Проводящие адгезивы с нано- и микронаполнителями для межслойных соединений


PDF версия


В статье рассматриваются проводящие адгезивы на эпоксидной основе с микронаполнителями и добавкой наночастиц для вертикальных (по оси z) межсоединений, используемые на этапах изготовления печатной платы и монтажа компонентов с целью обеспечения надежного контакта. Для межслойных соединений в печатных платах или многослойных подложках для кристаллов использовался ряд проводящих адгезивов с частицами размером от 80 нм до 15 мкм. Для изучения микроструктуры, а также механизмов спекания и проводимости применялись методы растровой электронной и оптической микроскопии. Объемное удельное сопротивление адгезивов с наночастицами составляет 10–5…10–6 Oм·см. Описываемый технологический процесс позволяет создать вертикальные (по оси z) проводящие соединения диаметром 55…300 мкм. При этом не наблюдалось расслоения проводящих соединений после трехкратной ИК-пайки, климатических испытаний при повышенных давлении и температуре и ударного воздействия волны припоя. В статье обсуждаются технологические процессы и материалы, позволяющие снизить размеры элементов, удовлетворить строгим требованиям к точности совмещения и обеспечить надежный электрический контакт.

 

Требования рынка полупроводников по-прежнему сохраняют тенденцию увеличения плотности расположения элементов в корпусах полупроводниковых устройств. В таких высокотехнологичных приборах, как ASIC и FPGA, продолжает расти число контактных площадок для сигнала, питания и земли, поэтому для сохранения приемлемых размеров кристалла, соответственно, требуется уменьшить шаг между ними. Традиционно, бóльшая плотность размещения элементов достигается за счет уменьшения размеров переходных отверстий, электрических цепей и свободного пространства, что приводит к росту числа слоев межсоединений и использованию глухих и сквозных отверстий. Однако у каждого из таких методов имеются собственные ограничения, связанные, например, с необходимостью сверлить относительно большое количество отверстий и наносить металлизацию на их поверхность, а также с уменьшением проводимости цепей и повышением стоимости изготовления дополнительных слоев разводки. Один из альтернативных методов увеличения плотности вертикальных межсоединений состоит в формировании композитной структуры при прессовании субкомпозитов. Проводящие соединения образуются благодаря адгезиву, обеспечивающему контакт между двумя слоями. В результате появляется возможность изготавливать структуры с вертикальными отверстиями произвольной глубины. Замена стандартных металлизированных монтажных отверстий вертикальными отверстиями обеспечивает дополнительные каналы на слоях, находящихся выше и ниже этих вертикальных отверстий, и исключает использование тупиковых ответвлений платы, из-за которых возникают потери сигнала.
Интерес к электропроводящим адгезивам, применяемым в электронной промышленности, растет в течение последних нескольких лет. Такие адгезивы являются композитными материалами, состоящими из полимерной смолы и проводящих наполнителей. Контакт типа «металл-металл» между проводящими наполнителями обеспечивает электропроводность адгезива, а полимерная смола — его способность к обработке и механическую прочность.
Как правило, у проводящих адгезивов имеется избыточная концентрация наполнителя, что ослабляет общую механическую прочность. По этой причине надежность проводящего соединения, образованного между адгезивом и металлической поверхностью, с которой он сопрягается, имеет первостепенное значение. У проводящих адгезивов размер частиц изменяется в достаточно широком диапазоне. Большие частицы не могут заполнить, например, отверстия диаметром 60 мкм и меньше. В работах перечисленных ниже авторов использовались несколько адгезивов с нано- и микрочастицами.
Например, в статье Xiao и др. описывается создание проводящих соединений с помощью адгезива на эпоксидной или силиконовой основе, а также их термическая и механическая устойчивость. В статье Jeong и др. сообщается о влиянии отверждения, испарения растворителя и усадки на электропроводность адгезивов. Кроме того, в этой работе описывается зависимость электропроводности адгезивов с микрочастицами от добавки наночастиц. В статье Lee сообщается о свойствах адгезива из микрохлопьев с добавкой наночастиц серебра, а также об их влиянии на его удельное сопротивление.
В статье Goh и др. описывается влияние отжига на морфологию и удельную проводимость субмикронных никелевых частиц, используемых в проводящих адгезивах. Inoue и др. исследовали зависимость электрических свойств стандартных изотропных проводящих адгезивов (ICA — isotropic conductive adhesive) на эпоксидной основе в качестве связующего вещества от условий отверждения. В работе Coughlan и др. проводится анализ электрических и механических свойств проводящих адгезивов до и после климатических испытаний. В статье Fu описаны эффекты образования кластеров из нанонаполнителей в проводящих адгезивах. В работе Sancakter и др. сообщается о результатах исследования зависимости удельного сопротивления наполнителя, состоящего из частиц разных размеров, форм и типов, от внешнего давления. В работе Li сообщается, что самоагрегированные монослои (SAM — self-assembled monolayers) защищали проводящие адгезивы из наночастиц серебра.
Несмотря на то, что для развития технологий имеется ряд композитов, существует потребность в таком совершенствовании известных материалов, которое позволило бы снизить температуру обработки, повысить гибкость и надежность техпроцессов и композитов, используемых для реализации межслойных соединений. Кроме того, во всех работах на эту тему свойства материалов и их надежность оцениваются на макроуровне, и вовсе не рассматриваются вопросы на уровне производства устройств, их компоновки и надежности функционирования.
Цель настоящей статьи заключается в изучении влияния добавки наночастиц к микрокомпозитам. Для чего были выбраны наночастицы серебра благодаря их высокой электропроводимости и химической устойчивости. Наночастицы были смешаны с микрочастицами, чтобы улучшить спекаемость адгезивов. Оценивалась также надежность нанокомпозитных соединений при тестировании образцов путем ИК-пайки, климатических испытаний при повышенных давлении и температуре и ударном воздействии волны припоя. Кроме того, в статье рассматриваются вопросы создания межслойного вертикального соединения в подложке для кристалла и печатной плате. Эта структура представляет собой электропроводную среду из соединенных друг с другом слоев (субкомпозитов). Слои размещаются параллельно друг другу, выравниваются и формируются в композит. В результате получается слоистая структура с вертикальными межсоединениями — отверстиями небольшого диаметра и произвольной глубиной. Требования к созданию сквозных металлизированных отверстий на уровне композита отсутствуют. Таким образом, успешная реализация обсуждаемого метода основана на трех взаимозависимых условиях:
1) Получение необходимых материалов и определение параметров;
2) Изготовление межслойных соединений;
3) Надежность всей совокупности межсоединений.

Эксперимент

В данной работе был исследован ряд серебряных, медных нано- и микрочастиц и частиц с низкой температурой плавления с тем, чтобы получить однородную смесь в адгезиве. Проводящие адгезивы на эпоксидной основе изготавливались путем смешивания соответствующего количества порошка проводящего наполнителя и эпоксидной смолы в органическом растворителе. При проведении измерений удельной электропроводности тонкая пленка этой пасты наносилась на подложку и отверждалась при температурах 150…365°C. При оценке надежности две пленки из пасты послойно соединяли друг с другом.
При изготовлении многослойного кристаллодержателя с высокой плотностью элементов создается контактное основание — опорная поверхность с однослойной металлизацией без сигнальных проводников (0S/1P; S — сигнал, P — питание), состоящая из медного слоя питания толщиной 35 мкм, который помещается между слоями диэлектрического материала из аллил-полифенилового эфира (АРРЕ — Allylated Polyphenylene Ether) с диоксидом кремния. Сквозные отверстия диаметром 50…75 мкм в контактных слоях, полученные с помощью лазерного сверления, были заполнены адгезивом с оптимальным показателем электропроводности. После термоотверждения слоев было сделано их поперечное сечение для оценки качества заполнения отверстий адгезивом. Для изучения дисперсиии частиц и межсоединений применялись методы растровой электронной и оптической микроскопии, а для электрических измерений — микроомметр компании Keithley.

Проводящие адгезивы с нано-микро- и микрочастицами наполнителя

Как правило, к наночастицам относятся сверхмелкие металлические частицы размером менее 100 нм. Различают 3D- (блоки), 2D- (диски) и 1D-структуры (трубки). Вообще говоря, проводящие адгезивы с наполнителем из наночастиц содержат по меньшей мере некоторую часть наноструктур, которые позволяют повысить суммарную электропроводность или спекаемость адгезива. На рисунке 1 представлена теоретическая модель ряда структур на основе порошка, заполняющего микроотверстия. В этом примере объем микроотверстия является постоянным во всех шести случаях. Проводимость соединения реализуется за счет контакта «металл-металл». Повышение плотности числа частиц способствует увеличению вероятности этого контакта. Каждый контактный участок обладает некоторым сопротивлением. Величина плотности микрочастиц намного меньше плотности наночастиц. Таким образом, у заполненных микрочастицами сквозных отверстий относительно меньшее контактное сопротивление при невысокой вероятности установления контакта между частицами.

Рис. 1. Несколько структур микроотверстий с адгезивом. Адгезив состоит из полимера и: А — наночастиц; B — микрочастиц с контролируемым размером; С — смеси нано- и микрочастиц; D — нанотрубки (или нанопроводника) и микрочастиц; Е — микрочастиц и пластин/хлопьев (2D); F — микро-/наночастиц с невысокой температурой плавления

Смесь из нано- и микрочастиц имеет небольшое контактное сопротивление за счет микрочастиц, тогда как наночастицы повышают число контактов. К таким смесям относятся комбинации из нано- и микрочастиц; нанопластин и (2D)-микрочастиц; нанотрубок и (1D)-микрочастиц, а также любое сочетание из этих трех вариантов. Кроме того, можно использовать наполнитель из частиц с низкой температурой плавления. В нем удельное сопротивление между частицами снижается за счет их спекания. Таким образом, проводящие адгезивы можно отнести к следующим типам: нано-, микро-, нано-микро и с низкой температурой плавления.
На рисунке 2А показано поперечное сечение адгезива с наполнителем, имеющим низкую температуру плавления. За счет расплавления металлических частиц образуется равномерно распределенная проводящая сеть. Средний диаметр частиц серебра, используемых в проводящем адгезиве, составляет около 5 мкм. Из-за высокой концентрации наполнителя соседствовавшие частицы спеклись, между ними появились «шейки», и образовался проводящий тракт, как видно из рисунка 2В. Схожий результат наблюдался в том случае, когда серебряные частицы заменили медными (см. рис. 2С). Был исследован ряд адгезивов с наполнителями из серебряных нано- и микрочастиц. В смесях наночастицы занимают промежуточное положение между микрочастицами, что улучшает контакт между частицами и позволяет повысить проводимость. В случае с наполнителем из серебряных наночастиц (размером около 80 нм) они могут спечься и образовать непрерывный проводящий тракт. Большая поверхностная площадь серебряных наночастиц требует дополнительного количества растворителя для образования пасты с высокой концентрацией. На рисунке 2D показана микроструктура адгезива с наполнителем из серебряных нано-микрочастиц.

Рис. 2. Микроснимки поперечного сечения адгезивов: А — с низкой точкой плавления; В — с микрочастицами серебра; С — с микрочастицами меди; D — смесь наночастиц серебра с микрочастицами
Спекание

Хорошо известно, что размер частиц наполнителя оказывает непосредственное влияние на электрические свойства системы. В связи с этим были проведены исследования зависимости электрического сопротивления нанокомпозита с серебряными частицами, результаты которых приводятся в данной статье. На рисунке 3 представлены микроснимки образцов нанокомпозита с разными температурами спекания — от низкой (см. рис. 3А) до высокой (см. рис. 3Е). Видно, что основными компонентами смеси являются нано- и микрочастицы. Наночастицы могут контактировать с соседними частицами, однако размер сцепления у наночастиц в среднем примерно в 10 раз меньше диаметра микрочастиц (см. рис. 3А). По мере увеличения температуры спекания диффузия частиц увеличивается и становится заметнее. Площадь спекания намного увеличивается, что приводит к образованию одномерных структур, образующих в совокупности равномерно распределенную сеть (см. рис. 3B—D). Измерения проводимости показывают, что сопротивление этой структуры падает на 30—50% при температурах 200…265°C.
Напротив, композитные смеси из нано- и микрочастиц имеют совершенно другую морфологию, как видно из рисунка 3Е. Концентрация наночастиц в данном случае меньше (около 84% металлических частиц), и они не спеклись так, как это показано рисунках 3B—D. Больший процент частиц сохранил прежний вид, как если бы они не подверглись воздействию температуры. Таким образом, на рисунке 3 представлены нанокомпозиты, испытавшие воздействие низких и высоких температур. Можно заключить, что механизмы спекания были различными для нанокомпозитов с двумя разными смесями.
При высокой концентрации наночастиц они активно взаимодействуют друг с другом. Более того, диффузия (спекание) наночастиц проявляется в большей степени, чем у основной массы вещества. С увеличением размеров частиц им требуется более высокая температура для образования однородной металлической структуры, по форме напоминающей сеть. На рисунке 3F показано спекание микрокомпозитов при 365°C, у которых минимальный размер частиц составляет около 5 мкм. Однако при низкой концентрации (около 84% металлических частиц) полимер начинает играть решающую роль. В таких областях его количества достаточно для того, чтобы предотвратить диффузию/спекание металлических зерен, даже если они размером 80 нм (см. рис. 3Е).

Рис. 3. Полученные с помощью растрового электронного микроскопа снимки полимерного нано-микрокомпозита с проводящими адгезивами на основе серебра: А — неспеченный состав при температуре 200°C; В—D — спеченный состав при температуре (275 +10)°C; Е — неспеченный состав при 300°C; F — спеченный состав при 365°C
Формирование слоев

Для заполнения вертикальных отверстий в многослойных структурах применялся нанокомпозит. Проводящие соединения формировались при прессовании с использованием электропроводного нанокомпозита. Вертикальные межсоединения были созданы с помощью контактных слоев. Сквозные отверстия диаметром 50…300 мкм, полученные с помощью лазера или путем механического сверления, заполнялись электропроводным адгезивом на основе нанокомпозита. Заполненные адгезивом контактные слои спрессовывались со схемными субкомпозитами до образования композитной структуры. Термоотверждение адгезива в композите и установление электрического контакта между схемными субкомпозитами по вертикали достигалось за счет прессования. Для создания такой многослойной стуктуры использовалось несколько контактных слоев — 0S/1P, 0S/2P и т.д., позволяющих создать слои сигнала, напряжения и земли, которые, кроме того, могли находиться на одной поверхности.
При чередовании 2S/1P и 0S/1P в пакете слоев платы до прессования проводящий нанокомпозит обеспечивает электрическое соединение медных площадок на слоях 2S/1P, которые находятся на одной из двух сторон 0S/1P. Два сигнальных слоя добавляются к композитной структуре всякий раз, когда добавляются слои 2S/1P и 0S/1P. Структура с четырьмя сигнальными слоями, составленная из пяти субкомпозитов (два 2S/1P и три 0S/1P слоя), схематично показана на рисунке 4. Несмотря на то, что в этой конструкции чередуются слои 2S/1P и 0S/1P, имеется возможность поместить в пакете несколько слоев 0S/1P по соседству друг с другом.

Рис. 4. В результате прессования субкомпозитов (слоев) создается многослойная подложка для кристалла с четырьмя сигнальными плоскостями и полосковой линией передачи

На рисунке 5 представлены микроснимки стандартных контактных слоев, 55-мкм отверстия которого заполнены пастой. Фото поперечного сечения композитной прессованной структуры представлено на рисунке 6. Для реализации надежного соединения между диэлектрическими слоями, проводящей пастой и медной площадкой требуется тщательная подготовка субкомпозитов. Для полной герметизации элементов цепи и обеспечения высококачественного соединения между диэлектриками в процессе прессования необходимо достичь требуемой пластической деформации диэлектрических материалов. ИК-пайка (3Х, 225°C), испытания при повышенном давлении и температуре (PCT) и ударное воздействие волны припоя, выполненные для установления надежности проводящих соединений на этапе изготовления платы и субкомпозитном уровне, не выявили собственных механизмов разрушения. Расслоения или трещин не наблюдалось также в узлах, где использовалась паста. Проводящие узлы сохранили прежнюю функциональность даже после трехкратной ИК-пайки и PCT-тестирования, через 15 с после которых была выполнена пайка волной.

Рис. 5. Микроснимки контактного слоя, 55-мкм отверстия (А) которого заполнены адгезивом; В — тот же слой при большем увеличении
Рис. 6. Фотография поперечного сечения поля для чип-компонента с вертикальными 55-мкм отверстиями, заполненными нанокомпозитом
Выводы

Для межслойного соединения по оси z использовалось несколько проводящих адгезивов со смесью микро- и наночастиц. Эксперимент выявил успешное заполнение отверстий диаметром 55…300 мкм с относительно высоким соотношением занимаемой площади к площади платы. Добавка наночастиц позволяет уменьшить температуру спекания проводящих адгезивов с наполнителем из наночастиц. Адгезивы, в которых количество полимера превышает 16%, менее чувствительны к спеканию. Проводящие узлы сохранили прежнюю функциональность после трехкратной ИК-пайки, PCT-тестирования и ударного воздействия волны припоя. Заполненные нанокомпозитом контактные слои были спрессованы со схемными слоями, образовав прочные и надежные соединения по вертикали между субкомпозитами.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *