玻璃覆晶封装(COG)中的可靠性问题

玻璃覆晶封装(COG)中的可靠性问题

(资料来源:半导体仿真论坛,http://www.iccae.com)

摘要：本文从连接界面松弛分层、导电颗粒捕捉和结构热翘曲方面从工业应用的角度简要介绍了玻璃覆晶封装(COG)中的可靠性问题。
Abstract: From the point of industrial application, this paper briefly introduces some common reliability issues of chip on glass (COG) package in terms of interfacial looseness and delamination, particle entrapment and thermal warpage.
1简介
玻璃覆晶封装 (COG-Chip on Glass) 技术是一种将裸晶片互连到玻璃基板上的封装技术。它通过各向异性导电胶(ACF-Anisotropic Conductive Film) 实现IC与玻璃基板间的机械粘合以及电气连接，其基本封装结构和截面如示意图1所示。其中IC下表面均布着许多的金凸点, 这就是IC的IO点。在玻璃的表面，有一层极薄的导线层(厚度小于1m)，材质一般为铟锡氧化物(ITO-Indium Tin Oxide)或是AL/Mo/Cr等金属以及合金 。ACF是热固性树脂与球状导电颗粒的混合物，由于ACF中的导电颗粒浓度较小，ACF的电性能在宏观上表现为绝缘。在COG工艺最后的热压过程中，凸点下方的导电颗粒与凸点以及玻璃表面的导线发生紧密的机械接触，实现了凸点与ITO的导通。相邻凸点间隙内的导电颗粒因相距较远仍保持相互绝缘的状态。COG工艺完成后， ACF在竖直方向上表现为导体，而在水平方向上却表现为绝缘体，于是得名为“各向异性导电胶”。在热压过程中，ACF中的树脂固化，将IC与玻璃基板牢固的粘接在一起，从而实现了对IC的机械支撑与固定。
COG技术作为倒装芯片技术(Flip Chip)的一个分支，与常规的使用焊料凸点和底部填充(Under Fill)的倒装芯片技术相比，具有很多有点。包括IO密度高(大于1000 IO每IC)、超细间距(小于45m)、局部加热与低温、耗时短(艺时间小于20秒，无需额外的底部填充和固化工艺)和成品率高(大于99%)等等。因此，它被广泛应用于液晶显示屏幕，尤其是手机屏幕等小尺寸的液晶显示模块的制造中。COG技术在工艺和材料上的特殊性给它带来了一些有别于其他封装技术的可靠性问题，下面将结合COG技术的工艺和材料特点从工业应用的角度针对几个主要的可靠性问题进行简要的介绍。


图1：COG封装结构：(左)互连示意图，(右)凸点互连截面图
2 导电胶互连的几个可靠性问题与对策
COG技术作为一种互连技术，凸点与ITO之间的导通电阻是否足够小，凸点与凸点之间的绝缘电阻是否足够大，是衡量其性能好坏的两个主要指标。目前COG技术中的主要可靠性问题都是围绕着这“一小一大”产生的。
2.1界面松弛分层问题
凸点和ITO是通过与导电颗粒的机械接触实现电气互连的。这种机械连接相对于通过焊料凸点与焊盘焊接实现的冶金互连而言，电阻较高而稳定性差，从0.1Ohm到几百Ohm不等，而冶金连接的电阻通常小于0.01Ohm。由于机械连接是依靠两个连接表面相互压紧来保持的，随着温度、压力的变化，由于热膨胀系数的差异，很容易使得界面松弛，出现裂纹和分层，导致电阻的不稳定以及失效。实际上，在颗粒与凸点或者ITO互连的界面处，颗粒的表面由于受压已经有很多裂纹了，如图2所示。而且，互连过程中，也会在界面引入一些气泡，这些气泡成为裂纹扩张的通道，使得结合强度降低，而容易发生分层，如图3所示。另外，树脂极易吸收水分膨胀，也极易导致界面松弛、连接失效。在水分的作用下，接触表面的金属如果发生氧化反应，接触电阻也会随之曾加。由此可见，机械接触的可靠性是很差的。针对这些问题，人们想出了很多对策加以改进和克服。
为了克服界面松弛的问题，降低连接对温度变化的敏感度，导电颗粒多采用在弹性树脂球核外裹附金属导电层的结构，树脂球核可以起到象弹簧一样的作用，使颗粒表面与凸点以及ITO始终保持压紧的状态。
为了减少树脂的吸水量，一方面，在制造ACF时会选用吸水率低的树脂；另一方面，在COG工艺完成后，会在ACF表面涂敷一层具有防水作用的保护材料。为了减少接触面上金属的氧化，还对导电颗粒表面进行了镀金处理。

图2：颗粒涂层开裂和间隙 图3：界面处的气泡在分离中提供扩展通道
2.2导电颗粒捕捉问题
还有一个影响导通电阻的关键性因素，那就是每个凸点压到的导电颗粒个数，习惯称为捕捉颗粒数。它受到凸点外形尺寸、颗粒浓度、ACF流动性能等因素的影响。一般而言，凸点尺寸越大，捕捉到的颗粒数量越多，但研究表明，凸点的长宽比对捕捉的颗粒数量也有很大的影响。在低成本、多功能的驱使下，LCD驱动IC的尺寸不断减小，但IO的数量却不断增加，导致凸点的尺寸迅速下降。现在市场上已经可以看到凸点面积小于2500m2的IC，这给COG工艺提出了极大的挑战。目前主要的改进集中在对ACF结构和成分的优化上。为了提高颗粒浓度而又不增加ACF的成本，Hitachi提出了双层ACF的结构并拥有专利，结构如图4。通过对ACF流动的观察和分析可以发现，只有紧挨着玻璃的若干层颗粒会被凸点捕捉到，而紧挨IC一侧的颗粒对此贡献极小。如果在制造ACF时，将上层的颗粒全部转入下层，就可以在不增加颗粒总量的前提下，提高有效的颗粒密度，从而大大提高凸点捕捉的颗粒数量，这就是 NCF/ACF的双层ACF结构。


图4：双层ACF互连结构示意图
试验表明，在COG热压后被凸点捕捉到的颗粒数量还不及热压前凸点下方的原始颗粒数量的1/3，这是ACF的流动造成了。那么，只要降低ACF的流动性，让颗粒尽可能的留在原处，就可以极大的提高颗粒捕捉数量。如果将整个ACF树脂的流动性降低，热压后树脂中的残留应力会很大，树脂发生回弹，会造成导电颗粒与凸点/ITO之间出现界面松弛。目前采用的办法，是在双层ACF结构的基础上，在NCF和ACF两层使用不同的树脂。NCF层选用高流动性的树脂，帮助压力的释放，ACF层选用低流动性树脂，使导电颗粒尽可能的留在原处。
在COG的热压过程中，导电颗粒会随着ACF发生流动，很容易在凸点之间发生塞集。随着IO密度的增加，凸点之间的间隙越来越小，这种塞集越发的严重。这种塞集会直接导致凸点间短路，如图5所示。解决办法就是给导电颗粒加绝缘层，如图6所示。目前，Sony、Hitachi生产的用于小间距COG工艺的ACF都采用的是带绝缘层的导电颗粒。在互连过程中，凸点间捕捉到的颗粒受到压力，表面绝缘层破裂，使得内部导电层能和凸点发生紧密接触而导通。而凸点横向间隙中的颗粒表面没有破裂，即使由于挤压流动接触在一起，也不会发生导电。

图5：导电颗粒塞集导致短路 图6： 带绝缘层的导电颗粒示意图
2.3结构翘曲问题
翘曲问题也是个值得注意的可靠性问题。在热压时，通常是从IC、玻璃两侧同时加热。为了减少高温对液晶以及边框密封胶的不利影响，玻璃一侧的温度值通常不会超过120C，而ACF的工艺温度约200C，这样需要将IC一侧温度升至270C以上。IC与玻璃间150度的温差，加之热膨胀系数和热传导率有差异，IC与玻璃之间会出现较大的热膨胀失配。也就是说，在加热时，IC的热膨胀量远大于玻璃，由于ACF处于流动状态，IC与玻璃发生相对滑动，两者均保持平整；由于IC的膨胀量大于玻璃，冷却过程中，ACF已固化，IC与玻璃无法发生相对滑动，玻璃受到来自于IC的压应力。冷却到室温后，这种应力依然很大，最终使得玻璃和IC向IC一测发生翘曲的趋势，如图7所示。


图7：COG热变形，(a)热压翘曲趋势示意图, (b)互连过程传热模拟
翘曲使得位于IC四个角的ACF处于拉申状态，直接导致导电颗粒与凸点以及ITO的脱离，界面松弛，互连点电阻上升。随着IC长度的增加以及IC/玻璃温差的增加，翘曲会越发的严重。由于残余应力的存在，IC和玻璃在机械震动以及跌落测试中，也更容易发生破裂。由此可见，翘曲对产品的电连接以及机械强度方面的可靠性都会有较大的负面影响。
解决的方法分为两类，一类是互连工艺的优化，另一类是ACF材料的优化。从工艺上来看，导致翘曲的直接原因是热压时IC和玻璃间的温差。由于玻璃一侧的温度不能提得过高，所以主要是降低IC一侧的温度。这会导致ACF加热温度的降低，固化速度减慢，热压时间必须增长，否则ACF无法达到所需的固化程度，会给连接的可靠性造成较大不利影响。这样将导致COG工艺的生产效率下降。相比之下，优化ACF材料的方法就可以避免生产效率的损失。目前市场已出现“低应力”型的ACF，实际使用情况表明，在相同的热压工艺下，翘曲度减小50%以上。
许多研究者从学术角度在导电胶互连的工艺优化、机械性能特点、电性能稳定性等方面做了很多测试和可靠性分析。另外，还有一些导电胶用于柔性基板的互连技术(COF-Chip on Flex)。此处不进行详述，感兴趣的读者可以参考相关文献。
3 结语
随着世界电子制造中心逐步向我国转移，液晶平板显示产业将获得飞速的发展，COG技术会获得更加广泛的应用。因此，在其材料、工艺和可靠性方面还有待进一步研发和应用，以跟上电子时代的步伐。
4致谢
感谢香港城市大学Jirhar先生和华中科技大学吴一平教授提供的帮助，另外致谢因篇幅限制未列出的文献的作者。
5主要参考文献
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