各向异性导电薄膜的模拟分析

各向异性导电薄膜（Anisotropic Conductive Film，ACF）具有许多独特的优势，如能允许极端小的间距、无铅且环保等，正广泛用于高精度倒装芯片制造技术中^[42]。图2.13所示为一种典型的ACF倒装芯片。导电颗粒是镍-金涂层包覆的高分子球，其直径为3.5μm。为了提高ACF组装的电气性能，人们正考虑把纳米导电填料应用在下一代的高性能精细间距封装应用中^[43]。

图2.12 倒装芯片焊点寿命的预测结果

a）传统底部填充剂 b）无流底部填充剂

图2.13 ACF倒装芯片及单个导电颗粒的结构

计算机模拟分析，特别是有限元分析，已经作为预测各向异性导电胶（ACA）颗粒在融合过程和可靠性测试中行为和响应的强大工具。然而，以往的模拟研究^[44，45]主要是对ACF颗粒的简化二维模型进行分析的。现有的ACF颗粒三维模型则集中在微观领域，并忽略了ACF颗粒对封装整体的影响；或者即使能对整个封装进行模拟，也需要采用微观互连水平的总体假设^[46-48]。难以对其进行有效的三维模拟，其原因是各向异性导电薄膜倒装芯片组装的尺度范围特别大，且含有大量的导电颗粒。(www.xing528.com)

ACF材料中导电颗粒的直径有几微米，颗粒金属化的厚度则在纳米级别，约50nm。如果芯片的长度是11nm，那么两者的比例大致是1∶200000。此外，用于将倒装芯片元件粘结到其基底上的典型的ACF材料中含有成千上万的导电颗粒。这意味着一种包含所有颗粒及其相互连接关系的“精确”有限元模型将需要数百万个甚至是十亿个网格，采用现有的计算机技术很难实现这种模型。

因此，需要一种宏观-微观的三维模拟技术，以便精确地模拟可靠性测试中ACF导电颗粒的行为。图2.14所示为宏观和微观两种模型，其网格密度差别非常大。其中，宏观模型用于预测可靠性测试中整体组装的总体性能。从该宏观模型得到的位移值随后被用作微观模型的边界条件，以便能对感兴趣的区域进行复杂应力分析。与以往的其他模拟技术相比，这种宏观-微观模拟技术能对ACF倒装芯片进行更详细的三维模拟分析。

图2.14 一个ACF组装的宏观模型与微观模型的网格细节

a）宏观 b）微观

利用这种模拟技术能够预测热压测试环境下ACF倒装芯片内部的湿度分布和感应应力，且模拟结果和实验的检验结果一致。