芯片粘接新材料的国产化替代及应用

芯片粘接新材料的国产化替代及应用

李晋哲 ,李,萌 ,南阳

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065）

摘  要： 对新型国产芯片粘接材料开展工艺研究，提高产品寿命，使其承受更大功率密度、形成更可靠的电连接，同时解决芯片导电粘接材料长期依赖进口、工程急需的问题，带来良好的经济和社会效益。

关键词：国产导电粘接材料；剪切强度；释气试验；替代进口

1  概述

随着电子器件的微型化和高密度、高功率发展的趋势，传统进口导电胶体导电介质颗粒较大、在高温高湿环境下不稳定，易发生银离子迁移等现象。同时发达国家的导电粘接材料相对发展较早、体系成熟，占据了主要市场，但近年来进口材料断供风险不断增加。为了解决现有问题，需要寻求新型国产导电粘接材料，能够提高器件寿命，承受更大功率密度和更可靠的电连接，逐步实现进口原材料的国产化替代。

2  研究过程

2.1材料选择

根据市场调研情况，选择北京某科技有限公司生产的N型无压纳米导电胶进行替代试验。纳米导电胶属于新型粘接材料，在厚膜集成电路芯片粘接领域的应用还处于试验验证阶段。与传统的进口导电胶相比，在电阻率、剪切强度、含银量、热导率、成分粒度等方面有很多优势 。

2.2 材料工艺试验

2.2.1  聚合材料质量试验

①试验样品

用国产N型无压纳米导电胶将12只8.2V稳压管芯片粘接到专用厚膜陶瓷基板基片及适用的底座上，制成1#～12#样品。

②试验方案

12个样品进行内部目检、稳定性烘焙、温度循环、恒定加速度等预处理后，对其中1#、2#、4#、5#、7#、8#、10#、11#共8个样品进行返工。1#～6#样品经受温度循环、恒定加速度试验；7#～12#样品经稳定性烘焙、恒定加速度试验；再从前2组样品中各取3个（共4个返工，2个不返工）经受机械冲击、内部目检和芯片剪切强度试验；另外3个样品（共4个返工，2个不返工）经受恒定加速度、内部目检和机械冲击试验。                                           

③试验数据

12个样品经过上述试验后，分别对VF及剪切力进行测试，其中VF最大值为0.7526V,最小值为0.7418V，满足VF≤1.2V的要求；芯片剪切强度最大值为1024.1g，最小值为691.2g，满足剪切强度≥155g要求。

④试验结论

从上述试验数据可以看出，国产N型无压纳米导电胶经过各项工艺试验后：所有8.2V稳压管VF符合要求，所有样品芯片剪切强度符合要求，所有样品内部目检合格，满足厚膜混合集成电路中芯片粘接工艺要求。

2.2.2 导电胶气体释放工艺试验

高质量的混合集成电路对导电粘接材料的要求极高，粘接结构要承受大范围的温度冲击和机械应力，要求其具有很高的粘接力、导电力和好的导热性。电路是气密封装，还要求粘接材料的释气满足相关要求。针对此要求，设计以下试验方案进行验证。

①试验样品制备

    采用评价合格的专用厚膜陶瓷基板，适用底座及二极管芯片、三极管芯片、集成电路芯片各10、10、5只，将每组25只芯片粘接至底座内，制成3只样品，固化后将样品放入氮气环境中封装。

②试验数据

对密封合格的样品进行-65℃～+150℃，100次温冲试验，送检内部气氛测试，试验数据显示：1#～3#的内部氧气含量分别为253ppm、197pmm、150ppm，内部水汽含量分别为197ppm、233pmm、241ppm。

③ 试验结论

    从上述试验数据可以看出，国产N型无压纳米导电胶经过各项工艺试验后，水汽含量小于5000ppm，满足厚膜混合集成电路粘接材料释气的工艺要求。

3. 小批量某型号驱动电路产品中的应用试验

3.1试验过程

该驱动电路中芯片共有四种，包括集成电路芯片一只，二极芯片片两种24只，三极芯片片6只，所有芯片均采用进口导电胶粘接。该产品在测试中出现以下问题：输出低电平电压超差导致产品失效。故障现象在产品初测时偶有发生，经过温度循环、老炼等筛选环节后会不断增加。经分析初步认为是由于二极管、三极管等三种芯片粘接面积较小，导电胶产生寄生电阻使得部分芯片失效。经过对芯片质量、粘接工艺、环境条件等排查均未发现问题，通过模拟故障复现、原理分析，确定故障是二极管芯片在导电粘接处经过环境试验，接触电阻变大导致性能指标超差。分批次改用国产N型无压纳米导电胶粘接60只，测试产品静态功耗，输出高、低电平电压，输出电流，上升、下降时间，传输延迟时间等电特性指标均符合要求。

初测完成后，针对产品失效的原因，对驱动电路进行了筛选试验，试验包括：温度循环-65℃～+150℃，200次，老炼TC=+125℃，160h，稳态寿命TC=+125℃，1000h，经过三项筛选试验后，对该电路的性能指标进行测试，均满足性能要求。

通过上述测试数据可以得出：采用国产N型无压纳米导电胶粘接裸芯片后，产品性能完全满足指标要求，极大提升了产品的可靠性。同时，抽取五只经过筛选的驱动电路，分别对三种芯片进行剪切力测试，验证粘接强度的可靠性。其中二极管（一）90只，剪切强度最大值为2.607kg，最小值为1.193kg，满足剪切强度≥0.295kg的要求；二极管（二）30只，剪切强度最大值为1.18kg，最小值为0.442kg，满足剪切强度≥0.056kg的要求；三极管30只，剪切强度最大值为1.353kg，最小值为0.618kg，满足剪切强度≥0.098kg的要求。从剪切力测试数据可以看出：在经过严苛的环境筛选试验后，三种芯片的剪切力均超出相关要求。

④ 试验结论

采用国产N型无压纳米导电胶粘接芯片，满足驱动电路产品的性能要求，解决了该产品在采用进口导电胶粘接时存在的可靠性问题，同时也证明国产N型无压纳米导电胶的粘接强度完全满足相关工艺要求。

4  批量产品中的应用

因为进口导电胶性能不稳定，经过环境试验后接触电阻变大导致产品性能指标超差，用户在使用过程中屡屡出现问题。据不完全统计，一年故障产品就达17只，过多返工造成了元器件的大量浪费，通过国产新材料的应用，某型号产品的合格率从59.5%提升至92.5%，国产N型无压纳米导电胶的应用解决了存在问题，提高了产品寿命，使其承受更大功率密度、形成了更可靠的电连接。

5  结语

通过结合产品进行的各项工艺试验和可靠性验证，已充分证明国产N型无压纳米导电胶能够解决进口导电胶存在的自身性能的问题，能够解决小尺寸芯片在导电粘接过程中出现的接触电阻过大的问题，能够满足相关产品的性能要求。作为一种新型国产粘接材料，能够极大的提高产品的可靠性，可应用于相关产品的批量生产；还可以解决产品粘接材料长期依赖进口、工程急需的问题，应用前景广阔，能够带来良好的经济和社会效益。

参考文献

[1] 虞鑫海、徐玉芬、赵炯心等《耐高温单组分环氧胶粘剂的研制》,2008

[2] 毛蒋丽、虞鑫海、刘万章 《导电胶的应用现状》,2009

作者简介

[1] 李晋哲（1980-），女，毕业于延安大学，学士学位，工程师，长期从事厚膜混合集成电路的工艺技术与开发工作。

[2] 李萌（1980-），女，毕业于西安交通大学，工程师，长期从事标准化工作。

[3] 南阳（1987-），男，毕业于西安邮电大学，硕士学位，工程师，长期从事厚膜混合集成电路的工艺技术与开发工作。