3.3 新技术与材料发展
3.3.1 芯片黏接材料发展方向
由于芯片载体及对元器件可靠性的要求，单芯片封装的元器件中芯片厚度普遍为100～250μm。芯片黏接材料中的主流产品仍是导电胶，因为导电胶操作工艺成熟，可满足高可靠性，导热性能好、电阻低等。近年来，随着电子产品逐渐向高速化、小型化、便携化方向发展，集成电路芯片的集成度越来越高，电子元器件中晶圆的厚度越来越薄。随着单个晶圆/芯片厚度减小到小于100μm甚至更低，可靠性要求增加，导热要求更高，芯片黏接材料将面临更大的挑战。芯片黏接材料的发展方向如下：
1）高导热性和高可靠性导电胶/膜
该类材料可满足温度不低于260℃、湿度敏感等级1级（Moisture Sensitivity Levels 1，MSL1）的工作环境要求。目前以银为导电、导热介质，同时要求高导热性与高可靠性，把银含量做到86%以上已经非常困难，很多功率器件的导热性已无法满足要求。在这种情形下，很多企业和研究机构开始尝试银之外的介质材料，如银包铜、银铝合金、多金属合金等来兼顾高导热性、低电阻、高可靠性的要求。
2）大芯片用低应力、高可靠性导电胶/膜
方型扁平式封装（Quad Flat Package，QFP）等大芯片的封装有一定的导热性要求，且需要满足高可靠性要求，因此低应力导电胶/膜的应用成为一种趋势。
3）晶圆背面涂覆胶（Wafer Backside Coating，WBC）和贴片胶膜（DAF）等
由于芯片尺寸变大、厚度降低，因此必然需要一种低应力芯片黏接胶或膜来降低废品率。WBC和DAF均为较好的选择，但是在相关技术及材料特性上还需要进行突破来满足高可靠性的要求。
3.3.2 新型导电填料对芯片黏接材料的改性研究
1）纳米颗粒填充芯片黏接材料
当块状材料纳米尺寸化（1～100nm）后，颗粒直径减小，比表面积、表面能和表面原子所占比例显著增大。纳米化后的尺寸效应，导致纳米金属颗粒的熔点远低于块状材料的熔点，如Ag的颗粒尺寸在下降到纳米时，其烧结温度可以低于200℃，远低于块状Ag的961℃的熔点温度。因此，将纳米颗粒引入芯片黏接材料中，有利于实现封装元器件低温互连的目标。
经过近十几年来纳米科学的发展，初步形成了环境友好的纳米金属导电颗粒制造方法和体系，颗粒的尺寸和形貌可以通过实验方法进行良好控制，如Ag、Cu、Ni、Au、Sn等的纳米颗粒及其合金。当纳米颗粒加入芯片黏接材料制造成复合材料，或者作为芯片黏接材料中的主要连接材料时，“复合”的芯片黏接材料的整体熔点会相应地随之下降。图3-10所示为理论计算的Sn的熔点和颗粒尺寸的LSM模型（Liquid-Skin Melting，液体熔解模型）关系曲线，当Sn的颗粒尺寸下降到300nm之下时，其熔点也随之急剧下降。
图3-10 理论计算的Sn的熔点和颗粒尺寸的LSM模型关系曲线
以金属纳米颗粒为填料制造的导电胶，可以增大黏性物质的配比和可选择性的自由度，也有利于制造低黏度薄膜状导电胶和膏状导电胶。纳米金属填充导电浆料的制造方法与微米金属填充导电浆料的制造方法相似，主要是将纳米颗粒以干粉或液态形式，通过机械搅拌、超声分散等方式分散到有机载体中。目前，导电黏接材料的研究方向主要集中在Ag系、Cu系和碳系等方面，也有一些纳米无铅焊料（如Sn-Ag-Cu无铅焊料）等相关的研究工作，但由于材料制造的合成过程中的团聚现象及高成本等问题，纳米无铅焊料尚未应用于实际的芯片黏接工艺过程。
（1）Ag系导电黏接材料。
金属Ag具有热导率高、导电性能好、熔点高等优点，能够满足高功率器件的散热要求，同时具有良好的力学性能和抗腐蚀性能。目前市场上广泛应用的纳米银浆的主要导电成分是微米及亚微米级的Ag粉，其不能满足低温工艺和高密度互连等新技术的要求。纳米Ag颗粒保持了金属Ag稳定性好、不易被氧化的优势，而且烧结温度大幅度降低，在集成电路封装互连领域成为研究最多的、最有希望可以代替合金焊料的导电黏接材料。
纳米Ag导电胶的导电机理主要为渗流理论、隧道效应和场致发射理论。Ag的颗粒尺寸、形貌、表面性质、添加占比与导电胶性能密切相关。图3-11给出了Ag外形与导电胶电阻率的关系图，以Ag纳米棒为导电填料的导电胶渗流阈值最小，即在相同添加量的情况下导电胶的电阻率最小，其次是片状Ag粉和颗粒状Ag粉。
图3-11 Ag外形与导电胶电阻率的关系图
（2）Cu系导电黏接材料。
Cu的电阻率和Ag相近，而且价格相对低廉，但Cu在空气中会迅速被氧化，这阻碍了其作为导电填料的广泛应用。Cu粉导电胶的研究方向一方面是如何避免或降低Cu的氧化，另一方面是纳米Cu填料的研究。
目前关于纳米颗粒焊膏的研究主要包含纳米Ag焊膏和纳米Cu焊膏两种。其中纳米Ag焊膏的连接强度较好，但是其辅助压力制造工艺较为复杂，成本较高，规模化生产难度较大。而且纳米Ag焊膏的抗离子迁移能力较差，这导致焊点的可靠性降低。而纳米Cu焊膏的抗离子迁移能力相对较强，且材料本身的成本较低，是纳米化研究的热点之一，但纳米Cu焊膏焊接得到的焊点的强度较低，且纳米Cu焊膏的氧化问题更严重。
基于纳米Ag焊膏和纳米Cu焊膏的各自材料特性，有研究将两种焊膏按照一定比例进行混合，得到混合型焊膏。结果表明，多元醇法制得的混合型焊膏具有良好的防氧化特性，其烧结致密程度随烧结温度的增加逐渐增高。焊点强度与纳米Ag含量关系曲线如图3-12所示。
图3-12 焊点强度与纳米Ag含量关系曲线
另外，基于Cu6Sn5具有良好的导电导热性、热膨胀系数与Cu匹配良好等相关的材料特性，有研究利用纳米尺寸效应降低纳米颗粒焊料熔点这一特点，制造纳米尺寸的Cu6Sn5焊膏，以使其具备低温连接高温服役的应用特性。
2）碳系导电黏接材料
近年来，碳材料受到的关注越来越多，碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）和石墨烯等纳米材料在芯片黏接材料中得到应用，用于改善传统黏接材料的电学、力学及热稳定性能。
有研究正在研制以CNTs为导电填料的导电胶。与传统导电胶相比，以树脂为基体的导电胶在掺杂CNTs后，其电学性能显著提高，在降低了Ag含量的同时，材料的力学性能得到改善，但掺杂过多会增加溶液黏度。二维石墨烯具有优异的导电性能和导热性能，但在过长时间的超声过程中，石墨烯粉末结构会破坏，造成力学性能下降，所以需要对二维石墨烯改进后再作为导电填料复合进导电胶。多项研究表明，石墨烯在进行表面镀Ag等形式处理后，可以提高导电胶的电学性能和力学性能，还改善了材料的热稳定性。
此外，在制造纳米复合导电胶的过程中，如何在树脂基体中均匀地分散石墨烯、CNTs这类纳米材料成为制造的关键技术问题之一，目前主要采用搅拌、超声及增加化学改进剂等方式解决。
3）其他填充材料类型的导电黏接材料
在实际应用中，为提高性价比，除以上金属纳米颗粒及碳系导电填料外，还采用金属与玻璃纤维、玻璃微珠、有机颗粒的复合材料作为导电填料，以及生物材料、导电陶瓷粉末等非金属材料作为导电填料，用于改善导电胶的综合性能。
采用金属导电材料对高分子材料进行外表面修饰，可以避免大量金属加入导致的脆性和热延展性。与传统导电银浆相比，以镀银聚合物颗粒为导电填料的导电胶，显著降低了银的消耗，也降低了成本。