电子封装互连材料的分析
1 电子封装概述
电子封装是指自芯片制造完成开始，将裸芯片、金属、有机物、陶瓷等物质进行加工，制成元件、板卡、电路板等等，最终实现电子产品的组装过程。如图1就是某电子产品系统的总成结构图。
由图1我们可以看出，通过半导体材料加工制成的具有特定功能的芯片并不具有孤立，要将其应有的功能充分的发挥出来，就必须与其他元件相配合，通过I/O进行互联才能够实现。关于电子封装的主要功能，具体介绍如下：第一，信号输入、实现输出端向外界的过渡；第二，电源输出、实现输出端向外界的过度；第三，散热功能；第四，保护器件，避免外界环境对其造成的影响。
就整个封装结构而言，电子封装可分为三级，即一级封装、二级封装以及三级封装。其中集成电路元件的封装为一级封装，其又被称为微电子封装，在电子封装领域中发展最快。二级封装指的是在印刷电路板上安装已封装完成的一系列元器件，例如IC元件、板上芯片、接插件、阻容元件等等。三级封装指的是在主机板上插入电路板卡，实现整机技术的形成。
其中集成电路的封装在电子制造领域中有着十分重要的作用与地位，它作为中间连接的部分，除了要负荷下有元器件贴装与电路板组装的发展趋势，还需要满足上游晶圆与芯片制造技术的发展要求。目前，集成电路产业在国民经济发展中发挥着十分重要的作用，其设计、制造以及封装测试三大部分支撑着集成电路产业的发展。现阶段，电子产品生产中封装所产生的成本已经占到了接近60%，在IT产业中封装产业占到了12%，IC产业中封装产业占到了49%。微电子封装与电子产品有着十分密切的联系，电子产品乃至整个系统发展的技术核心都受到其重要的影响，在目前的电子行业制造中属于非常先进的技术。目前，全球集成电路封装的发展规律大致可以概括为以下几个方面：
第一，密度不断提高、I/O数不断增加；第二，产品表面贴装密度不断提高；第三，频率、功率不断提高；第四，产品越来越微型化，成本越来越低；第五，多芯片封装正逐步取代单芯片封装；第六，三维立体封装逐渐取代两维平面封装；第七，系统封装逐渐得到广泛的应用与发展；第八，电子封装对绿色环保提出的要求更高。
2 无铅焊料与绿色封装的发展
微电子产业的发展之处是将硅作为代表材料，各元器件之间的互联模式比较固定，元件引脚焊接一直以来都是以铅锡焊料为主。到了20世纪90年代，电子产品产业得到了快速的发展，这加速了电子产品的更新，电子产品越来越容易变成电子垃圾，进而增加了铅污染的可能性，社会各界人员也对其予以了高度重视并展开了深入的研究，旨在保护人类健康与生态环境。铅及其化合物能够通过人类的呼吸道、食道以及皮肤进入人体，然后对人体蛋白质的正常合成起到抑制作用，对人体中枢神经造成损害，进而引发一系列慢性疾病，例如精神混乱、生殖功能障碍、高血压、贫血等等。特别是儿童受到铅的危害更大，对于其正常发育以及智商有着严重的影响。目前，电子工业造成铅污染的主要来源就是Sn-Pb合金焊料的使用，电子产品一旦被弃用，其中的铅就会通过各种介质流入到自然环境中，包括土壤、地表水中，对其造成污染，尽管这些铅的含量比较少，但是造成的影响却十分严重，尤其是溶于水的铅而形成的酸雨，更是严重威胁到生态环境，再加上这些雨水会渗入到人类使用的地下水中，进而进入人体，对人类的健康造成严重的影响。此外，由于电子产品中的铅很难得到有效的回收，并且与原始铅相比，回收铅产生的α粒子放射非常高，容易导致软件出错，如果重复使用，不仅无法起到良好的效果，反而对集成电路生产有害。
目前，使用铅的替代品是替代锡铅焊料的主要方案，例如铋、银、锌等等。目前，Sn-Ag-Cu系列材料在无铅焊料中的应用最为广泛，其最低熔点为216℃、最高熔点达到了229℃，在无铅合金中的耐高温性比较强，其力学性能也较高，具有良好的可焊性，但是这种材料也存在一定的缺陷，就是回流温度高，需要印制电路板与器件具有一定的耐热性。而Sn-Zn则属于中温系的无铅合金，其熔点与Sn-Pb相近，具有好的机械性能，然而也存在焊料易被氧化的影响，其保存具有一定的难度，并且缺乏较好的浸润性，存在一些可能出现的腐蚀性问题，例如活性剂残渣、氧化等等。而低温系焊料主要有Sn-58Bi，其熔点为139℃，缺点也比较明显，例如延展性不强、具有较大的脆性以及较差的机械性能等等。现有的无铅焊料在熔点、浸润性、机械强度等方面都存在的不同程度的问题，并且相对重要且通用的无铅焊料大部分都在日本与欧美的专利保护范围内，这对于中国而言是非常不利的。
除了上述方案外，还可以利用由导电材料与有机物组成的复合材料来替代锡铅焊料，例如导电胶，这属于最常见的复合材料，相比于无铅焊料，导电胶的工艺相对简单，具有较低的工艺温度，因此在热敏元器件的粘结上比较适用；其次，导电胶不需要清洗焊剂，产生的成本低，并且能够在细间距间实现互连。然而现有的商用导电胶也存在一系列问题，在电阻率、热导性、机械性能以及电流负荷能力方面有待提升，这使得导电胶的应用受到了一定的限制，需要对其性能与可靠性进行优化。
3 导电胶技术
3.1 概述
上文提到的导电胶最早是在上世纪50年代中期某研究人员提出的银填充环氧树脂导电材料的专利中出现。导电胶是替代传统Sn-Pb焊料的重要材料，其能够实现细间距连接，工艺温度低以及生产成本低等优势，最为关键的是它不含有对人体与环境有害的Pb材料，因此在电子产业中一直受到了广泛的关注与应用。 导电胶的成分为聚合物基体材料与导电填料，其导电性良好，并且具有连接功能。导电填料起到提供电学通路的作用，使电学性能得以实现；聚合物基体材料的作用则是提供粘结与机械支持。大部分聚合物的组成成分都是聚合物顶聚体与固化剂，以及少量的添加剂，例如催化剂、偶联剂以及稀释剂等等，如此使得导电胶的工艺性能与使用价值得以提高。热固性树脂与热塑性树脂是比较常见的导电胶聚合物基体材料，其中热固性树脂包括环氧树脂、聚氨酯、硅树脂等等；而热塑性树脂有马来酰胺树脂、聚酰亚胺等等。在聚合物基体固化时会产生收缩，这对于其中导电填料相互接触的分散有着积极的影响，以此实现了导电通路的形成。热固性树脂的热稳定性较高，并具有较大的粘结强度与较强的抗腐蚀能力，因此在商用导电胶中属于比较常用的材料之一。
导电填料的形状、尺寸各有不同，都属于金属粉体，例如金、银、铜、镍、碳复合材料等导电材料。不同的导电材料其到电阻率也各有不同。金具有比较稳定的化学性质与导电性，但是由于成本较高，其应用并不是非常广泛；银在所有金属材料中具有最好的导电性，同时还具有比较稳定的化学性质，其氧化物的导电性也比较良好。有关研究表明，在导电胶中电迁移效应不会发生在银填料身上，究其原因，可能是由于基体树脂固化后，银表面由于钝化作用而出现钝化层，对电迁移现象的发生造成了一定的限制，因此在导电填料中，银的应用非常广泛。铜具有活泼的化学性质，表面的氧化率很高，铜基导电黏胶老化之后，会出现体阻抗增加的情况。无铅焊料Sn-Ag-Cu系列与Sn-Bi系列填充到聚合物中也可以形成导电胶。导电填料的导电性在很大程度上受到了其形态的影响，对于各向异性导电胶而言，薄片状是导电填料中最常见的形态，这是由于薄片填料的接触面积比球形填料更大。纳米银粉、纳米银线在导电胶中也常被当做导电填料来使用。
3.2 导电胶的导电原理
根据导电方向，可将导电胶分为各向异性导电胶与各向同性导电胶。对于各向异性导电胶而言，其导电方向只有垂直方向，其电导率的实现是利用了容量相对较低的导电填充材料，其容量较低造成了晶粒间接触不充分，使导电胶在X-Y方向上的导电难以实现，而施加了一定压力在Z方向上，进而俘获两个元件上导电表面之间的导电颗粒，一旦出现电子连续，聚合物就会由于化学反应而进行固化，两个元件也因此由电绝缘聚合材料粘结到一起，同时为元件表面与导电颗粒之间压力的维持提供帮助。对于各向同性导电胶而言，其导电性在X、Y、Z三个方向都能够实现，这主要是由于导电材料的填充更多。导电胶的电性能会随着导电填料的浓度的提升而发生转变，由绝缘体变成导体，并通过导电颗粒之间的相互接触实现导电。在低填充浓度下，各向同性导电胶的电阻率与填料浓度成反比例关系，然而，当填料浓度处于临界点之下时，会导致电阻率骤降，这一临界值Vc被称为过滤阀值。研究表明，当填充浓度处于Vc值时，所有导电颗粒相互接触，导电性并不受填充浓度增加的影响。
3.3 导电胶的应用
与传统的Sn-Pb焊料相比，导电胶的优势很多，然而迄今为止，ECA工艺仍有待提高，尤其是在可靠性方面存在一定的不足，具体表现为导电胶接触电阻的稳定性并不理想。如果导电胶与非贵重金属终端元件处于持续高温与高湿度的环境下，其接触电阻基本全部都是呈现一个增长的态势。
导电胶在半导体集成电路的连接与组装上的应用比较常见，主要有晶片粘贴、倒装芯片连接、表面贴装等方面。晶片粘结胶的主要作用是在衬底以高可靠性的形式进行集成电路芯片机械安装，导电胶黏结有许多优势，例如使IC晶片的应力集中降低，固化温度低以及生产成本较低?Y更。在LCD中，ACA的应用比较早，其作用是连接载带自动键合的输出引线电极和LCD面板上透明的In-Sn氧电极。而近来在倒装芯片技术中焊接替代物是ACA的主要研究内容。ACA的优势在于其分辨率非常高，处理速度较快，具有较低的工艺温度，能够实现无焊机焊接。ACA的倒装焊流程为：在基板上涂覆ACA，对位带有凸点的IC与基板上的金属电极焊区施加压力于芯片，使ACD进行固化，如此就实现了导电粒子与凸点与焊间上下接触，实现导电的目的，而在X、Y平面的各向导电粒子则没有连续性与导电性。在倒装内连接也可利用ICA，其连接是在存在凸点的情况下进行，由于属于各向同性，因此在电气连接的部分必须有选择性的添加导电胶，同时还要确保材料扩散不会发生在放置与处理的过程中，否则在分离通道内很可能造成短路。为了使ICA得到更加准确的沉积，通常可以通过丝网或摸版印刷技术来实现，该技术不需要在键合过程中施加压力，否则可能会在安装过程中出现翘曲现象。当处于高容量条件下，ICA在输入、输出焊盘上的印刷可以采用高精度丝网印刷技术，但需要考虑衬底轨道终端对凸点化工艺的需求，同时也需要考虑到倒装焊盘凸点化的影响。与ACA相比，ICA在这一方面具有一定的竞争优势，然而在键合强度的对比上，ICA倒装键合仍有待提升，为了使其键合的持续可靠性得以提升，应添加单独的填充步骤。
除了电子组装，导电胶在其他领域也有一定的应用，例如电磁屏蔽领域、喷墨打印领域、接触压力测量领域、防静电领域以及LED领域等等。目前，配方与工艺是导电胶研究与发展的两个重要方向，关于各类因素度导电胶导电性能影响的研究，旨在使导电性能、可靠性以及机械性能得以优化。随着科学技术的不断进步，相信导电胶技术必然得到充足的发展与进步，并在电子制造领域中得到越来越广泛的应用。
