發布時間：2025-08-27 13:49:48 責任編輯：漢思新材料閱讀：21
底部填充膠（Underfill）在電子封裝（尤其是倒裝芯片、BGA、CSP等）中起著至關重要的作用，它通過填充芯片與基板之間的間隙，均勻分布應力，顯著提高焊點抵抗熱循環和機械沖擊的能力。然而，如果底部填充膠出現開裂或脫落，會嚴重威脅器件的可靠性和壽命。以下是導致這些失效的主要原因分析及相應的解決方案：
一、 開裂/脫落原因分析
1. 材料本身問題：
CTE（熱膨脹系數）不匹配： 這是最主要的原因之一。填充膠的CTE與芯片（硅，~2.6 ppm/°C）、基板（FR4，~12-18 ppm/°C；BT，~14-15 ppm/°C）或焊料（無鉛焊料，~21-25 ppm/°C）差異過大。在溫度循環過程中，不同材料膨脹收縮程度不同，在填充膠內部或界面處產生巨大的剪切應力，超過其強度極限時就會開裂（通常在芯片邊緣或角落應力集中處開始）。
模量（彈性模量）過高： 模量過高的填充膠過于剛硬，在應力作用下不易發生微小形變來釋放能量，更容易發生脆性斷裂。
韌性不足： 材料本身脆性大，抗沖擊和抗開裂擴展能力差。
固化不完全/固化收縮過大：
固化不完全： 固化溫度/時間不足、配方問題或受污染導致交聯密度不夠，內聚強度和粘接強度下降。
固化收縮過大： 固化過程中體積收縮過大，在膠體內或界面處產生內應力，成為潛在的裂紋源。
吸水率高/耐濕性差： 吸濕后材料會膨脹（濕膨脹），在后續干燥或溫度變化時產生應力。吸濕還會導致材料塑化、模量下降、Tg降低，并可能引發水解反應破壞粘接或材料本身。在回流焊（尤其是無鉛高溫回流）時，內部水分急劇汽化產生蒸汽壓，可能導致“爆米花”式開裂或界面分層。
Tg（玻璃化轉變溫度）過低： 如果填充膠的Tg低于器件的工作溫度或存儲溫度上限，在高溫下材料會變軟（模量急劇下降），失去支撐和保護焊點的作用，且更容易發生蠕變，導致應力釋放不良或長期可靠性下降。Tg過低也可能使CTE在高溫區變得更大，加劇應力。
2. 工藝控制不當：
點膠/填充不良：
填充不飽滿/空洞/氣泡： 點膠路徑設計不合理、膠量不足、流速/壓力不當、溫度不合適（粘度太高或太低）、助焊劑殘留過多阻礙流動等，導致填充區域存在空洞或未完全填充。空洞處是應力集中點，容易成為裂紋的起始點。未填充區域則完全失去保護。
填充高度不足/過量： 高度不足保護不夠；過量可能導致膠體爬上芯片側面過多，在后續封裝或溫度變化時因應力不同而開裂。
固化工藝不當： 未嚴格按照膠水供應商推薦的溫度曲線和時間進行固化（溫度過低、時間過短、升溫/降溫速率過快）。過快升溫可能導致表面快速固化而內部未固化（“表干里不干”），過快降溫則會產生熱應力。
基板/芯片表面污染：
助焊劑殘留： 這是最常見的污染源，殘留的松香、活性劑等會嚴重削弱填充膠與焊點、阻焊層或芯片鈍化層的粘接力。
油脂、指紋、灰塵、顆粒物：操作不當引入的污染物。
氧化物/鈍化層特性： 基板焊盤或芯片鈍化層（如SiN, PI）的表面能、粗糙度、化學性質不適合粘接。
清潔不徹底： 在點膠前未有效去除助焊劑殘留和其他污染物。清潔劑選擇不當或清潔工藝（如清洗時間、溫度、噴淋壓力）不佳也可能留下殘留或損傷表面。
應力點： 在組裝或測試過程中，器件受到不當的機械應力（如彎曲、扭曲、碰撞），可能導致填充膠在固化前或固化后受損。
3. 設計因素：
芯片尺寸過大/間隙過小： 大尺寸芯片在溫度變化時變形更大，應力更大。過小的間隙（Standoff Height）使得填充膠流動困難，易產生填充缺陷。
應力集中設計： 芯片邊緣尖銳、基板上的通孔位置靠近焊點等設計會加劇局部應力。
基板材料選擇： 基板本身的CTE、模量和Tg也會影響整個系統的熱機械應力分布。
4. 使用環境因素：
嚴苛的溫度循環： 范圍寬（ΔT大）、速率快的溫度循環對填充膠的耐熱疲勞性能是巨大考驗。
高濕度環境： 長期暴露在高濕環境下會加速吸濕，影響材料性能和界面粘接。
機械沖擊/振動： 超出填充膠承受能力的物理沖擊。
二、 解決方案
1. 優化底部填充膠材料選擇：
匹配CTE： 優先選擇CTE介于芯片和基板之間（通常在30-90 ppm/°C范圍內）并盡可能接近焊料CTE的填充膠。改性環氧樹脂常通過添加無機填料（如二氧化硅）來降低CTE。
調整模量： 選擇具有適中模量（通常在幾GPa到十幾GPa范圍）的填充膠。過高的模量雖能提供支撐但易裂，過低的模量則支撐不足。可通過添加增韌劑（如橡膠粒子、熱塑性樹脂）提高韌性。
提高Tg：確保填充膠的Tg顯著高于器件的最高工作溫度和存儲溫度（通常要求高于125°C，無鉛應用可能需要>150°C）。
降低吸水率/提高耐濕性： 選擇疏水性配方或經過耐濕改性的填充膠。
控制固化收縮率： 選擇低收縮配方。
確保完全固化特性： 選擇固化窗口寬、對工藝波動不敏感的膠水，并確保其能在推薦的條件下完全固化。
選用知名品牌可靠產品： 如漢高樂泰、漢思新材料等，并索要完整可靠的性能數據報告。
2. 嚴格控制工藝過程：
優化點膠工藝：
精確控制膠量： 通過實驗確定最佳膠量（確保充分填充無空洞，且不嚴重溢出）。
優化點膠路徑與參數： 設計合理的點膠軌跡（如L形、U形），控制點膠速度、壓力、針頭高度、溫度（預熱基板可降低膠水粘度改善流動性）。
真空輔助填充/毛細流動控制： 對于復雜結構或小間隙，可采用真空輔助或優化膠水流動性的配方來促進填充，減少氣泡。
使用自動化點膠設備： 保證一致性和精度。
嚴格執行固化工藝：
精確遵循推薦曲線： 使用溫度曲線測試儀驗證爐溫曲線是否滿足膠水規格書要求（包括升溫速率、峰值溫度、保溫時間、降溫速率）。
避免過快升降溫： 控制升降溫速率以減少熱應力。
加強清潔工藝：
徹底去除助焊劑殘留： 采用有效的清洗工藝（水基或溶劑清洗）和合適的清洗設備（如浸泡、噴淋、超聲波），并進行清洗效果驗證（如離子污染度測試、目檢、表面能測試）。
控制生產環境： 保持操作環境清潔（無塵車間），防止二次污染。操作員佩戴防靜電手套。
表面處理（必要時）： 對于難粘接的表面，在點膠前可考慮采用等離子體清洗，能顯著提高表面能和活性，去除微觀污染物，極大改善粘接強度。
3. 優化設計與操作：
設計考慮： 與封裝設計工程師溝通，考慮熱機械應力因素（如避免尖銳轉角、優化焊盤布局和通孔位置）。在可能的情況下，選擇CTE匹配性更好的基板材料。
應力消除： 在組裝、測試、運輸和后續集成過程中，嚴格遵守操作規范，避免對器件施加不當的機械應力（如彎曲、跌落）。使用合適的工裝夾具。
4. 加強質量監控與失效分析：
過程監控： 對點膠后的填充效果進行自動光學檢查，檢查填充飽滿度、有無明顯空洞和溢出。抽樣進行切片分析，檢查內部填充質量和界面狀況。
可靠性測試： 對生產批次的樣品進行加速可靠性測試（如溫度循環試驗、高溫高濕存儲、壓力鍋蒸煮試驗）以驗證長期可靠性。
失效分析： 一旦發生開裂/脫落，立即進行失效分析：
無損檢測： X射線檢查內部空洞、裂紋位置。
破壞性分析：切片后用金相顯微鏡或掃描電鏡觀察裂紋形態（穿晶/沿晶）、起始位置、界面狀況。
成分分析： 檢查界面是否有污染物（如EDS分析）。
材料性能復測： 測試失效膠塊的Tg、模量、CTE等是否偏離標準值。
明確失效模式與機理： 是熱疲勞斷裂？界面粘接失效？還是濕氣導致的失效？根據分析結果精準定位問題根源，指導后續改進。
總結
解決底部填充膠開裂和脫落問題是一個系統工程，需要從材料選型、點膠工藝控制、設計優化和嚴格監控四個方面協同發力。最關鍵的是選擇CTE匹配性好、Tg高、韌性足、耐濕性好的填充膠，并輔以徹底有效的清潔工藝、精確可控的點膠和固化工藝。 同時，建立完善的質量監控體系和失效分析能力，是快速定位問題、持續改進工藝、確保產品長期可靠性的根本保障。
建議與底部填充膠供應商的技術支持團隊緊密合作如漢思新材料，他們能根據你的具體應用（芯片尺寸、基板類型、工作環境、可靠性要求）提供最匹配的產品推薦和詳細的工藝指導。 在工藝變更（尤其是換膠）后，務必進行充分的工藝驗證和可靠性測試。
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