摘 要：结合微电子封装技术的发展，重点叙述用于混合微电子封装的聚合物粘接材料的组成、分类及聚合物可靠性实验的研究情况。同时，介绍国外关于导电类粘接材料导电机理的研究现状及进展。
关键词：封装；粘接；聚合物；混合集成电路
１ 引言
随着集成电路的飞速发展，集成电路的封装技术变得越来越重要。现代集成电路封装技术涉及的技术领域很广，其中，金属材料、陶瓷材料和聚合物材料技术是半导体芯片制造和微电子封装技术发展的关键?眼１?演。电子电路的封装，包括混合电路的封装，已不再是过去简单意义上的包封和金属密封等。现代微电子封装技术需要将互连、加电、冷却和器件保护等技术有机地结合起来，以确保器件的最佳性能和可靠性。因此，现代微电子封装技术被认为是计算机能否发挥最佳性能的决定性因素。微电子封装用的功能材料，包括高电导率的金属、低介电常数的陶瓷和热性能稳定的聚合物材料等。
聚合物材料具有良好的耐热性、抗溶剂性和力学性能。在混合微电子封装领域，聚合物材料一直起着非常重要的作用。表１列出聚合物材料在混合微电子封装领域的应用。本文重点综述目前国际上用于混合微电子封装的有机粘接剂的研究状况。
２ 微电子封装技术的发展
２．１ 封装的功能
在微电子封装内包含成千上万甚至百万个、千万个元器件。其中，主要是ＩＣ芯片，还有电阻器、电容器、二极管和其他类型的元器件。为了形成电路，必须对这些元器件进行互连。ＩＣ及其互连都需要机械支撑和保护。电路要工作，还需有电源，电的消耗还会产生热耗散。因为所有电路必须在一个有限的温度范围内工作，封装必须提供一种合适的方式来散热。
如图１所示，微电子封装必须具有四种主要功能：信号分配，包括主要的布图和电磁性能；电源分配，包括结构和材料；热耗散，包括结构和材料；元器件和互连的保护，包括机械、化学、电磁和抗辐照等方面。
２．２ 封装的分级
现代微电子封装可以分为三级。针对ＩＣ芯片的封装，无论是单芯片还是多芯片，都称为一级封装。将一级封装的器件或电路和其他元器件如电阻器、电容器和电感器等组装在一个基板上，称为二级封装。三级封装可以是一个小型装置，如计算器、便携式电话，也可以是由多个线路板组成的子系统或系统。
２．３ 封装技术的发展
从芯片级互连到一级封装，再到ＰＣＢ等，所有这些技术都被称为封装的分级结构。这些分级结构的发展如图２所示。
显然，随着封装技术的发展，封装模块的Ｉ／Ｏ端更多、尺寸和重量更小、可靠性更高、功能更强大。这种变化相应地要求微电子封装用的有机粘接材料也要有所发展。由于封装模块Ｉ／Ｏ端的增多，预计到２００５年，ＩＣ上的Ｉ／Ｏ数最多可达３８００个，Ｉ／Ｏ端的间距和无源元件尺寸的减小，ＳＭＴ技术中Ｐｂ／Ｓｎ焊膏的应用受到一定的限制。因为Ｐｂ／Ｓｎ焊膏有架桥现象，其最细线条的间距为３１８ μｍ～６３５ μｍ，而导电胶印刷的最细间距可达２５．４ μｍ?眼３?演。另外，出于环境保护的需要，欧、美、日等发达国家已出台一系列法律，禁止Ｐｂ／Ｓｎ焊膏等含Ｐｂ材料的应用。因此，近年来，世界上对无Ｐｂ连接材料包括导电胶的研究报道逐年增多。甚至有的科学家断言，无Ｐｂ连接材料替代Ｐｂ／Ｓｎ合金焊膏已成必然?眼４?演。
３ 聚合物粘接材料的分类及组成
用于混合微电子封装的聚合物粘接材料主要有两类：具有导电性能的导电胶和具有绝缘性能的绝缘胶。导电胶是通过在有机聚合物基体中添加导电填料，使其具有与金属材料相近的导电性能。导电胶又有各向同性和各向异性之分。常用的绝缘胶有环氧树脂、硅酯和聚酰亚胺三种。其中，环氧树脂最为常用。在环氧树脂中添加Ａｌ２Ｏ３、ＡＩＮ、ＢｅＯ和金刚石等导热材料又可构成导热胶，加入磁性材料也可构成导磁胶。
这里以导电胶为例，说明有机粘接剂的组成。导电胶一般由聚合物基体、预聚体、稀释剂、交联剂、催化剂、金属粉末及其他添加剂组成。其中，预聚体作为主要组分含有活性基团，为固化后聚合物的基体提供分子骨架。预聚体也是粘接强度的主要来源。导电胶的力学性能和粘接性能主要由聚合物基体来决定，如导电胶的粘接强度、固化前的黏度、固化后的韧性及其耐腐蚀性能等。稀释剂用来调节粘接剂的黏度，使之适合工艺要求。交联剂是多功能团化合物，可以连接预聚体，形成网络结构，也是固化后体系的一部分。催化剂可以提高固化速度，降低固化条件。导电填料有碳、金属和金属氧化物三大类。填料中，Ａｇ粉的使用最广。但在可靠性要求高的场合，最好使用Ａｕ粉作添加剂。
４ 导电胶导电机理的研究
关于导电胶的导电机理，目前有以下两种解释：一是通过导电填料间的直接接触产生传导；二是通过导体之间的电子跃迁即隧道效应产生传导。
在通常条件下，导电填料在聚合物基体中并不能形成完全的均匀分布，部分颗粒互相接触，形成链状导电通道。另一部分以孤立体或小团聚体的形式存在，不参与导电。但在电场作用下，相距很近的粒子上的电子能借助热振动越过势垒而形成较大的隧道电流。如果被粘接材料之间的导电胶层很薄，接近填料粒子尺寸，也可以直接通过粒子导电。
对导电胶导电机理的研究，还有其他几种解释。如导电粒子表面有机薄膜的分解有助于提高导电率，导电胶的穿流理论等。总之，对导电胶导电机理的研究目前还在进行。
５ 聚合物固化行为的研究
聚合物粘接材料的粘接强度，老化后的机械强度，导电胶的导电性能、机械性能，导热胶的导热性能，除了和材料本身的特性有关外，还和聚合物的固化过程有关。固化过程可以利用红外、微分扫描测热法ＤＳＣ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）等手段进行跟踪?眼７?演。通过对导电胶固化过程中电阻和形态变化的研究可知，为了获得导电胶的导电性能和老化性能的最佳匹配，导电胶的固化程度应该加以控制。固化程度太高或太低，都无法获得最佳结果。
６ 聚合物的可靠性实验研究
聚合物的可靠性包括粘接剂的耐冲击性能（温度冲击和机械冲击）和粘接的可靠性。导电胶还涉及接触电阻的稳定性及电迁移情况。加速老练实验是考核聚合物可靠性的有效手段。加速老练实验包括 １５０ ℃、１ ０００ ｈ热存，－５５ ℃— １５０ ℃的多次温度循环， ５ ｋｇ～１０ ｋｇ的离心力等。研究指出，导电胶中金属粉末的电化学腐蚀是影响导电胶接触电阻大小的重要因素?眼８?演。采用贵金属填料改善聚合物的基体结构，加入脱氧剂和腐蚀抑制剂，降低基体中的氧含量和水气含量可以抑制导电胶中的电化腐蚀。
导电胶中使用最多的导电粒子是Ａｇ，而Ａｇ在潮湿环境和偏压下会发生电迁移现象。但有多种实验都未在导电胶中发现Ａｇ离子的迁移现象?眼９－１０?演。导电胶中，Ａｇ离子密封在环氧树脂中，经过固化，这些树脂流动并覆盖在Ａｇ粒子表面，形成一个坚固的不可穿透的钝化层。这可能是在导电胶环境实验中没有观察到电迁移现象的原因。
７ 小结
目前，国内微电子产业的发展日新月异，ＳＭＴ更处于高速发展的阶段。混合微电子封装对聚合物粘接材料提出更高的要求。要求聚合物粘接剂的通用性更稳定，可靠性更高、更易操作。目前，国际上对粘接材料的研究主要集中在粘接材料新体系的开发、固化动力学、新的固化方式等几个方面。可以期望，在不远的将来，聚合物粘接材料可以大面积使用，而且，导电胶也会逐渐取代Ｐｂ?鄄Ｓｎ合金焊料在微电子封装中的地位。
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