芯片底部填充胶的应用探讨

芯片底部填充胶的应用探讨

秦苏琼，王志，吴淑杰，谭伟

摘要：

芯片底部填充胶主要用于CSP/BGA等倒装芯片的补强，提高电子产品的机械性能和可靠性。根据芯片组装的要求，讨论了底部填充胶在使用中的工艺要求以及缺陷分析方法。

倒装焊连接技术是目前半导体封装的主流技术。倒装芯片连接引线短，焊点直接与印刷线路板或其它基板焊接，引线电感小，信号间窜扰小，信号传输延时短，电性能好，是互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法。这些优点使得倒装芯片在便携式设备轻薄、短小的要求下得到了快速发展。图1是在手机、平板电脑、电子书等便携设备中常用的BGA/CSP芯片结构。BGA/CSP的芯片引脚在元件的底部，成球栅矩阵排列，通过底部焊点与线路板进行连接。

在便携式设备中的线路板通常较薄，硬度低，容易变形，细间距焊点强度小，因此芯片耐机械冲击和热冲击差。为了能够满足可靠性要求，倒装芯片一股采用底部填充技术，对芯片和线路板之间的空隙进行底部填充补强。底部填充材料是在毛细作用下，使得流动着的底部填充材料完全地填充在芯片和基板之问的空隙内。由于采用底部填充胶的芯片在跌落试验和冷热冲击试验中有优异的表现，所以在焊锡球直径小、细间距焊点的BGA/CSP芯片组装中都要进行底部补强。工艺流程见图2所示。

在线路板组装生产中，对芯片底部填充胶有易操作，快速流动，快速固化的要求，同时还要满足填充性，兼容性和返修性等要求。本文主要根据芯片组装的要求，讨论了底部填充胶在使用中的工艺要求以及缺陷分析方法。

1工艺讨论

1.1施胶方式

由于线路板的设计不同，倒装芯片的周围会有其他的元器件，因此产生了多种施胶方式。如果芯片尺寸大、焊点间距小，施胶过程还会有二次施胶或三次施胶以保证填充完全。通常底部填充胶的施胶过程主要有两种：单边填充和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（见图3）

1.2流动性

组装过程的流水线作业对底部填充胶施胶后流满芯片底部的时间是有限制的，通常不会超过10min。胶水的流动性与锡球间距，锡球尺寸有关。锡球直径小、间距小，流动就会慢，反之则快。胶水的制造商通常会用玻璃片和玻璃片搭接，控制两片玻璃之间的间隙来模拟生产中的流动性（见图4）。具体测试方法为在室温下胶水流过不同的间隙，记录胶水流到25mm(1英寸)需要的时间。测试流动性的间隙可以为、和μm等。

流动性的调整主要是通过底部填充胶的黏度来实现。黏度小流动性好，当然黏度也不能过小，否则生产过程中容易滴胶。如果室温流动的话，建议底部填充胶的黏度在0.3～1.2Pa·s。施胶过程对胶体或者基板进行加热可以加快流动，这样底部填充胶的黏度可以再高一些。

1.3固化要求

由于主板上已经组装了电子元器件，底部填充胶的固化过程有着温度要求，这是为了保护主板上的其他电气器件以及焊点。另外，同样来自制程的要求，固化速度通常要求尽量的短，过长的固化时间会影响流水线作业的效率。通用的底部填充胶的固化条件为：温度≤℃，固化时间≤10min。回流焊固化由于有温区设置，固化效果会比烘箱更好也更高效。底部填充胶水固化温度和时间的确定可以参考差示扫描量热仪（DSC）动力学分析数据（见图5）。

1.4返修性

由于线路板的价值较高，线路板组装完成后对整板的测试过程如果发现芯片不良的话就要对芯片进行返修，这就要求底部填充胶水具有可返修性。

芯片返修的步骤为：清除芯片四周胶水-卸去芯片-清理残胶。将返修板放置在返修平台上，用热风枪加热芯片表面到～℃，热风枪与芯片表面距离约3～5mm。用牙签或镊子去除芯片四周的胶水。胶水除去后用热风枪加热芯片表面到℃以上，加热时间小于1min，以免对主板造成伤害。待锡球融化后用镊子将芯片拆除，用烙铁加吸锡带将残留在电路板表面的残锡去掉。再将热风枪温度调到～℃，用镊子清理残胶。为了保护主板，整个返修过程时间越短越好（见图6）。

底部填充胶的可返修性与填料以及玻璃化转变温度Tg有关。添加了无机填料的底部填充胶

由于固化后胶体强度大，附着在线路板上很难清除，所以如果有返修要求的胶水不能添加填料。Tg是指底部填充胶从玻璃态到高弹态的转变温度，超过了Tg的底部填充胶变软后易于清除。和固化要求一样，为了保护元器件，芯片返修加热温度不宜过高。如果Tg高，胶体在～℃的操作温度下难以清除。Tg温度低易于清除，但是Tg太小又不利于增强芯片的机械性和耐热性。通常可返修的底部填充胶的Tg建议控制在60～85℃之间较好。

2缺陷分析

2.1兼容性分析

兼容性问题指的是底部填充胶与助焊剂之间的兼容性。助焊剂在焊接过程中起到保护和防止氧化的作用，它的成分主要是松香树脂、有机酸活性剂、有机溶剂等。虽然在芯片焊接后会对助焊剂进行清洗，但是并不能保证助焊剂被彻底清除。底部填充胶是混合物，主要是由环氧树脂、固化剂和引发剂等组成。底部填充胶中的成分有可能会与助焊剂的残留物发生反应，这样底部填充胶配比发生了变化，可能发生胶水延迟固化或不固化的情况。因此在选择底部填充胶的时候要考虑兼容性问题。

兼容性测试可以通过切片分析来观察，也可以将胶水与锡膏混合后固化来快速判断。混合后的底部填充胶和锡膏按照规定时间温度固化后没有气泡或不固化情况，就说明没有兼容性问题。如果不能判定是否完全固化，可以使用差示扫描量热仪DSC测试是否有反应峰来验证。

2.2切片分析

底部填充胶固化后通过芯片四周可以观察到胶水表面情况，但是内部的缺陷如不固化、填充不满、气孔等则需要通过切片分析才可以观察。切片分析是将固化后的芯片与线路板切下，用研磨机器从线路板面打磨，研磨到锡球与胶水层，在显微镜下观察胶水在芯片底部的填充情况。

底部填充胶的不固化情况通常是由于胶水的固化温度、时间不够或者是兼容性问题造成的。造成填充不满和气孔的原因主要有：胶水流动性、胶水气泡、基板污染、基板水气等。胶水填充不满会对跌落测试造成影响，容易有开裂问题。而气孔问题则会在热冲击实验中出现较大影响，在高温度下气孔出会产生应力，对胶体和焊点造成破坏。

3结束语

倒装芯片的组装流程要求底部填充胶水需要低黏度能实现快速流动，中低温下快速固化，并且具有可返修性。底部填充胶不能存在不固化、填充不满、气孔等缺陷。倒装芯片的应用注定了需要对芯片补强，而底部填充胶为保护元器件起到了必要决定性作用。