眾所周知，在工業現代化和信息化的當今，半導體產業已經滲透到工業領域的各個方麵。尤其是近年來人工智能(AI)、工業4.0、5G、高性能計算(HPC)、物聯網(IoT)、 智能汽車和數據中心等一係列高科技技術的蓬勃發展，需要高計算能力、高速度、高帶寬、低延遲、低功耗、更多功能的處理器和更多的內存、各種傳感器以及高度的係統級集成作為硬件支撐，這些都給半導體行業提供了前所未有的發展機遇。
以手機為代表的消費類電子產品的不斷高度集成化、多duo功gong能neng化hua和he輕qing量liang化hua，使shi得de電dian子zi產chan品pin結jie構gou日ri趨qu緊jin湊cou，功gong能neng日ri趨qu強qiang大da，相xiang應ying的de電dian路lu設she計ji更geng加jia複fu雜za，能neng耗hao管guan理li更geng加jia嚴yan峻jun，這zhe些xie都dou對dui半ban導dao體ti的de封feng裝zhuang技ji術shu提ti出chu了le全quan新xin的de要yao求qiu和he挑tiao戰zhan。
後(hou)摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)時(shi)代(dai)，業(ye)內(nei)還(hai)在(zai)進(jin)一(yi)步(bu)探(tan)索(suo)半(ban)導(dao)體(ti)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)。使(shi)得(de)先(xian)進(jin)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)迅(xun)速(su)提(ti)升(sheng)起(qi)來(lai)。基(ji)於(yu)以(yi)上(shang)林(lin)林(lin)總(zong)總(zong)的(de)原(yuan)因(yin)，先(xian)進(jin)封(feng)裝(zhuang)必(bi)將(jiang)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)半(ban)導(dao)體(ti)封(feng)裝(zhuang)的(de)主(zhu)流(liu)方(fang)向(xiang)。
圖1 膠水在先進封裝中的不同作用
BGA帶來的底填膠挑戰
BGA是(shi)大(da)尺(chi)寸(cun)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)先(xian)進(jin)封(feng)裝(zhuang)較(jiao)為(wei)常(chang)用(yong)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)。它(ta)的(de)特(te)點(dian)是(shi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)互(hu)聯(lian)封(feng)裝(zhuang)效(xiao)率(lv)以(yi)適(shi)應(ying)芯(xin)片(pian)的(de)性(xing)能(neng)，可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)度(du)減(jian)小(xiao)封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)，適(shi)合(he)於(yu)高(gao)密(mi)度(du)、高性能、多引腳的芯片封裝。但是畢竟隻有焊錫球作為對芯片的機械連接和支持，所以抗落摔能力不強。這時候Underfill膠水作為對BGA的加固和保護，就是一個非常好的選擇。
Underfill膠，也叫底部填充膠，它的作用其實不僅僅是對BGAdejiagu，yitigaoxinpiankangjixiewaili，youqishizhendonghechongjidenengli。tayekeyiduidibudedianlubufenjinxingchongfendedianxingnengbaohu，qidaosanfangdezuoyong。kansiwanmeiwuquedeBGA封裝方式，也常常出現信賴性測試無法通過的窘境。業內關於BGA失效分析的文章和相關討論很多，但很多都是把注意力放在焊錫和焊球上，而從Underfill膠水本身的性能和選型方麵的分析則較少見報道。以筆者粗淺的理解，如果底填膠選擇不恰當，不但無法達到其預期的對芯片加固、保護的目的，反而會成為BGA失效的幫凶。
圖2 典型的BGA封裝及底填膠示意圖
正確選擇底填膠之CTE
在選擇底填膠時，首先應該考慮的因素就是其熱膨脹係數，即CTE的匹配問題。電子產品一般都要經受嚴苛的信賴性測試，包括溫度衝擊和溫度循環等。在此過程中溫度 可能會有超過100度以上的改變，這對組裝以後的電路(係統)是一個很大的荷載。如果各原材料的CTE不匹配，則內部就會產生應力。如圖2所示，一個典型的BGA芯片封 裝係統主要包括PCB、BGA芯片，焊錫球和Underfill底填膠。PCB的CTE一般為14ppm/ K左右，矽芯片的CTE為7ppm/K左右，而錫的CET則為大概為23ppm/K。在沒有底填膠的情況下，芯片是通過焊錫與PCB板相連。在溫度變化時，芯片與PCB之間，尤其在PCB平麵(二維)方向，就會產生應力。假若這個應力超過某處的焊錫的局部強度時，就會導致此處焊錫開裂，從而造成BGA失效。此時，如果有Unferfill底填膠，則有可能平衡這一應力。但現實情況下，底填膠的CTE一般在 40-50ppm/K，偶爾也有聲稱30ppm/K，即便是在這種情況下，其實對熱應力的消除也是不利的。所以，低CTE一直是業內對Underfill膠水最直接、最迫切的期盼!
德國好樂集團旗下的知名工業膠水供應商Panacol公司就開發出了一款新型的可用於先進封裝中的Underfill膠St8202，此膠水的CTE隻有14.9ppm/K，這樣的CTE就十分 接近PCB本身的CTE，非常有效地降低了額外的熱應力的幹擾，從而真正起到了對BGA的加固和保護。
正確選擇底填膠之楊氏模量
楊氏模量也是一個十分重要，但很容易被忽視，甚至被錯誤解讀的概念。其實，在底填膠的CTE如果能與芯片和PCB以及焊錫的CTEhenhaopipeideqingkuangxia，zaixuanzeditianjiaodeshihou，cankaoyangshimoliangdeyiyibingbutuxian。danrushangsuoyan，muqianyeneihaihennanzuodaotamendewanquanpipei。zheshi，yangshimoliangfanerxiandeyouweizhongyaole。yangshimoliangshiwutidikangbianxingdenengli。dangyangshimoliangdashi，wutidikangbianxingdenenglijiuqiang，fanzhi，zedikangbianxingdenenglijiuruo。yibaneryan，ditianjiaoduiBGA的de機ji械xie加jia固gu作zuo用yong是shi十shi分fen明ming顯xian的de，往wang往wang會hui有you幾ji倍bei的de強qiang度du冗rong餘yu。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，底di填tian膠jiao的de粘zhan接jie強qiang度du往wang往wang就jiu沒mei有you那na麼me重zhong要yao。因yin此ci，對dui楊yang氏shi模mo量liang數shu值zhi的de要yao求qiu，就jiu沒mei有you那na麼me高gao;另一方麵，當CTE越不匹配的時候，膠水的楊氏模量越大，其對BGA焊錫產生的內應力反而越大，就成為焊球開裂的幫凶甚至是元凶!所以，並不是底填膠的楊氏模量越大越好，反而是要根據需求選擇適當偏低的模量為佳。
圖3 Panacol公司用於先進封裝中的Underfill膠St 8202(案例一)
正確選擇底填膠之Tg
還有一個值得考慮的因素是底填膠的玻璃化轉變溫度Tg。這個因素有點類似於楊氏模量，當各要素之間的CTE匹配度高時，Tg的意義也不凸顯，當CTE不匹配時，Tg也十分重要。業內往往希望Tg越高越好，尤其是高於可靠性測試的最高溫度點。這種考慮其實是比較片麵的。當CTE不匹配時，往往膠水的CTE都高於其他材料，而這時楊氏模量和Tg如果也高，則膠水由於溫度變化對係統產生的應力是很大的。反而較低的楊氏模量和適中的Tg會hui降jiang低di內nei部bu的de總zong體ti應ying力li。由you於yu溫wen度du改gai變bian而er產chan生sheng的de封feng裝zhuang係xi統tong內nei部bu應ying力li的de問wen題ti，完wan全quan可ke以yi用yong現xian代dai的de計ji算suan機ji模mo擬ni手shou段duan進jin行xing計ji算suan和he分fen析xi，關guan於yu此ci方fang麵mian的de內nei容rong將jiang另ling文wen討tao論lun。
選擇底填膠，還要考慮工藝方麵的諸多影響因素，比如粘度。合適的粘度可以大大降低施膠時間，提升效率，避免BGA低下有氣泡產生，也避免膠水溢流;固(gu)化(hua)溫(wen)度(du)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)，較(jiao)低(di)的(de)固(gu)化(hua)溫(wen)度(du)不(bu)但(dan)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)能(neng)耗(hao)，更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)可(ke)以(yi)相(xiang)對(dui)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)的(de)內(nei)部(bu)應(ying)力(li)。大(da)大(da)降(jiang)低(di)失(shi)效(xiao)的(de)風(feng)險(xian);另外，膠水的可重工性、可用時間、包裝方式、存儲和運輸溫度要求以及價格等等都是要綜合考慮的因素，但因其相對直觀，在此不再贅述。
綜上所述，對於先進封裝工藝中越來越流行的Underfill底填膠，在選型的時候CTE是一個十分關鍵的因素，在現有的膠水體係和供應商能力範圍內，選擇越低CTE的底填膠對信賴性越好。但當CTE無法低到與其他材料實現很好的匹配時，反而要把關注點放到底填膠的楊氏模量和Tg點上，一般而言，要選擇偏低的楊氏模量和適中的Tg以減小 由於CTE不匹配而導致的內應力，從而提升BGA的整體可靠性。
圖4 Panacol公司用於先進封裝中的Underfill膠St 8202(案例二)
