模拟底部填充胶的热压键合过程

非导电膜是一种新兴的底部填充粘合技术，在微电子行业中用于组装电子元件。对非导电膜材料和工艺进行优化非常困难，因为必须实现快速粘合、高度固化和正确的底部填充圆角形状。粘合能不能成功取决于材料的化学流变学特性和粘合工艺参数之间的相互作用。为了深入理解这些耦合作用，Veryst 工程公司使用 COMSOL 模拟了热压键合过程中的非导电膜流动和固化。

粘合剂：将电子元件固定在一起

使用粘合剂确保电子元件保持粘合状态是微电子行业的一项重要工作。在倒装式芯片封装过程中，使用底部填充胶将芯片粘合到基材上，保护脆弱的焊接连接。行业内的标准做法是先将芯片粘合到基片上，然后在芯片边缘均匀注入底部填充胶，使其在芯片和基片之间渗透从而填充间隙。这种方法被称为毛细管底部填充。

倒装式芯片封装。图片来源：Veryst Engineering 公司。

与所有制造工艺一样，倒装式芯片封装的一个关键是降低成本和提高生产率。与毛细管底部填充技术相比，非导电薄膜是一种可以帮助加快倒装式芯片组装的有前景的技术。使用非导电膜技术时，需要在准备芯片和热压键合之前将底部填充胶涂在晶圆上。但是，使用这种技术面临着一个挑战，即需要在以下两个要求之间权衡，以达到最佳效果。

1. 需要创建一个凹形的底部填充圆角，因为其他形状会影响电子设备的可靠性（如下图所示）。
2. 在粘合过程中实现高度固化

平衡这两个要求很难，因为粘合过程只持续几秒钟（加热/冷却速率小于 100°C/s），而且非导电膜材料具有复杂的化学流变特性。

为了研究这个问题，以及其他影响底部填充粘合剂的因素。 COMSOL 的认证顾问，Veryst工程公司在热压键合过程中对非导电膜进行了仿真。

什么是化学流变学？

化学流变学研究的是反应系统中的物质如何变形和流动。化学流变学有两个不同但又相互关联的方面。物质的变形和流动在固化过程的开始阶段尤其重要，因为它受到加热速度和压力等因素的影响。与这些变化紧密相连的是正在发生的化学反应，包括反应的速度、原理、动力学和化学反应的结束。在固化过程中，物质的黏度和密度（在较小程度上）可能发生变化。因此，材料的化学流变学特性对完成粘合过程的时间有很大影响。

在 COMSOL Multiphysics^® 中对非导电膜的热压键合进行建模

为了模拟正在进行热压键合的非导电膜，Veryst 创建了一个包括以下过程的多物理场模型。

• 多相流动
• 热传递
• 表面润湿

在热压键合过程中，有两个重要的变量：温度和压缩轮廓，用于芯片模和基板的粘合工具。在 COMSOL Multiphysics^® 软件中，使用固体传热 接口模拟模型中的加热和冷却。此外，使用两相流、动网格 接口考虑芯片模对基板的压缩，和追踪底部填充物和空气的边界。

倒装式芯片封装的压缩。图片来源：Veryst Engineering 公司。

使用域常微分方程 接口创建化学流变模型，Veryst 公司能够模拟底部填充圆角的形成，分析底部填充粘合剂的固化演变，以及说明固化和温度如何影响黏度。

比较两种材料和工艺的组合

我们来看看热压键合仿真中使用的两种不同材料和工艺组合的模拟结果。在第一个组合中，如下左图所示，底部填充圆角的形状是凸的。这种材料和工艺的组合是不可取的，因为它可能对电子设备的可靠性产生不良影响。凸起的形状会导致应力集中在底部填充物的边缘。至于第二种材料和工艺组合，如下右图所示，底部填充物圆角是凹形的，这种组合类型是一种更理想的形状，因为边缘的应力分布更好。

两种材料/工艺组合的圆角形状和固化度。图片来源：Veryst Engineering 公司。

除了圆角形状外，工艺结束时的固化度也是研究的重点。在粘合过程中达到较高的固化度意味着需要较少的后固化来达到完全固化。

下图说明了非导电膜材料在3s粘接过程中的流动和固化演变过程。通过COMSOL Multiphysics模型提供的结果，我们能够确定在给定条件的粘接过程中，应该以何种固化率为目标实现最佳的固化轮廓。还可以对材料的化学成分进行调整，实现最佳的固化轮廓。

首选材料/工艺组合在 3s 内的固化度。图片来源：Veryst Engineering 公司。

Veryst 的模拟结果显示，工程师能够模拟热压键合过程中不同材料/工艺组合的圆角形状和固化度。通过仿真，我们能够优化微电子组装工艺中的非导电膜，提高电子元件的产量，并降低制造成本。

更多资源

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