF进行了研究。通过测量凸块接触电阻和绝缘电阻的方法，研究了电学特性，它们在细节距封装中很重要。因为电极图形之间如果存在几μm的错位或导电颗粒聚集，就会导致ACF 连接出现电气短路。短路标准设置为108Ω。如果测量的绝缘电阻低于108Ω，则确定为电气短路。采用90°剥离试验，对芯片与双金属层FPC之间的黏附强度进行了测量，然后用光学显微镜观察了失效部位。通过测量倒装芯片接头温度，比较双金属层COF封装与单金属层COF封装散热效果的差异[1]。

2 结果及讨论

2.1 采用多种连接方式的细节距双金属层COF封装

在最优化的键合条件连接的细节距双金属层COF封装样品中，ACF和NCF的固化率在90%以上。需要90% 以上的固化率[2]来保证良好的封装性能。ACF和NCF连接的凸块接触电阻通常随着键合压力的增加而减小和稳定，但过高的键合压力会使凸块接触电阻和封装的可靠性恶化[3-4]。在本实验中，60 MPa 产生了稳定的凸块接触电阻值。使用ACF、NCF和金锡冶金连接方法的细间距双金属层COF封装的接触电阻分别为3.3±1.2 mΩ、2.7±1.1 mΩ和3.6±0.4 mΩ，凸块节距不同（35 μm、25 μm和20 μm）的影响不大。在ACF和NCF键合中，ACF是通过导电颗粒使凸块与电极连接，而NCF是凸块与电极直接接触。在金锡冶金连接中，得到了金锡合金接头。结果表明，采用ACF、NCF和金锡冶金连接法，制备细节距双金属层COF封装样品成功。

2.2 细节距双金属层COF封装的性质

2.2.1 电学性质

测量了双金属层COF封装的凸块接触电阻和绝缘电阻。在所有三种凸块节距35 μm、25 μm和20 μm的情况下，ACF连接法的接触电阻都低于5 mΩ。NCF和金锡冶金连接方法也显示出类似的值，凸块节距不同（35 μm、25 μm和20 μm）的影响不大。测量了不同连接方法不同节距的绝缘电阻，采用108Ω的标准来判定绝缘电阻是否合格，进而判定细节距的极限。随着凸块节距变得更精细，几微米的错位就可能会导致凸块之间的短路[5-6]。ACF连接法的COF封装在35 μm和25 μm间距下都有100%的绝缘率。但是，由于凸块之间的导电粒子聚集，在20 μm的节距下约有5%的短路率。这结果与现有使用ACF连接的精细节距极限的报告很好地匹配[5-6]。因此，ACF连接方法可适用于20 μm以上的节距。NCF和金锡冶金连接方法显示出稳定的绝缘，包括在20 μm间距。

2.2.2 剥离粘接强度

ACF连接方法的粘接强度略高于NCF和金锡冶金粘接方法，因为ACF在粘接过程中在粘接区域周围有更多的溢胶。失效部位为电极本身、黏合剂内部、芯片/黏合剂的界面以及FPC/胶粘剂的界面。所有COF封装的附着力均高于600 gf/cm，这是典型的工业标准。

2.2.3 散热能力

为了分析双金属层COF封装的传热特性，比较了双金属层与单金属层COF封装的散热性能。芯片表面上安装了一个加热器。加热器的顶部表面处于自由对流状态，铝块连接在COF封装的底部表面。在覆晶芯片连接头处插入了直径为20 μm的k型热电偶，以测量接头温度。在40 W的固定功率下，单金属和双金属层COF的接头温度分别升高到126.2 ℃和101.1 ℃。由于过孔和底部电极的散热程度好，双金属层COF覆晶芯片接头温度低于单金属层25 ℃。为了学术上的认识，实验结果与仿真结果进行了对比，两者相符。仿真结果由FLUENT公司提供的ICEPAK 4.4.8生成，这是分析电子封装系统内传热现象的知名程序。除了较低的覆晶芯片接头温度外，双金属层COF的表面温度99.3 ℃，也低于单金属层的126.9 ℃。因此，双金属层COF封装具有更好的散热能力。

2.2.4 可靠性评估

通过量测高温高湿测试（85 ℃/85% RH，1 000 h）和热循环测试（﹣40～125 ℃，1 000个循环）中的接触电阻变化，评估了双金属层COF封装的可靠性。结论是，ACF、NCF和金锡冶金连接法的接触电阻保持稳定。这3种连接方式都具有出色的可靠性。

3 结论

采用ACF、NCF和金锡冶金连接法演示了细节距双金属层COF封装。所有COF封装都表现出稳定的倒装芯片接头特性，在35 μm、25 μm和20 μm节距下，凸块和电极之间保持安全接触。然而，在ACF接头中，20 μm节距下，约有5%的绝缘电阻低于108Ω，这是由于相邻凸块之间的导电颗粒聚集而导致的短路。因此，ACF粘接方法只能适用于20 μm以上的节距，NCF和金锡冶金连接方法可应用于小于20 μm节距。无论连接方法如何，所有COF封装都具有良好的附着力（＞600 gf/cm）。与单金属层COF相比，散热能力显著提高。

[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.

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[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

A