淺談對底填膠的選型理解

眾所周知，在工業(yè)現代化和信息化的當今，半導體產業(yè)已經滲透到工業(yè)領域的各個方面。尤其是近年來人工智能(AI)、工業(yè)4.0、5G、高性能計算(HPC)、物聯網(IoT)、 智能汽車和數據中心等一系列高科技技術的蓬勃發(fā)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系統(tǒng)級集成作為硬件支撐，這些都給半導體行業(yè)提供了前所未有的發(fā)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、多功能化和輕量化，使得電子產品結構日趨緊湊，功能日趨強大，相應的電路設計更加復雜，能耗管理更加嚴峻，這些都對半導體的封裝技術提出了全新的要求和挑戰(zhàn)。

后摩爾定律時代，業(yè)內還在進一步探索半導體集成電路的發(fā)展方向。使得先進封裝技術的重要性迅速提升起來?；谝陨狭至挚偪偟脑颍冗M封裝必將成為未來一段時間內半導體封裝的主流方向。

BGA帶來的底填膠挑戰(zhàn)

BGA是大尺寸半導體芯片先進封裝較為常用的一種方式。它的特點是大大提高了互聯封裝效率以適應芯片的性能，可以大幅度減小封裝尺寸，適合于高密度、高性能、多引腳的芯片封裝。但是畢竟只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BGA的加固，以提高芯片抗機械外力，尤其是振動和沖擊的能力。它也可以對底部的電路部分進行充分的電性能保護，起到三防的作用?？此仆昝罒o缺的BGA封裝方式，也常常出現信賴性測試無法通過的窘境。業(yè)內關于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面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失效的幫兇。

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系數，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，包括溫度沖擊和溫度循環(huán)等。在此過程中溫度 可能會有超過100度以上的改變，這對組裝以后的電路(系統(tǒng))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 裝系統(tǒng)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，硅芯片的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平面(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(yè)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(yè)膠水供應商Panacol公司就開發(fā)出了一款新型的可用于先進封裝中的Underfill膠St8202，此膠水的CTE只有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干擾，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CTE很好匹配的情況下，在選擇底填膠的時候，參考楊氏模量的意義并不凸顯。但如上所言，目前業(yè)內還很難做到它們的完全匹配。這時，楊氏模量反而顯得尤為重要了。楊氏模量是物體抵抗變形的能力。當楊氏模量大時，物體抵抗變形的能力就強，反之，則抵抗變形的能力就弱。一般而言，底填膠對BGA的機械加固作用是十分明顯的，往往會有幾倍的強度冗余。在這種情況下，底填膠的粘接強度往往就沒有那么重要。因此，對楊氏模量數值的要求，就沒有那么高;另一方面，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兇甚至是元兇!所以，并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。

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。這個因素有點類似于楊氏模量，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(yè)內往往希望Tg越高越好，尤其是高于可靠性測試的最高溫度點。這種考慮其實是比較片面的。當CTE不匹配時，往往膠水的CTE都高于其他材料，而這時楊氏模量和Tg如果也高，則膠水由于溫度變化對系統(tǒng)產生的應力是很大的。反而較低的楊氏模量和適中的Tg會降低內部的總體應力。由于溫度改變而產生的封裝系統(tǒng)內部應力的問題，完全可以用現代的計算機模擬手段進行計算和分析，關于此方面的內容將另文討論。

選擇底填膠，還要考慮工藝方面的諸多影響因素，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;固化溫度也是一個很重要的工藝參數，較低的固化溫度不但可以節(jié)省能耗，更重要的是可以相對降低系統(tǒng)的內部應力。大大降低失效的風險;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，對于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，在現有的膠水體系和供應商能力范圍內，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 由于CTE不匹配而導致的內應力，從而提升BGA的整體可靠性。