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底部填充技術(shù)上世紀七十年代發(fā)源于IBM公司，目前已經(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（疊層）基板，底部填充技術(shù)才得到大規(guī)模應(yīng)用，并且將有機底部填充材料的使用作為工業(yè)標準確定下來。

 

1.底部填充膠的定義

 

底部填充膠（Underfill）對SMT（電子電路表面組裝技術(shù)）元件（如：BGA、CSP芯片等）裝配的長期可靠性是必須的。選擇合適的底部填充膠對芯片的跌落和熱沖擊的可靠性都起到了很大的保護作用。在芯片錫球陣列中，底部填充膠能有效的阻止焊錫點本身（即結(jié)構(gòu)內(nèi)的最薄弱點）因為應(yīng)力而發(fā)生應(yīng)力失效。此外，底部填充膠的第二個作用是防止潮濕和其他形式的污染。

 

2.底部填充膠常見問題

 

底部填充膠在使用過程中，出現(xiàn)空洞和氣隙是很常見的問題，出現(xiàn)空洞的原因與其封裝設(shè)計和使用模式息息相關(guān)，典型的空洞會導(dǎo)致可靠性的下降。了解空洞行成的不同起因及其特性，將有助于解決底部填充膠的空洞問題。

 

1）底部填充膠空洞的特性

 

了解空洞的特性有助于將空洞與它們的產(chǎn)生原因相聯(lián)系，其中包括：

◥形狀——空洞是圓形的還是其他形狀？

◥尺寸——通常描述成空洞在芯片平面的覆蓋面積。

◥產(chǎn)生頻率——是每10個容器中出現(xiàn)一個空洞，還是每個器件出現(xiàn)10個空洞？空洞是在特定的時期產(chǎn)生，還是一直產(chǎn)生，或者是任意時間產(chǎn)生？

◥定位——空洞出現(xiàn)芯片的某個確定位置還是任意位置？空洞出現(xiàn)是否與互連凸點有關(guān)？空洞與施膠方式又有什么關(guān)系？

 

2）底部填充膠空洞的檢測方法

 

underfill底部填充膠空洞檢測的方法，主要有以下三種:

 

◥利用玻璃芯片或基板

直觀檢測，提供即時反饋，缺點在于玻璃器件上底部填充膠（underfill）的流動和空洞的形成與實際的器件相比，可能有細微的偏差。

 

◥超聲成像和制作芯片剖面

超聲聲學(xué)成像是一種強有力的工具，它的空洞尺寸的檢測限制取決于封裝的形式和所使用的儀器。

 

◥將芯片剝離的破壞性試驗

采用截面鋸斷，或?qū)⑿酒蚍庋b從下underfill底部填充膠上剝離的方法，有助于更好地了解空洞的三維形狀和位置，缺點在于它不適用于還未固化的器件。

 

3）底部填充膠空洞產(chǎn)生的原因

 

◥流動型空洞

流動型空洞（其中還存在著幾種類型），都是在underfill底部填充膠流經(jīng)芯片和封裝下方時產(chǎn)生，兩種或更多種類的流動波陣面交會時包裹的氣泡會形成流動型空洞。

 

流動型空洞產(chǎn)生的原因

①與底部填充膠施膠圖案有關(guān)。在一塊BGA板或芯片的多個側(cè)面進行施膠可以提高underfill底填膠流動的速度，但是這也增大了產(chǎn)生空洞的幾率。

②溫度會影響到底部填充膠的波陣面。不同部件的溫度差也會影響到膠材料流動時的交叉結(jié)合特性和流動速度，因此在測試時應(yīng)注意考慮溫度差的影響。

③膠體材料流向板上其他元件（無源元件或通孔）時，會造成下底部填充膠（underfill）材料缺失，這也會造成流動型空洞。

 

流動型空洞的檢測方法

采用多種施膠圖案，或者采用石英芯片或透明基材板進行試驗是了解空洞如何產(chǎn)生，并如何消除空洞的最直接的方法。通過在多個施膠通道中采用不同顏色的下填充材料是使流動過程直觀化的理想方法。

 

流動型空洞的消除方法

通常，往往采用多個施膠通道以降低每個通道的填充量，但如果未能仔細設(shè)定和控制好各個施膠通道間的時間同步，則會增大引入空洞的幾率。采用噴射技術(shù)來替代針滴施膠，控制好填充量的大小就可以減少施膠通道的數(shù)量，同時有助于對下底部填充膠（underfill）流動進行控制和定位。

 

◥水氣空洞

存在于基板中的水氣在底部填充膠（underfill）固化時會釋放，從而固化過程中產(chǎn)生底部填充膠（underfill）空洞。這些空洞通常隨機分布，并具有指形或蛇形的形狀，這種空洞在使用有機基板的封裝中經(jīng)常會碰到。

 

水氣空洞檢測/消除方法

要測試空洞是否由水氣引起，可將部件在100°C以上前烘幾小時，然后立刻在部件上施膠。一旦確定水氣是空洞的產(chǎn)生的根本原因，就要進行進一步試驗來確認最佳的前烘次數(shù)和溫度，并確定相關(guān)的存放規(guī)定。一種較好的含水量測量方法是用精確分析天平來追蹤每個部件的重量變化。

 

需要注意的是，與水氣引發(fā)的問題相似，一些助焊劑沾污產(chǎn)生的問題也可以通過前烘工藝來進行補救，這兩類問題可以通過試驗很方便地加以區(qū)分。如果部件接觸濕氣后，若是水氣引發(fā)的問題則會再次出現(xiàn)，而是助焊劑沾污所引發(fā)的問題將不再出現(xiàn)。

 

◥流體膠中氣泡產(chǎn)生空洞

 

各大制造商對于封裝底部填充膠的無氣泡化現(xiàn)象都非常重視。但是對于流體膠材料的不當處理，重新分裝或施膠技術(shù)不當都會引發(fā)氣泡問題。在使用時未經(jīng)充分除氣。如果沒有設(shè)定好一些自動施膠設(shè)備的話，也會在施膠時在其流動途徑上產(chǎn)生氣泡。

 

材料氣泡檢測方法

 

有一種直接的方法可以檢測底部填充膠（underfill）材料中是否存在著氣泡，可通過注射器上一個極細的針頭施膠并劃出一條細長的膠線，然后研究所施的膠線是否存在縫隙。如果已經(jīng)證實底部填充膠（underfill）材料中存在氣泡，就要與你的材料供應(yīng)商聯(lián)系來如何正確處理和貯存這類底部填充膠(underfill）材料。

 

如果沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，則用閥門、泵或連接上注射器的噴射頭重復(fù)進行這個測試。如果在這樣的測試中出現(xiàn)了空洞，而且當用注射器直接進行施膠時不出現(xiàn)空洞，那么就是設(shè)備問題造成了氣泡的產(chǎn)生。在這種情況下，就需要和你的設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)系來如何正確設(shè)置和使用設(shè)備。

 

◥沾污空洞

 

助焊劑殘渣或其他污染源也可能通過多種途徑產(chǎn)生空洞，由過量助焊劑殘渣引起的沾污常常會造成不規(guī)則的隨機的膠流動的變化，特別是互連凸點處。如果因膠流動而產(chǎn)生的空洞具有這種特性，那么需要慎重地對清潔處理或污染源進行研究。

 

在某些情況下，在底部填充膠（underfill）固化后助焊劑沾污會在施膠面相對的芯片面上以一連串小氣泡的形式出現(xiàn)。顯然，底部填充膠（underfill）流動時將助焊劑推送到芯片的遠端位置。

 

空洞分析策略

 

先確定空洞產(chǎn)生于固化前還是固化后，有助于分析空洞的產(chǎn)生原因。

 

如果空洞在固化后出現(xiàn)，可以排除流動型空洞或由流體膠中氣泡引起的空洞兩種產(chǎn)生根源?？梢灾攸c尋找水氣問題和沾污問題，固化過程中氣體釋放源問題或者固化曲線問題。

 

如果空洞在固化前或固化后呈現(xiàn)出的特性完全一致，這將清晰地表明某些底部填充膠(underfill）在流動時產(chǎn)生空洞：他們會形成一種流動阻塞效應(yīng)，然后在固化過程中又會釋放氣體。