文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了半導體封裝中的裝片。

裝片概述

裝片（Die Bond）作為半導體封裝關鍵工序，指通過導電或絕緣連接方式，將裸芯片精準固定至基板或引線框架載體的工藝過程。該工序兼具機械固定與電氣互聯(lián)雙重功能，需在確保芯片定位精度的同時，為后續(xù)鍵合、塑封等工藝創(chuàng)造條件。

裝片質量雙維度標準

1.產(chǎn)品性能要求

機械可靠性：芯片與載體連接需承受≥50MPa剪切強度，確保封裝應力下無位移

熱/電傳輸性：熱阻AVBE≤0.5℃/W，接觸電阻Vc≤50mΩ，滿足功率器件散熱需求；

工藝適配性：焊料層厚度控制在20-50μm，平整度誤差＜±5μm，保障鍵合精度。

2.工藝執(zhí)行規(guī)范

芯片狀態(tài)：杜絕沾污(顆粒度＜0.5μm)，裂紋(線寬>10μm 需判廢)，倒裝等12類缺陷

載體標準：引線框架氧化層厚度＜5nm，基板翹曲度＜0.1%

焊料質量：空洞率＜5%(超聲檢測標準)，結球高度控制在焊料層厚度 ±15% 范圍內。

3.理想焊料材料特性

高固溶度：在硅/鍺基芯片中溶解度＞1.2at.%，降低歐姆接觸勢壘

低蒸氣壓：300℃時＜10^-5 Pa，避免高溫制程中材料損耗

匹配熔點：Sn-Pb系焊料熔點(183℃)需低于Al-Si共晶溫度(577℃)

力學適配：熱膨脹系數(shù)與芯片(3ppm/℃)，基板(6ppm/℃)差異＜20%，抑制熱應力

主流裝片技術

1.膠聯(lián)裝片工藝

導電膠：含銀/銅納米顆粒，填充量60-80，固化后體電阻率＜10^-3Ω·cm

絕緣膠：環(huán)氧樹脂基，介電常數(shù)ε＜3.5，適用于信號隔離場景

工藝優(yōu)勢：室溫固化(80-120℃)兼容熱敏芯片，貼片精度±10μm，適合高密度封裝

2.焊料裝片技術

典型材料：Sn63Pb37共晶合金(熔點183℃)，含Bi改性版本可降至138℃

工藝要點：回流焊峰值溫度(210-230℃)需精準控制，避免 IMC 層(金屬間化合物)過厚(＞3μm)導致脆性失效

3.共晶裝片工藝

原理機制：利用Au-Si(3.2at.%Si)在363℃形成共晶反應，實現(xiàn)原子級冶金結合

性能優(yōu)勢：熱阻低至 0.2℃/W，剪切強度＞80MPa，廣泛應用于高功率激光器封裝

4.銀燒結技術

納米材料體系：銀顆粒粒徑<100nm，通過壓力(5-20MPa)與低溫(200-250℃)實現(xiàn)燒結

技術突破：導熱率達200W/mK，電導率10^7 S/m，滿足SiC模塊175℃長期服役需求

膠聯(lián)裝片

1.導電膠核心構成與作用機制

導電膠作為膠聯(lián)裝片的核心材料，本質是由基體樹脂與導電填料構成的復合體系。其工作原理基于 “滲流理論”：當導電填料（如銀粉）含量超過臨界體積分數(shù)（通常 60%-80%）時，粒子間相互接觸形成連續(xù)導電通路，從而實現(xiàn)芯片與載體間的電氣連接。基體樹脂不僅提供黏附力固定導電粒子，還需具備良好的流動性以確保填充性，并在固化后形成穩(wěn)定的機械支撐結構。

2.基體樹脂分類與特性

環(huán)氧樹脂系：以雙酚A型(E-51)和雙酚F型最為常用。雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧值0.48-0.54eq/100g，凝膠時間(120℃)約15-20分，適用于中低溫固化工藝;雙酚F型因分子結構更緊湊，黏度可低至1500-3000cps，特別適合高精度點膠制程。

聚酰亞胺系：玻璃化轉變溫度(Tg)超250℃，耐溫性能優(yōu)異，但需高溫(300℃以上)亞胺化反應，限制其在熱敏器件中的應用

有機硅系：低應力(模量＜1GPa)，高絕緣(體積電阻率＞10^15Ω?cm)，常用于MEMS器件封裝，但導電性相對較弱

3.導電填料關鍵參數(shù)

銀粉形態(tài)差異：球狀銀粉(粒徑1-5μm)：比表面積小，氧化速率＜0.01%/ 年，接觸電阻穩(wěn)定。樹枝狀銀粉(枝晶長度10-20μm)：填充效率高，可減少樹脂用量，但需控制團聚現(xiàn)象。鱗片型銀粉(徑厚比50-100)：形成片狀搭接網(wǎng)絡，適用于各向異性導電膠(ACA)。

表面處理技術：通過化學鍍鎳(Ni)或抗氧化劑包覆，可將銀粉在 85℃/85% RH 環(huán)境下的氧化增重率從5%降至0.5%以下

4.絕緣型填料特性

氧化硅(SiO?)：熱導率1.2-1.5W/mK，硬度HV800-1000，填充量40%時熱阻可降低30%

聚四氟乙烯(PTFE)：介電常數(shù)ε=2.1，損耗角正切tanδ＜0.0002，適用于高頻信號隔離

(1).樹脂篩選標準：

流動性：旋轉黏度(Brookfield，25℃)需控制在 2000-5000cps，確保點膠精度(最小膠點直徑＜100μm)

純度：氯離子含量＜50ppm，避免腐蝕芯片電極

固化特性：凝膠時間與開放時間需匹配貼裝節(jié)拍，如在線式生產(chǎn)要求開放時間＞2小時

(2).固化劑體系對比

胺類固化劑：脂肪胺(如二乙烯三胺)固化速度快(120℃/10min)，但放熱峰高易導致應力集中

酸酐類固化劑：六氫苯酐體系Tg可達180攝氏度，適用于高可靠性封裝，但需添加促進劑(如芐基二甲胺)

咪唑類潛伏性固化劑：2-乙基-4-甲基咪唑在 25℃下儲存 6 個月活性保留率＞90%，中溫(100-120℃)30分鐘即可完全固化

(3).工藝實施要點與應用場景

存儲與使用規(guī)范：市售10-25g注射器包裝需要-40℃冷凍存儲，解凍遵循"緩升原則"(25℃環(huán)境靜置4小時)，避免冷凝水混入

開封后建議在24小時內使用完畢，剩余膠液需氮氣保護密封

(4).銀粉特性與導電膠性能關聯(lián)性

銀粉選型需重點考量粒子形態(tài)與粒徑參數(shù)，二者直接影響導電膠的電- 熱傳輸性能。依據(jù)滲流理論，粒子形態(tài)選擇遵循 “最大化接觸面積” 原則，常見形態(tài)包括球狀、鱗片狀、枝狀及桿狀四類，其接觸效能排序為:枝狀＞鱗片狀≈桿狀＞球狀。其中，鱗片狀與枝狀銀粉因展平效應常歸為片狀體系。

按粒徑分類，銀粉可劃分為微晶級(＜0.1μm)，微球級(0.1-2μm)及片狀級(＞2μm)。片狀銀粉進一步細分 2-4μm、5-8μm、8-10μm 及＞10μm 多檔規(guī)格。粒徑與導電性呈負相關:大粒徑銀粉(如＞10μm)因單位體積內導電通路稀疏，導致電阻率上升；而小粒徑片狀銀粉(2-4μm)因高比表面積，更易形成致密導電網(wǎng)絡。

銀粉形狀電鏡圖

如上圖所示，圖a、b 中的球狀銀粉呈類球形絮狀堆積，因表面電荷作用形成團聚體，實測比表面積達3-5m2/g，但顆粒間點接觸占比超70%；圖c、d 的片狀銀粉呈現(xiàn)不規(guī)則延展結構，典型尺寸為4-6μm，其層疊搭接形成的面接觸比例提升至85%以上，更符合導電通路構建需求。

5.填充量對性能的量化影響

銀粉體積分數(shù)與導電性能呈非線性關系：60%填充量時，體積電阻率＞2.5×10?2Ω?cm，未形成連續(xù)導電網(wǎng)絡；75%填充量時，電阻率驟降至 1×10?3Ω?cm；80%填充量時，電阻率達 2×10??Ω?cm，進入 10??Ω?cm 數(shù)量級。同步測試顯示，填充量＞75%后，拉伸剪切強度突破 20MPa，但流動性下降顯著。

6.應用技術瓶頸與解決方案

電導率局限：常規(guī)導電膠電阻率(10?3-10??Ω?cm)難以滿足功率器件（需＜5×10??Ω?cm）的低阻散熱需求

適配性差異：黏接強度受基板材質（FR-4、陶瓷）與芯片表面處理工藝顯著影響，如陶瓷基板的黏附力僅為FR-4基板的60%

固化效率問題：環(huán)氧樹脂體系常規(guī)固化需 120℃/30min。為了解決這一問題，國內外的科研工作者做了以下的努力：增加樹脂網(wǎng)絡的固化收縮率，用短的二羧酸鏈去除金屬填充物表面的潤滑劑，用醛類去除金屬填充物表面的金屬氧化物，采用納米級的填充粒子等

黏結強度低：細間距（＜50μm）封裝中，黏接層需承受＞50MPa 沖擊應力，目前通過納米銀（粒徑＜50nm）摻雜可提升模量30%

考慮到黏結成型主要依賴環(huán)氧樹脂的交聯(lián)反應實現(xiàn)，有必要先對環(huán)氧樹脂的基礎概念做簡要梳理。環(huán)氧樹脂的核心結構單元是環(huán)氧環(huán)——由兩個碳原子與一個氧原子構成的三元環(huán)狀結構。凡分子中包含此類環(huán)氧環(huán)的化合物，均歸類為環(huán)氧化合物（Epoxide）。

環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂以分子鏈含≥2個環(huán)氧基團為特征，經(jīng)固化劑引發(fā)開環(huán)聚合形成三維網(wǎng)狀結構。作為熱固性高分子材料，其產(chǎn)品涵蓋低聚物預聚體與小分子單體，廣泛應用于水利工程、電子封裝等七大領域。環(huán)氧樹脂組成如圖：

雙酚A環(huán)氧樹脂憑借成本與性能平衡優(yōu)勢占據(jù)65%市場份額。其氫化改性產(chǎn)物（如氫化雙酚A環(huán)氧樹脂）因消除苯環(huán)結構，耐候性提升3倍（QUV老化測試1000h黃變指數(shù)＜5），尤其適用于戶外封裝場景。未固化環(huán)氧樹脂呈液態(tài)或半固態(tài)（黏度范圍500-5000cps），需與胺類/酸酐類固化劑按化學計量比混合。以咪唑類潛伏性固化劑為例，80℃活化后與環(huán)氧基團發(fā)生親核加成反應，經(jīng)2-3小時形成玻璃化轉變溫度（Tg）達150℃的交聯(lián)網(wǎng)絡。雙酚A環(huán)氧樹脂結構圖：

環(huán)氧樹脂基導電膠技術演進：通過引入石墨烯納米片（橫向尺寸1-5μm，層數(shù)＜10）構建“銀-石墨烯”協(xié)同導電網(wǎng)絡，可使填料總含量降低15%，同時實現(xiàn)電導率提升40%（從1×10?3 Ω·cm至1.4×10?3Ω·cm）。實驗數(shù)據(jù)顯示，當石墨烯質量分數(shù)為0.5%時，導熱系數(shù)從1.2W/mK增至1.8W/mK。針對功率器件（工作溫度＞125℃）與IC封裝（線寬＜50μm）的差異化需求，需定制化設計膠黏劑。功率模塊需滿足熱阻＜0.5℃/W、剪切強度＞30MPa，適配高銀填充量（≥85%）+硅微粉導熱填料；IC封裝要求絕緣電阻＞101? Ω、低應力模量，依賴納米級填料分散與柔性增韌劑配合。

膠聯(lián)裝片工藝體系

標準工藝流程包括基板預處理，通過等離子清洗將接觸角從65°降至20°以去除氧化物；采用非接觸噴射技術實現(xiàn)膠點體積±5%精度的精密點膠；利用真空吸嘴達成±10μm定位精度的芯片貼裝，最后經(jīng)階梯升溫曲線（60℃/30min→120℃/60min）完成固化。行業(yè)實踐表明，優(yōu)化后裝片良率可從92%提升至98.5%，熱阻降低28%。