芯片底部填充膠的應用探討

秦蘇瓊，王 志，吳淑杰，譚 偉

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇 連云港 222047)

芯片底部填充膠的應用探討

秦蘇瓊，王 志，吳淑杰，譚 偉

(連云港華海誠科電子材料有限公司，江蘇 連云港 222047)

芯片底部填充膠主要用于CSP/BGA等倒裝芯片的補強，提高電子產品的機械性能和可靠性。根據芯片組裝的要求，討論了底部填充膠在使用中的工藝要求以及缺陷分析方法。

倒裝芯片；底部填充膠;半導體封裝

倒裝焊連接技術是目前半導體封裝的主流技術。倒裝芯片連接引線短，焊點直接與印刷線路板或其它基板焊接，引線電感小，信號間竄擾小，信號傳輸延時短，電性能好，是互連中延時最短、寄生效應最小的一種互連方法。這些優點使得倒裝芯片在便攜式設備輕薄、短小的要求下得到了快速發展。圖1是在手機、平板電腦、電子書等便攜設備中常用的BGA/CSP芯片結構。BGA/CSP的芯片引腳在元件的底部，成球柵矩陣排列，通過底部焊點與線路板進行連接。

圖1 BGA/CSP芯片

在便攜式設備中的線路板通常較薄，硬度低，容易變形，細間距焊點強度小，因此芯片耐機械沖擊和熱沖擊差。為了能夠滿足可靠性要求，倒裝芯片一股采用底部填充技術，對芯片和線路板之間的空隙進行底部填充補強。底部填充材料是在毛細作用下，使得流動著的底部填充材料完全地填充在芯片和基板之問的空隙內。由于采用底部填充膠的芯片在跌落試驗和冷熱沖擊試驗中有優異的表現，所以在焊錫球直徑小、細間距焊點的BGA/CSP芯片組裝中都要進行底部補強。工藝流程見圖2所示。

在線路板組裝生產中，對芯片底部填充膠有易操作，快速流動，快速固化的要求，同時還要滿足填充性，兼容性和返修性等要求。本文主要根據芯片組裝的要求，討論了底部填充膠在使用中的工藝要求以及缺陷分析方法。

圖2 底部填充工藝流程

1 工藝討論

1.1 施膠方式

由于線路板的設計不同，倒裝芯片的周圍會有其他的元器件，因此產生了多種施膠方式。如果芯片尺寸大、焊點間距小，施膠過程還會有二次施膠或三次施膠以保證填充完全。通常底部填充膠的施膠過程主要有兩種：單邊填充和L形填充。也有一些其他方式填充，例如：半L形填充、U形填充等（見圖3）。

1.2 流動性

圖3 多種施膠方式

組裝過程的流水線作業對底部填充膠施膠后流滿芯片底部的時間是有限制的，通常不會超過10 min。膠水的流動性與錫球間距，錫球尺寸有關。錫球直徑小、間距小，流動就會慢，反之則快。膠水的制造商通常會用玻璃片和玻璃片搭接，控制兩片玻璃之間的間隙來模擬生產中的流動性（見圖4）。具體測試方法為在室溫下膠水流過不同的間隙，記錄膠水流到25 mm(1英寸)需要的時間。測試流動性的間隙可以為100、150和250 μm等。

圖4 流動性測試示意圖

流動性的調整主要是通過底部填充膠的黏度來實現。黏度小流動性好，當然黏度也不能過小，否則生產過程中容易滴膠。如果室溫流動的話，建議底部填充膠的黏度在0.3～1.2 Pa·s。施膠過程對膠體或者基板進行加熱可以加快流動，這樣底部填充膠的黏度可以再高一些。

1.3 固化要求

由于主板上已經組裝了電子元器件，底部填充膠的固化過程有著溫度要求，這是為了保護主板上的其他電氣器件以及焊點。另外，同樣來自制程的要求，固化速度通常要求盡量的短，過長的固化時間會影響流水線作業的效率。通用的底部填充膠的固化條件為：溫度≤150℃，固化時間≤10 min?；亓骱腹袒捎谟袦貐^設置，固化效果會比烘箱更好也更高效。底部填充膠水固化溫度和時間的確定可以參考差示掃描量熱儀（DSC）動力學分析數據（見圖5）。

圖5 差示掃描量熱儀（DSC）動力學圖

1.4 返修性

由于線路板的價值較高，線路板組裝完成后對整板的測試過程如果發現芯片不良的話就要對芯片進行返修，這就要求底部填充膠水具有可返修性。

芯片返修的步驟為：清除芯片四周膠水-卸去芯片-清理殘膠。將返修板放置在返修平臺上，用熱風槍加熱芯片表面到100～150℃，熱風槍與芯片表面距離約3～5 mm。用牙簽或鑷子去除芯片四周的膠水。膠水除去后用熱風槍加熱芯片表面到220℃以上，加熱時間小于1 min，以免對主板造成傷害。待錫球融化后用鑷子將芯片拆除，用烙鐵加吸錫帶將殘留在電路板表面的殘錫去掉。再將熱風槍溫度調到100～150℃，用鑷子清理殘膠。為了保護主板，整個返修過程時間越短越好（見圖6）。

底部填充膠的可返修性與填料以及玻璃化轉變溫度Tg有關。添加了無機填料的底部填充膠由于固化后膠體強度大，附著在線路板上很難清除，所以如果有返修要求的膠水不能添加填料。Tg是指底部填充膠從玻璃態到高彈態的轉變溫度，超過了Tg的底部填充膠變軟后易于清除。和固化要求一樣，為了保護元器件，芯片返修加熱溫度不宜過高。如果Tg高，膠體在100～150℃的操作溫度下難以清除。Tg溫度低易于清除，但是Tg太小又不利于增強芯片的機械性和耐熱性。通?？煞敌薜牡撞刻畛淠z的Tg建議控制在60～85℃之間較好。

圖6 芯片返修圖

2 缺陷分析

2.1 兼容性分析

兼容性問題指的是底部填充膠與助焊劑之間的兼容性。助焊劑在焊接過程中起到保護和防止氧化的作用，它的成分主要是松香樹脂、有機酸活性劑、有機溶劑等。雖然在芯片焊接后會對助焊劑進行清洗，但是并不能保證助焊劑被徹底清除。底部填充膠是混合物，主要是由環氧樹脂、固化劑和引發劑等組成。底部填充膠中的成分有可能會與助焊劑的殘留物發生反應，這樣底部填充膠配比發生了變化，可能發生膠水延遲固化或不固化的情況。因此在選擇底部填充膠的時候要考慮兼容性問題。

兼容性測試可以通過切片分析來觀察，也可以將膠水與錫膏混合后固化來快速判斷?；旌虾蟮牡撞刻畛淠z和錫膏按照規定時間溫度固化后沒有氣泡或不固化情況，就說明沒有兼容性問題。如果不能判定是否完全固化，可以使用差示掃描量熱儀DSC測試是否有反應峰來驗證。

2.2 切片分析

底部填充膠固化后通過芯片四周可以觀察到膠水表面情況，但是內部的缺陷如不固化、填充不滿、氣孔等則需要通過切片分析才可以觀察。切片分析是將固化后的芯片與線路板切下，用研磨機器從線路板面打磨，研磨到錫球與膠水層，在顯微鏡下觀察膠水在芯片底部的填充情況。

底部填充膠的不固化情況通常是由于膠水的固化溫度、時間不夠或者是兼容性問題造成的。造成填充不滿和氣孔的原因主要有：膠水流動性、膠水氣泡、基板污染、基板水氣等。膠水填充不滿會對跌落測試造成影響，容易有開裂問題。而氣孔問題則會在熱沖擊實驗中出現較大影響，在高溫度下氣孔出會產生應力，對膠體和焊點造成破壞。

圖7 切片分析圖片

3 結束語

倒裝芯片的組裝流程要求底部填充膠水需要低黏度能實現快速流動，中低溫下快速固化，并且具有可返修性。底部填充膠不能存在不固化、填充不滿、氣孔等缺陷。倒裝芯片的應用注定了需要對芯片補強，而底部填充膠為保護元器件起到了必要決定性作用。

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Discussion on Application of Flip Chip Underfill

QIN Suqiong，WANG Zhi，WU Shujie，TAN Wei

(Lianyungang HHCK electronic Materials Co.Ltd，Lianyungang，China 222047)

Flip chip underfill is designed for BGA/CSP components reinforcement on printed circuits board，enhances mechanical shock resistance and reliability of electronic components.Based on chip assembly requirements，this paper discussed the technological requirements of flip chip underfill in use and defect analysis method.

Flip chip；Underfill；Semiconductor packaging

TN405.95

A

1004-4507(2017)04-0008-04

秦蘇瓊（1982-），女，江蘇連云港人，工程師，南京大學化學工程碩士，現任職于連云港華海誠科電子材料有限公司研發經理，主要從事于半導體封裝以及集成電路組裝中電子材料的研究和開發工作。

2017-07-04