摘要

尽管底部填充已被视为批量生产中的一种成熟的技术，伴随高密度PCB布线技术发展，更细间距的矩阵式组装模式则不断地对工艺工程师所能达到的良率提出挑战。为了确保批量生产中更高的良率，选择正确的材料及合适的工艺就变成不得不考虑的首要问题。

对板级组装而言，底部填充已被广泛用于增强矩阵式封装元件的可靠性，例如Flip Chip， CSP或BGA，每种元件对底部填充材料都有其特定的要求。通常，在Flip Chip组装中最常遇到问题是CTE(热膨胀系数)的不匹配及其更小的间距，而在CSP/BGA组装中则工艺的可操作性及机械强度显得更为重要。

本文着重于PCB上CSP的组装，由于CSP近年来广泛应用于各种类型的移动装置，如PDA，手机，MP3等。这些通讯/消费类电子产品的生产都有相同的要求：成本低，产量大，生产效率高。当底部填充成为生产工艺的一部分时，它对工艺工程师而言就成了一个棘手的问题。特别是在导入了某些焊球直径小于0.3mm的CSP后，更小填充间隙及更小的球间距使得这些CSP的焊球极易遭受破坏，底部填充的应用是确保该类产品可靠性的不可缺少的工艺。

未固化底部填充材料的流变性

环氧树脂固化后因内部高密度的交叉链接而形成热固型材料具有极高的稳定性及良好的抗化学特性，使环氧树脂当仁不让地成为底部填充的首选材料，已有许多不同配方的环氧树脂根据不同的需求开发出来。

因为CSP封装中已有的载片层能较好地缓冲裸芯片及PCB基材之间CTE的差别带来的应力，所以目前CTE在50~ 80PPM的无填料的环氧树脂就成为底部填充最常用的材料。站在工艺的角度，我们都希望底部填充材料有更低的粘度，因为大家都认为只有更低的粘度才能带来更快的流动速度。但表1显示了一个非常有趣的流动性测试结果，两种粘度同为4000mPas(测量误差10%)的底部填充材料在同样的条件下，其流动速度却有戏剧性的巨大差异，很显然它的流动速度被粘度以外的某些因素严重地影响了。为了更好地了解，我们有必要先来认真认识一下毛细现象。

　

流动时间 @23C

流动时间 @45C

配方 # 2530/29

475 秒

58 秒

配方 # 2CJ9006

728 秒

88 秒

表 1：在0.2mm间隙的玻璃中流过15mm距离的时间

根据Rideal-Washburn方程式，毛细现象流动行为可以用下述公式来描述：

图1：毛细现象的理论模型

这里：

t ：是底部填充材料在间距为h的间隙中流过距离l 所用的时间

θ ：是底部填充材料在有助焊剂残留的基材上的接触角

γ ：是底部填充材料液/空界面的表面张力

η：是底部填充材料的粘度

上述公式告诉我们，底部填充材料与上下两层基材上的润湿性需要被考虑。而且在实际情况下，基材通常是被助焊剂残留污染的，而且CSP下面的间隙也没办法做到恒定，这些问题在焊球周边表现的更为突出，因为通常焊球周边更容易聚集助焊剂残留(图2)。

图2：平面剖切显示由于锡膏的助焊剂残留引起的底部填充后焊球周围的空洞现象

底部填充材料对周边基材的良好润湿性对取得无空洞的底部填充工艺质量是至关重要的。所以，对于底部填充而言，首选的锡膏应是助焊残留少及残留与底部填充材料的兼容性越好的锡膏。

但在实际生产中，要测试所有的锡膏/底部填充剂搭配的兼容性是不切实际的。

预热基材是一种简单有效的增加润湿性的方法。正确的设置基材的预热关键在于不能让底部填充材料在底部填充完前发生固化反应。

用DSC方法测得在125^oC 固化的传统的底部填充材料，当它被预热到110^oC (图3)时，随温度升高而降低的粘度能够满足小至0.1mm间隙对流动速度的要求。但在这种底部填充工艺过程中，快速流动也导致了许多空气的卷入(图4)。在图4中许多空洞的形成提醒了我们预热的弊病，但这个问题通常被忽视，因为生产单位一般过于把注意力放在生产效率上，直到产品在组装后端发现不能通过可靠性测试时，才明白此问题的严重性。

图3：典型底部填充材料的粘度/温度曲线

再有，一些不能承受很高固化温度的热感元件的使用，对底部填充材料的低温固化提出了要求。图3所示的是一款新配方、真正低温固化的底部填充材料的特性曲线，该产品的固化反应点大致在75^oC，只有超过该温度该产品才会比较快速地固化。相应地，预热温度设置在50^oC会得到一个比较安全而理想的流动速度。工艺工程师应该向材料供应商咨询以得到正确的底部填充材料预热及固化曲线(图5)。

图4：平面剖切显示过高预热温度(90^oC)引起的空洞

图5 典型的低温固化底部填充材料的固化曲线

底部填充材料没有完全固化也可能会带来潜在的可靠性隐患，因为没固化完全的底部填充材料它达不到设计时的物理特性。图6所示为一款设计需要60min@160^o C固化的环氧树脂的挠曲模量轮廓图。从图可看出该材料如果在固化温度较低或固化时间不够的情况下，它的挠曲模量就比较低(也就是说固化后较软)，这也就意味着该材料没有完全固化，内部的分子交叉链接没有完成，这时底部填充材料就达不到设计功能，对潮气及其它化学腐蚀抵抗能力极弱。作为工艺工程师应该警惕这种不按产品要求的固化条件来固化所带来的危险。

图6：在80^oC 情况下测得的不同固化条件下的挠曲模量轮廓图

用手感觉材料表面的硬度来判断它的固化与否是非常错误的，建议大家应该按照所用底部填充材料的规格要求来设置固化曲线。另外也可以在材料供应商的协助下通过DSC测试方法来验证过炉后的材料是否完全固化。

固化后底部填充材料的物理特性

球径在0.3~0.5mm的CSP芯片自身强度高，通常都能耐受目前常用的温度循环测试，所以在CSP上的底部填充材料基本上都采用CTE较高的无填料的环氧树脂(图7)，其主要原因是它相对有填料的树脂而言有较好的流动性和更低的成本。

图7：填料对CTE及模量的影响

但是通常环氧树脂与生俱来的超过2000 Mpa 的高模量依然不能很好的吸收芯片焊球因动态负载产生的应力，例如目前大部分手机厂商采用的重复按键及6英尺跌落等的动态负载测试。而且，很高的模量对维修也造成困难。所有这些因素都促使我们需要一种固化后低模量而内部又有高密度交叉链接的材料。这种理想的底部填充材料应具有100Mpa以下的模量，而且能满足典型的6英尺跌落的可靠性测试。

Fluxfill 底部填充工艺

传统的底部填充工艺需要额外的设备投资及固化时间，这促使电子生产厂家寻求一种更经济有效的方法。通过与材料供应商的合作，一种很有前景的称作”Fluxfill”的底部填充工艺目前已经在一些Flip Chip组装中得到应用

锡膏印刷

点底部填充剂

贴片

回流

图8： Fluxfill^TM 底部填充工艺流程示意图

用于Fluxfill工艺的底部填充材料必须满足一个非常特别的固化条件，它的固化必须在回流中焊点形成后开始，而且要在回流结束后就完成。通常的回流曲线设置液相线以上只有45 ~60秒，对材料而言，要在这么短的时间的完全固化是一个很大的挑战，所以对一些老一代的Fluxfill配方，通常需要在回流后进行二次固化。

目前，既能用于有铅回流，同时也能用于无铅回流，而且不需要讨厌的炉后二次固化的理想的Fluxfill材料已被研制出来了。由于它的操作窗口相对不是很宽，所以在量产前SMT工艺工程师一定要与材料的供应商密切的合作。

结论

理解材料的特性是正确设置工艺参数的先决条件。选择合适的材料及工艺参数的合理调整能较容易的解决上面提到的大部分问题。

寻求更低成本的制造工艺始终是我们的目标，一些非传统的底部填充工艺已被相应地研发出来，其中Fluxfill工艺已在商业化量产中被证实是一种较有前景的工艺。

参考文献

Brain J. Toleno Ph.D., and George Carson, Ph.D. “Flip Chip Underfill and Flux Residue with lead Free” Circuit Assembly June 2004.
George Carson, Ph.D and Maury Edwards “Factors affecting Voiding in underfilled flip chip assemblies” Pan Pacific Conference Feb. 2002
Larry Crane “CSP Underfill, Processing and Reliability” Joint Project with Laboratory for electronics assembly and Packaging – Auburn University
Christine Naito and Michael Todd “The eﬀects of curing parameters on the properties development of an epoxy encapsulant material” Microelectronics reliability 42 (2002) 119~125
Doug Katze “No Flow-Fluxing Underfill Material and Process Considerations” Presented at HDI 2000

本文引用地址：http://www.newbonder.com/article/2005/0715/article_721.html