半導(dǎo)體芯片電子封裝膠粘劑（膠水，粘接劑）膠接工藝及膠粘技術(shù)

引言：膠接是通過具有黏附能力的物質(zhì)，把同種或不同種材料牢固地連接在起的方法。具有黏附能力的物質(zhì)稱為膠粘劑或黏合劑，被膠接的物體稱為被粘物，膠粘劑和被黏物構(gòu)成的組件稱為膠接接頭。其主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、生產(chǎn)率高；工藝靈活、快速、簡便；接頭可靠、牢固、美觀產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和加工工藝簡單；省材、省力、成本低、變形小。容易實(shí)現(xiàn)修舊利廢接技術(shù)可以有效地應(yīng)用于不同種類的金屬或非金屬之間的聯(lián)接等。

 膠水的固化方式，一般有以下幾種：1、常溫固化；2、加熱固化；3、UV固化；4、復(fù)合型固化。

先進(jìn)院（深圳）科技有限公司底部填充技術(shù)

一 底部填充技術(shù)の簡介

底部填充技術(shù)上世紀(jì)七十年代發(fā)源于IBM公司，已經(jīng)成為電子制造產(chǎn)業(yè)重要的組成部分。起初該技術(shù)的應(yīng)用范圍只限于陶瓷基板，直到工業(yè)界從陶瓷基板過渡到有機(jī)（疊層）基板，底部填充技術(shù)才得到大規(guī)模應(yīng)用，并且將有機(jī)底部填充材料的使用作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定下來。

 隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展趨向微型化、薄型化、高性能化，IC封裝也趨于微型化、高度集成化方向發(fā)展。通過采用底部填充可以分散芯片表面承受的應(yīng)力進(jìn)而提高整個產(chǎn)品的可靠性，因而底部填充成為提高電子產(chǎn)品可靠性的必要工藝。底部填充工藝(underfill)是將環(huán)氧樹脂膠水點(diǎn)涂在倒裝晶片邊緣，通過“毛細(xì)管效應(yīng)”，膠水被吸往元器件的對側(cè)，完成底部充填過程，然后通過加熱使膠水固化。底部填充可以解決精密電子元件的諸多問題，比如對于CSP、BGA、POP等工藝，底部填充能極大提高其抗沖擊能力；對FLIP CHIP而言，因其熱膨脹系數(shù)（CTE）不一致產(chǎn)生熱應(yīng)力極易導(dǎo)致焊球失效，底部填充能有效提高抵抗熱應(yīng)力的能力。Under Fill點(diǎn)膠工藝廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子行業(yè)，如手機(jī)、穿戴、TWS、汽車電子等相關(guān)聯(lián)PCB或FPC。

二 底部填充技術(shù)の主要工藝流程

原理：底部填充膠的應(yīng)用原理是利用毛細(xì)作用使得膠水迅速流過BGA 芯片底部芯片底部，其毛細(xì)流動的最小空間是10um。這也符合了焊接工藝中焊盤和焊錫球之間的更低電氣特性要求，因?yàn)槟z水是不會流過低于4um的間隙，所以保障了焊接工藝的電氣安全特性。

（1）毛細(xì)管底部填充從器件 邊緣注入。

   使用的底部填充系統(tǒng)可分為三類：毛細(xì)管底部填充、助焊（非流動）型底部填充和四角或角-點(diǎn)底部填充系統(tǒng)。每類底部填充系統(tǒng)都有其優(yōu)勢和局限，但使用最為廣泛的是毛細(xì)管底部填充材料。毛細(xì)管底部填充的應(yīng)用范圍包括板上倒裝芯片（FCOB）和封裝內(nèi)倒裝芯片（FCiP）。通過采用底部填充可以分散芯片表面承受的應(yīng)力進(jìn)而提高了整個產(chǎn)品的可靠性。

在傳統(tǒng)倒裝芯片和芯片尺寸封裝（CSP）中使用毛細(xì)管底部填充的工藝類似。首先將芯片粘貼到基板上已沉積焊膏的位置，之后進(jìn)行再流，這樣就形成了合金互連。在芯片完成倒裝之后，采用分散技術(shù)將底部填充材料注入到CSP的一條或兩條邊。材料在封裝下面流動并填充CSP和組裝電路板之間的空隙。盡管采用毛細(xì)管底部填充可以極大地提高可靠性，但完成這一工藝過程需要底部填充材料的注入設(shè)備、足夠的廠房空間安裝設(shè)備以及可以完成準(zhǔn)確操作的工人。由于這些投資要求以及縮短生產(chǎn)時間的壓力，后來開發(fā)出了助焊（非流動）型底部填充技術(shù)。

（2）非流動型底部填充工藝流程 及優(yōu)點(diǎn)。

相對于其他底部填充系統(tǒng)來說，非流動型底部填充的更大優(yōu)點(diǎn)在于對工藝的改進(jìn)，在材料性能方面并沒有明顯差異。為了讓底部填充的填充過程與傳統(tǒng)的表面組裝工藝更好的兼容，非流動型底部填充不能使用控溫準(zhǔn)確度很高的固化爐。通過將助焊性能集成到底部填充材料中，CSP的粘片和材料固化工藝合二為一。在組裝過程中，在元件放置之前先將非流動型底部填充材料涂覆到粘片位置上。當(dāng)線路板進(jìn)行再流時，底部填充材料可以作為助焊劑，協(xié)助獲得合金互連，并且本身在再流爐中同步完成固化。所以可以在傳統(tǒng)的表面組裝工藝線上完成底部填充。從設(shè)備和人員投入的角度來講，非流動型底部填充系統(tǒng)節(jié)約了成本和時間，但自身也受到一些限制。與毛細(xì)管底部填充不同，非流動型底部填充材料中必須含有填充物。在底部填充材料中的填充材料可能正好位于焊料球和電路板焊盤之間。從設(shè)計上考慮，為了改善再流過程中焊料鍵合，要求該系統(tǒng)內(nèi)不能含有微粒。如果沒有微粒，底部填充材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）比較高，經(jīng)過溫度循環(huán)后其性能就不如毛細(xì)管底部填充穩(wěn)定。另外，如果采用傳統(tǒng)的再流工藝，而不進(jìn)行準(zhǔn)確溫度控制也會降低再流工藝的成品率。此外電路板上吸附的濕氣再流時也會被釋放出來形成孔洞。但新的改進(jìn)工藝已經(jīng)克服了上述缺點(diǎn)。

（3）預(yù)成型底部填充應(yīng)用的工 藝流程。

對于帶 中間插入層或邊角陣列的CSP來說，采用毛細(xì)管底部填充或非流動型底部填充系統(tǒng)都不如角-點(diǎn)底部填充方法更合適。這種方法首先將底部填充材料涂覆到CSP對應(yīng)的焊盤位置。與非流動型底部填充不同，角-點(diǎn)技術(shù)與現(xiàn)有的組裝設(shè)備和常規(guī)的焊料再流條件兼容。由于這類底部填充是可以返修的，制造商們也避免了因?yàn)橐粋€器件缺陷就廢棄整個電路板的風(fēng)險。技術(shù)的轉(zhuǎn)換需要提高可靠性 由于器件及其引腳節(jié)距變得更小、功能要求更多，并且需要產(chǎn)品工藝實(shí)現(xiàn)無鉛化，因此在下一代電子產(chǎn)品中，底部填充技術(shù)的應(yīng)用變得越來越重要。底部填充可以提高CSP中無鉛焊料連接的可靠性，與傳統(tǒng)的錫-鉛焊料相比，無鉛互連更容易產(chǎn)生CTE失配造成的失效。由于無鉛工藝的再流溫度較高，封裝基板的翹曲變得更為強(qiáng)烈，而無鉛焊料本身延展性又較低，因此該種互連的失效率較高。向無鉛制造轉(zhuǎn)換的趨勢和無鉛焊料本身的脆性等綜合作用，使得在器件中使用底部填充技術(shù)已經(jīng)成為成本更低，選擇最為靈活的解決方案。

 隨著產(chǎn)業(yè)鏈向引腳節(jié)距0.3mm的CSP、節(jié)距小于180祄的倒裝芯片封裝以及更小尺寸發(fā)展，采用底部填充材料幾乎是唯一可以保證全線成品率的方法。即將出現(xiàn)的可能 除了滿足不斷變化的機(jī)械要求，保證高可靠性之外，電子產(chǎn)品制造商還必須讓產(chǎn)品的成本更具競爭力。面對這樣的挑戰(zhàn)，尚處于研發(fā)階段的新底部填充技術(shù)，盡管仍處于一個產(chǎn)品的嬰兒期，已經(jīng)顯示出很好的前景。非流動型底部填充的優(yōu)勢在于工藝效率較高，并且減少了設(shè)備和人員成本。但在使用底部填充材料時遇到的技術(shù)難題使這些優(yōu)勢都變得不重要了。不過市場上出現(xiàn)了含有50%填充成分的非流動型底部填充材料。采用了該比例填充料之后，在保持非流動型底部填充工藝流程的同時，改善了產(chǎn)品的溫度循環(huán)性能。另一個備受關(guān)注的創(chuàng)新是預(yù)成型底部填充技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)有望在后道封裝中完全消除底部填充工藝，而在CSP進(jìn)行板級組裝之前涂覆底部填充材料，或者在晶圓級工藝中涂覆底部填充材料。預(yù)成型底部填充在概念上很好，但要實(shí)施到當(dāng)前的產(chǎn)品中，在工藝流程上還有一些挑戰(zhàn)需要面對。在晶圓級底部填充材料的涂覆中，可以在凸點(diǎn)工藝之前或之后涂覆預(yù)成型底部填充材料，但兩種方法都需要非常準(zhǔn)確的控制。如果在凸點(diǎn)工藝之前涂覆，必須考慮工藝兼容問題。與之相反，如果在凸點(diǎn)工藝之后涂覆，則要求預(yù)成型底部填充材料不會覆蓋或者損壞已完成的凸點(diǎn)。此外還需考慮到晶圓分割過程中底部填充材料的完整性以及一段時間之后產(chǎn)品的穩(wěn)定性，這些在正式使用底部填充材料到產(chǎn)品之前都需要加以衡量。盡管某些材料供應(yīng)商對預(yù)成型底部填充材料的研發(fā)非常超前，但將這一產(chǎn)品投入大規(guī)模應(yīng)用還有更多的工作要完成。

 （4）預(yù)成型底部填充應(yīng)用 的工藝流程。

結(jié)論 如果沒有底部填充材料的使用，當(dāng)今的窄節(jié)距器件就無法克服可靠性問題。此外為了降低無鉛焊料連接位置由CTE失配引起的失效率，無鉛制造的工藝流程和溫度要求都要求使用底部填充材料。新工藝流程的要求、器件功能的不斷增多和封裝尺寸的減小，這些要素都要求越來越多地使用牢固的底部填充系統(tǒng)。盡管已有很多種不同類別的底部填充技術(shù)，為了滿足電子產(chǎn)品多功能、低成本的要求，還需要開發(fā)出下一代低成本、工藝流程簡單的底部填充技術(shù)。

三 底部填充技術(shù)の作用

 隨著手機(jī)、電腦等便攜式電子產(chǎn)品，日趨薄型化、小型化、高性能化，IC封裝也日趨小型化、高聚集化，CSP/BGA得到快速普及和應(yīng)用，CSP/BGA的封裝工藝操作要求也越來越高。底部填充膠的作用也越來越被看重。BGA和CSP，是通過微細(xì)的錫球被固定在線路板上，如果受到?jīng)_擊、彎折等外部作用力的影響，焊接部位容易發(fā)生斷裂。而底部填充膠特點(diǎn)是：疾速活動，疾速固化，能夠迅速浸透到BGA和CSP底部，具有優(yōu)良的填充性能，固化之后可以起到緩和溫度沖擊及吸收內(nèi)部應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)BGA與基板連接的作用，進(jìn)而大大增強(qiáng)了連接的可信賴性。舉個例子，我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)，從2米高地方落地，開機(jī)仍然可以正常運(yùn)作，對手機(jī)性能基本沒有影響，只是外殼刮花了點(diǎn)。很神奇對不對？這就是因?yàn)閼?yīng)用了BGA底部填充膠，將BGA/CSP進(jìn)行填充，讓其更牢固的粘接在PBC板上。

使用UNDERFILL底部填充膠水の注意事項(xiàng)

 （1）流動性：流動性或者說填充速度往往是客戶非常關(guān)注的一個指標(biāo)，尤其是作為實(shí)際使用的SMT廠家，而實(shí)際對于可靠性要求非常高的一些行業(yè)，這個倒是其次的。就目前SMT行業(yè)的普遍要求，一般在1～30分鐘理論上都是可接受的（當(dāng)然手機(jī)行業(yè)一般是在2-10分鐘以內(nèi)，有些甚至要求以秒計，這個也需要結(jié)合芯片的大小）。測試方法：最簡單的方法當(dāng)然是直接在芯片上點(diǎn)膠進(jìn)行測試，而且評估不同膠水的流動性時更好是同時進(jìn)行平行測試（更好樣板數(shù)要5-10個以上）。在研發(fā)段對流動性的測試就是用兩塊玻璃片間膠水的流動速度來判斷研發(fā)方向的。影響流動性的因素有很多，在平行的測試條件下，下面有些可以檢討的因素：主要因素：1）粘度：毋庸置疑粘度肯定是影響流動速度最關(guān)鍵的因素之一，目前像粘度在幾百cps的膠水基本上都是可以不需要預(yù)熱點(diǎn)膠的，填充速度基本上都是一兩分鐘以內(nèi)的；而像粘度稍大一些的達(dá)到幾千cps的膠差別就比較大了（從幾分鐘到十幾分鐘不等）；2）預(yù)熱溫度：這也是一個非常關(guān)鍵的影響因素，尤其是對一些粘度在一千以上的膠水，一般在預(yù)熱（預(yù)熱溫度就需要結(jié)合各家的產(chǎn)品的特性，一般可以膠水的粘溫曲線做參考，當(dāng)并非一一直接對應(yīng)的關(guān)系）的情況下，粘度為幾千的膠水能降到幾百，流動性會顯著增大，但要注意預(yù)熱溫度過高過低都可能會導(dǎo)致流動性變差；3）基板的差別（芯片的尺寸及錫球的分布、錫球球徑及數(shù)量、錫球間距、助焊劑殘留、干燥程度等），這個對填充速度也是有一定影響的，在某些情況下影響也是非常明顯的。當(dāng)然這些差別對另一個底填膠的指標(biāo)影響更大，后面會細(xì)說。當(dāng)然如果是幾種膠水平行測試，這個因素的影響是一致的。次要因素：1）施膠量（點(diǎn)膠方式）；2）基板角度（有些廠家會將點(diǎn)膠后的基板傾斜一定角度加快流動性）；3）環(huán)境溫度（不預(yù)熱的情況下）。說明：以上的一些因素的主次也都是相對而言的，如果客戶能接受預(yù)熱的方式的話，同時客戶對流動性的要求不會準(zhǔn)確到秒的話，那么上述因素的影響都會變小了。不預(yù)熱的情況下要求快速填充的話，除了把膠的常溫粘度做小外貌似沒有更好的辦法。另外同樣是預(yù)熱的條件下，流動速度就和膠水體系自身的設(shè)計思路有很大的關(guān)系了。同樣一款2000cps左右粘度的膠水，預(yù)熱的情況下流動速度也可以差幾倍時間的。最后對于預(yù)熱這個環(huán)節(jié)每家的說法都不一樣，很多客戶不愿意預(yù)熱其實(shí)也是為了點(diǎn)膠操作的便利性，然而站在理論分析的角度，基板預(yù)熱可以起到烘烤芯片的作用，而且也可以減少填充時產(chǎn)生空洞（氣泡）的概率，當(dāng)然加快填充速度也是必然的。

（2）、固化溫度和時間（固化度）：這個指標(biāo)其實(shí)在研發(fā)端是比較容易判斷的，用DSC曲線就很容易判斷出來，當(dāng)然由于DSC在測試時膠量是以mg來測試，所以一般建議給客戶的固化溫度是在DSC的理論時間上乘以4倍的（韓國元化學(xué)的建議）。然而在客戶端如果判斷，其實(shí)簡單的方法就是按膠商TDS上建議的固化溫度和時間還是比較保險的。另外有些客戶經(jīng)常會問如果不完全按TDS建議會如何，簡單的推斷的方法同等溫度下時間加長或者同等時間下溫度升高，理論上都是會完全固化的，但反向推斷的話更好找供應(yīng)商確認(rèn)下。因?yàn)槊糠N膠特性不一樣，低于某個溫度時間即使加幾倍時間也未必能固化，同理也不是溫度越高時間就會越短，就目前接觸到的底填膠水的固化溫度沒有建議高過150度的（SONY曾經(jīng)有款手機(jī)，使用SUNSTAR的膠水，在150度快速固化時后期測試時會有些缺陷，同樣改用130度加長時間固化后就沒有這個問題了）。太高溫固化和太快速固化對膠水的后期一些性能還是有著蠻大的影響的（有些體系的膠水會影響更明顯）。另外對于固化程度的判斷，這個做為使用者的客戶可能不大好判斷，因?yàn)槟繙y的完全固化時間和理論上的完全固化還是有差別的，客戶一般容易從固化后的硬度，顏色等判斷，但這個些指標(biāo)可能在膠水只固化了80%以上時已經(jīng)沒法分辨出來了，如果能增加一些粘接力等測試輔助可能會更準(zhǔn)確些，當(dāng)然更準(zhǔn)確的方法還是要用會DSC等一些熱力學(xué)測試的設(shè)備和方法了。而在實(shí)際應(yīng)用中，膠水達(dá)到90%或95%以上的固化已經(jīng)算是完全固化了，具體要達(dá)到百分之九十幾這個就要看后期可靠性的要求了。未完全固化的膠水是很難真正全面發(fā)揮應(yīng)有作用的，尤其是后期測試要求很嚴(yán)格的時候。所以建議客戶更好使用相對保險的固化條件，如果設(shè)置在臨界值的話，固化溫度或固化時間少有偏差就可能導(dǎo)致固化不完全。