УФ-клеи для упаковки микроэлектронной продукции: Полный анализ решений для склеивания на уровне чипов 

Постоянное стремление к созданию более компактных, мощных и надежных электронных устройств создает огромную нагрузку на каждый компонент в корпусе. По мере уменьшения размеров элементов и увеличения функциональной плотности материалы, используемые для сборки и защиты хрупких полупроводниковых чипов, приобретают первостепенное значение. Среди них клеи играют важнейшую роль, выступая в качестве основного связующего звена, которое скрепляет все воедино. Традиционные эпоксидные смолы термического отверждения уже давно являются основным продуктом, но потребность в более высокой производительности и снижении термической нагрузки привела к появлению более совершенного решения – технологии микроэлектронных УФ-клеев.

Особые требования к УФ-клеям для микроэлектронной упаковки

Клей, используемый для бытовой электроники, принципиально отличается от того, который подходит для применения в полупроводниках. Клей для упаковки микросхем должен соответствовать строгому набору критериев, чтобы обеспечить производительность и долговечность конечного устройства. Несоблюдение этих стандартов может привести к катастрофическим поломкам в полевых условиях — чего разработчики не могут себе позволить в критически важных устройствах или устройствах с высокой надежностью.

1.Сверхнизкое ионное загрязнение

Полупроводниковые приборы невероятно чувствительны к ионным примесям, особенно к подвижным ионам, таким как хлорид (Cl⁻), натрий (Na⁺) и калий (K⁺). При наличии влаги и электрического напряжения эти ионы могут мигрировать по поверхности чипа, вызывая коррозию металлических следов, утечку электричества или прямое короткое замыкание. Таким образом, высококачественный полупроводниковый УФ-клей изготавливается из сырья “электронного класса” и очищается таким образом, чтобы содержание ионов было ниже 10 частей на миллион (ppm), что сводит к минимуму риск электрохимической миграции и обеспечивает целостность устройства. По моему опыту, даже незначительные отклонения от этого порога могут привести к существенному снижению надежности микросхем высокой плотности.

2.Высокая чистота и низкое газовыделение

Под дегазацией понимается выделение летучих соединений из адгезива во время или после отверждения. В герметичной микроэлектронной упаковке эти летучие вещества могут иметь катастрофические последствия. Они могут конденсироваться на чувствительных оптических поверхностях, таких как объективы фотокамер или датчики изображения, вызывая запотевание и ухудшение характеристик. Они также могут повторно оседать на прокладках для соединения проводов, препятствуя правильному электрическому соединению. Клеи для микроэлектроники должны выделять минимум газов, что подтверждается стандартными испытаниями, такими как ASTM E595. При сборке оптики в чистых помещениях я видел, как запотевание от некачественных клеев делает целые модули непригодными для использования — это не просто теория.

3. Контролируемый модуль упругости и низкий CTE

Коэффициент теплового расширения (КТР) измеряет, насколько сильно материал расширяется или сжимается при изменении температуры. Значительное несоответствие КТР между кремниевой головкой (прибл. 3 ppm/°C) и подложка (например, FR-4 при 14-18 ppm/°C) являются основной причиной механических повреждений. При нагревании и остывании устройства это несоответствие приводит к деформации упаковки. Микроэлектронный УФ-клей с низким коэффициентом трения разработан с низким CTE и регулируемым модулем упругости, чтобы поглощать это напряжение, предотвращая растрескивание штампа, расслоение и усталость паяных соединений.

4.Исключительная адгезия и надежность

Качество клея зависит от его сцепления. В микроэлектронике это означает достижение надежной адгезии без образования пустот к широкому спектру подложек, включая кремний, стекло, керамику, металлы (золото, медь) и различные органические ламинаты. Соединение должно быть не только прочным изначально, но и сохранять свою целостность после воздействия термических воздействий, высокой влажности и тысяч часов эксплуатации. Согласно результатам полевых испытаний, даже незначительное улучшение адгезионных характеристик может продлить срок службы компонента на годы при ускоренном испытании на долговечность.

Технический анализ рецептур низкотемпературных УФ-клеев

Создание клея, отвечающего всем этим противоречивым требованиям — прочного, но гибкого, чистого, но надежного — является достижением современной химии полимеров. Рецептура высокоэффективного полупроводникового УФ-клея представляет собой тщательно сбалансированную систему из нескольких ключевых компонентов.

1. Роль олигомеров и мономеров

Полимерную основу клея образуют олигомеры, которые в первую очередь определяют его основные свойства. Уретаноакрилатные олигомеры часто выбирают из-за их гибкости, ударной вязкости и характеристик низкого напряжения, что делает их идеальными для поглощения напряжения при несоответствии CTE. Они смешиваются с различными мономерами, которые действуют как активные разбавители, регулирующие вязкость и плотность сшивки. Выбор и соотношение этих компонентов определяют конечные свойства отверждения, такие как модуль упругости, температура стеклования (Tg) и относительное удлинение.

2.Передовая технология наполнителя.

Чтобы значительно снизить CTE клея и лучше соответствовать кремниевым свойствам, разработчики рецептур используют специальные неорганические наполнители. Плавленый кремнезем, обладающий чрезвычайно низким CTE, является одним из наиболее широко используемых вариантов. Задача состоит в том, чтобы добиться высокой концентрации наполнителя — иногда более 50% по весу — без ущерба для способности клея к дозированию или струйному нанесению.

3.Системы двойного отверждения для затененных участков

Существенным недостатком УФ-отверждения в чистом виде является то, что оно требует прямой видимости источника ультрафиолетового излучения. Во многих случаях при упаковке крупногабаритных компонентов, таких как наполнение или герметизация крышек, существуют “затененные” области, куда не может проникать свет. Для решения этой проблемы используются клеи двойного отверждения. Эти системы содержат как фотоинициатор УФ-отверждения, так и термический инициатор. Этот подход широко используется в MEMS-упаковке большого объема, где важны производительность и герметичность.

Ключевые моменты для точного управления процессом дозирования

Лучший в мире клей для упаковки чипсов выйдет из строя при неправильном нанесении. Точное дозирование – важнейший этап производства, требующий строгого контроля за материалом, оборудованием и технологическими параметрами.

1.Регулирование вязкости и тиксотропии

Вязкость измеряет сопротивление жидкости течению, а тиксотропия описывает, как жидкость становится менее вязкой при перемешивании. Идеальный клей для дозирования обладает высокой тиксотропностью — он легко проходит через узкую иглу под давлением, но мгновенно загустевает и сохраняет свою форму после нанесения.

2.Выбор правильной технологии дозирования

При сборке микроэлектроники используется несколько технологий дозирования:

Системы Время/давление: Просты и экономичны для больших объемов осаждения, но менее точны для микромасштабных устройств.
Шнековые клапаны (винтовые насосы): Обеспечивают превосходную объемную консистенцию.
Струйные клапаны (бесконтактное дозирование): Золотой стандарт для сборки в больших объемах и с высокой точностью.

3.Калибровка параметров УФ-отверждения

УФ—отверждение – это больше, чем просто воздействие – это контролируемый процесс полимеризации. К ключевым параметрам относятся:

Длина волны: Оптимизирована примерно на 365 нм.
Интенсивность: Более высокая интенсивность ускоряет отверждение.
Доза: Должна соответствовать или превышать требуемый порог адгезии.