一、Underfill工藝的定義

Underfill工藝是一種集成電路封裝工藝，在倒裝芯片邊緣點(diǎn)涂環(huán)氧樹脂膠水，通過毛細(xì)管效應(yīng)完成底部填充過程，接著在加熱條件下使膠水固化。此工藝旨在緩解芯片封裝時(shí)不同材料間熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的應(yīng)力集中問題，是提高器件封裝可靠性的重要手段。

在實(shí)際的芯片封裝應(yīng)用場景中，底部填充膠可分為倒裝芯片底部填充膠（Flip - Chip Underfill）和（焊）球柵陣列底部填充膠（BGA Underfill）。其中，倒裝芯片底部填充膠用于芯片與封裝基板互連凸點(diǎn)之間間隙的填充，其精度能達(dá)到微米級，專為先進(jìn)封裝企業(yè)服務(wù)；而球柵陣列底部填充膠用于封裝基板與PCB印制電路板之間互連的焊球之間的填充，焊球間隙精度為毫米級，對底部填充膠要求相對較低。

二、Underfill工藝的特點(diǎn)

（一）膠水特性方面

• 材料組成：底部填充膠主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、填料和其他成分組成。其中填料通常會使用60 - 70%重量的無定形熔融二氧化硅，該填料能夠降低底部填充材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）。否則，固化聚合物若沒有填料的話，會造成不可接受的焊點(diǎn)應(yīng)變。

• 材料類型：底部填充膠被配制成熱固性塑料而非熱塑性塑料。這是因?yàn)闊o溶劑的高性能熱塑性塑料的粘度太高，不利于封裝工藝，而熱固性的底部填充膠在封裝后需要加熱固化，完全固化對優(yōu)化粘合力、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和模量等性能意義非凡，多數(shù)底部填充膠會在150℃ - 180℃溫度下采用真空壓力烘箱進(jìn)行固化以便除泡，過程為先抽真空把大氣泡變成小氣泡，再用大壓力排出小氣泡。

（二）工藝對封裝的作用方面

• 緩解應(yīng)力集中：在先進(jìn)封裝如2.5D、3D封裝中，Underfill膠水能夠有效緩解芯片封裝時(shí)不同材料間熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。它能夠吸收溫度循環(huán)過程中的CTE失配應(yīng)力，避免焊點(diǎn)斷裂而導(dǎo)致的開路或功能失效，從而保障芯片在溫度變化較大環(huán)境中的正常運(yùn)行，延長電子產(chǎn)品使用壽命，提高封裝可靠性。

• 加固連接與提供保護(hù)：Underfill膠水可以大面積填充BGA（球柵陣列）底部空隙（一般覆蓋面積達(dá)80%以上，甚至到95%以上），極大地加固了芯片與基板之間的連接，增強(qiáng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，對底部電路具備良好的電性能保護(hù)作用，可防水、防塵、防腐蝕，提升電子產(chǎn)品整體可靠性，還具有優(yōu)異的翻修性能使后續(xù)維修工作更加便利。

• 改善電氣和熱性能：在倒裝芯片封裝場景中，Underfill膠水有助于實(shí)現(xiàn)芯片和基板之間的密集互連，進(jìn)而改善電氣性能和熱性能。雖然并非所有類型的底部填充膠都有良好導(dǎo)熱性，但部分專門設(shè)計(jì)的材料能夠幫助熱量從芯片傳導(dǎo)到PCB或散熱器上，提高整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率。

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（三）工藝存在的問題方面

• 空洞問題：這是Underfill工藝在使用過程中面臨的主要問題。具體分為流動(dòng)型空洞，即底部填充膠流經(jīng)芯片和封裝下方時(shí)流動(dòng)波陣面的前沿包裹氣泡產(chǎn)生；水氣空洞，通常發(fā)生在底部填充膠固化時(shí)遇到基板除氣排出的水氣情況（在有機(jī)基板中更常見）；流體膠中氣泡產(chǎn)生空洞，由于對流體膠材料處理不當(dāng)或者對收到的流體膠重新分裝引入氣泡；沾污空洞，助焊劑殘?jiān)蚱渌廴驹赐ㄟ^多種途徑產(chǎn)生空洞等情況。

• 影響因素多：Underfill工藝的可靠性受多種因素綜合影響，像膠水的材料特性、工藝參數(shù)（如點(diǎn)膠量、溫度、時(shí)間等）以及設(shè)備精度（例如點(diǎn)膠設(shè)備的精度影響膠水的點(diǎn)涂位置和量）等。

三、Underfill工藝的流程

（一）烘烤

烘烤操作人員需要確保主板處于干燥的狀態(tài)。如果開始實(shí)施底部填充膠前主板存在水分，那么填充后容易生成小氣泡。小氣泡在最后的固化環(huán)節(jié)可能會爆炸，影響到焊盤與PCB之間的粘結(jié)性，還可能導(dǎo)致焊錫球與焊盤脫落。在制定烘烤工藝參數(shù)時(shí)，依據(jù)PCBA重量的變化執(zhí)行，特殊情況可咨詢相關(guān)材料廠商（如漢思新材料）。

（二）預(yù)熱

對主板預(yù)熱，可以提升Underfill底部填充膠的流動(dòng)性。不過要注意，反復(fù)加熱可能影響PCBA質(zhì)量，所以建議預(yù)熱的溫度控制在40 - 60℃這一范圍內(nèi)即可。

（三）點(diǎn)膠

1. 點(diǎn)膠方式：底部填充膠的填充點(diǎn)膠可由操作人員手動(dòng)填充或者使用機(jī)器自動(dòng)填充。無論是手動(dòng)還是自動(dòng)填充，都需要借助膠水噴涂控制器，這個(gè)控制器的噴涂氣壓和噴涂時(shí)間設(shè)定是兩大關(guān)鍵參數(shù)，不同產(chǎn)品和不同的PCBA布局，這兩個(gè)參數(shù)也有所不同。

2. 點(diǎn)膠位置：確定點(diǎn)膠位置需要遵循兩個(gè)原則，一方面要盡量避免對不需要填充的元件進(jìn)行填充；另一方面禁止填充物影響摳屏蔽罩。噴涂位置通常要滿足跌落試驗(yàn)結(jié)果合格以及滿足企業(yè)質(zhì)量要求的兩大標(biāo)準(zhǔn)，之后底部填充膠就會因毛細(xì)管虹吸作用按箭頭方向自動(dòng)填充。

（四）固化

底部填充膠的固化需要經(jīng)過高溫烘烤，從而加速環(huán)氧樹脂的固化時(shí)間。固化的條件需要根據(jù)填充物的特性挑選合適的底部填充膠產(chǎn)品。一般來說選擇真空壓力烘箱，設(shè)置150℃ - 180℃的溫度，先抽真空把大氣泡變成小氣泡，再施加較大壓力排出小氣泡，以此實(shí)現(xiàn)更好的固化效果。

四、Underfill工藝的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的應(yīng)用

• 在一級封裝中，涵蓋傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝、先進(jìn)半導(dǎo)體封裝（例如倒裝、圓精級封裝和CST）等形式。在倒裝工藝環(huán)節(jié)需要用到Underfill膠完成相應(yīng)的封裝工作。尤其在先進(jìn)半導(dǎo)體中包含的Fan - in和Fan - out封裝類型部分，Underfill工藝發(fā)揮著重要作用。例如，像一些高端芯片封裝場景，底部填充工藝使用Underfill膠來保障芯片封裝的穩(wěn)定性和可靠性，其中還要關(guān)注芯片與基板之間的連接關(guān)系優(yōu)化等方面的需求，這都是Underfill工藝能提供的技術(shù)支持的作用。

（二）在板級封裝等二級封裝領(lǐng)域的應(yīng)用

在板級封裝（PCB封裝）過程中涉及到相關(guān)電子元件的封裝加固等需求場景下，Underfill工藝可以用于對BGA和CSP等封裝元件的處理。通過毛細(xì)作用讓底填劑浸透到BGA和CSP底部再加熱固化，牢固粘接CSP元件與板面，降低熱或應(yīng)力對焊點(diǎn)的影響，增強(qiáng)連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性，提高封裝的可靠性和耐久性。在包含球柵陣列（BGA）或芯片規(guī)模封裝（CSP）技術(shù)等的二級封裝領(lǐng)域，Underfill對保障線路板上芯片等元件封裝可靠性是不可或缺的工序 。

（三）在特定電子元件產(chǎn)品中的應(yīng)用

1. 與汽車電子相關(guān)的芯片、元件封裝：在汽車電子行業(yè)，芯片會面臨較為復(fù)雜的工作環(huán)境（如振動(dòng)、溫度變化范圍較大等），Underfill工藝加固芯片連接、緩解應(yīng)力集中、保護(hù)電路的功能十分適合汽車電子產(chǎn)品中的芯片封裝需求，提高產(chǎn)品可靠性，減少故障的發(fā)生概率，像是汽車的電子控制單元（ECU）芯片的封裝等應(yīng)用場景就非常適合采用Underfill工藝。

2. 消費(fèi)電子中的應(yīng)用：像手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品內(nèi)部包含的眾多芯片和電子元件在封裝時(shí)，Underfill工藝可確保這些芯片及元件的穩(wěn)定性，滿足產(chǎn)品輕薄化、高性能化下對封裝技術(shù)可靠性的要求，例如手機(jī)芯片，在有限的空間內(nèi)需保證各類芯片（如處理器、基帶芯片等）固定穩(wěn)定并且在溫度變化、意外跌落等情況下均能正常工作，Underfill工藝能夠提供必要的保障。

五、Underfill工藝的發(fā)展趨勢

（一）材料性能持續(xù)提升

• 降低翹曲性與熱膨脹系數(shù)（CTE）：隨著芯片技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)lipChip封裝要求Underfill具備低翹曲性、低熱膨脹系數(shù)等特性。為適應(yīng)未來更加小型化、高性能化的芯片封裝需求，Underfill的熱膨脹系數(shù)需要進(jìn)一步降低，確保在不同溫度環(huán)境下，與芯片和基板材料之間的熱膨脹相匹配性更好，降低因?yàn)闊崤蛎浭涠a(chǎn)生的應(yīng)力。例如，針對一些高強(qiáng)度運(yùn)算芯片，其在不斷提高運(yùn)算速度的過程中，芯片產(chǎn)生的熱量會引發(fā)自身及封裝材料的熱膨脹問題，這就要求Underfill有更加匹配的熱膨脹系數(shù)。

• 提高導(dǎo)熱性和電屏蔽能力：為滿足高效散熱需求和電磁兼容性要求，Underfill材料的導(dǎo)熱性和電屏蔽能力還需提高。導(dǎo)熱性的增強(qiáng)有助于及時(shí)將芯片工作產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證芯片在安全的溫度下工作從而提高芯片的性能和壽命；同時(shí)，優(yōu)異的電屏蔽能力可避免電子元件之間的電磁干擾，在一些對電磁要求極高的電子產(chǎn)品如5G通信設(shè)備中的芯片封裝中非常關(guān)鍵。

（二）精確控制工藝參數(shù)

• 設(shè)備智能化、精密化：依賴于設(shè)備朝著智能化、精密化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對Underfill工藝過程中的點(diǎn)膠量、點(diǎn)膠位置、固化溫度、固化時(shí)間等多個(gè)工藝參數(shù)的精確控制。利用高精度的點(diǎn)膠設(shè)備確保膠水均勻且準(zhǔn)確地分布在芯片底部，同時(shí)保證每個(gè)芯片之間的一致性。舉個(gè)例子，在先進(jìn)封裝中，當(dāng)芯片的尺寸不斷縮小到納米級別，對膠水點(diǎn)涂的精度要求會顯著提高，只要有微小偏差就可能造成空洞等缺陷，所以設(shè)備精度就變得格外重要。

• 實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋優(yōu)化：在Underfill工藝過程中能實(shí)時(shí)監(jiān)測各種參數(shù)，如膠水的流動(dòng)狀態(tài)、固化情況等，及時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)膠水流動(dòng)過程中出現(xiàn)流速不均勻的情況，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的信號能夠自動(dòng)調(diào)整點(diǎn)膠壓力或者溫度等控制參數(shù)，使膠水流動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。

（三）應(yīng)對新型封裝需求

• 適應(yīng)復(fù)雜3D、2.5D封裝：面對先進(jìn)的3D、2.5D封裝技術(shù)需求，Underfill工藝需要做出相應(yīng)調(diào)整。在這些復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)中，芯片之間的堆疊、互聯(lián)方式更加復(fù)雜多樣，Underfill工藝必須能夠保證在不同芯片層之間、芯片與基板之間形成可靠的填充和連接。例如在3D閃存芯片的封裝里，多層芯片垂直堆疊，Underfill工藝需要滿足復(fù)雜堆疊結(jié)構(gòu)下芯片之間的應(yīng)力釋放、電氣連接穩(wěn)定等多種需求，為芯片在高級別的3D封裝中運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。

• 與新型封裝工藝融合：隨著新的芯片封裝工藝不斷涌現(xiàn)，Underfill工藝將不斷與之融合，例如與晶圓級封裝（Wafer Level Packaging）技術(shù)的融合。在晶圓切割之前就在晶圓級別實(shí)施Underfill工藝，有助于提高整個(gè)封裝流程的效率并提升產(chǎn)品性能，增強(qiáng)晶圓級封裝芯片的可靠性和穩(wěn)定性，開拓Underfill工藝在新型封裝方式下的應(yīng)用場景。

芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

·         合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。