發(fā)布時(shí)間：2025-08-27 13:49:48 責(zé)任編輯：漢思新材料閱讀：29
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(guān)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(yīng)力，顯著提高焊點(diǎn)抵抗熱循環(huán)和機(jī)械沖擊的能力。然而，如果底部填充膠出現(xiàn)開裂或脫落，會(huì)嚴(yán)重威脅器件的可靠性和壽命。以下是導(dǎo)致這些失效的主要原因分析及相應(yīng)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(shù)）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(huán)過程中，不同材料膨脹收縮程度不同，在填充膠內(nèi)部或界面處產(chǎn)生巨大的剪切應(yīng)力，超過其強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)開裂（通常在芯片邊緣或角落應(yīng)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(yīng)力作用下不易發(fā)生微小形變來釋放能量，更容易發(fā)生脆性斷裂。
韌性不足： 材料本身脆性大，抗沖擊和抗開裂擴(kuò)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(shí)間不足、配方問題或受污染導(dǎo)致交聯(lián)密度不夠，內(nèi)聚強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度下降。
固化收縮過大： 固化過程中體積收縮過大，在膠體內(nèi)或界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，成為潛在的裂紋源。
吸水率高/耐濕性差： 吸濕后材料會(huì)膨脹（濕膨脹），在后續(xù)干燥或溫度變化時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力。吸濕還會(huì)導(dǎo)致材料塑化、模量下降、Tg降低，并可能引發(fā)水解反應(yīng)破壞粘接或材料本身。在回流焊（尤其是無鉛高溫回流）時(shí)，內(nèi)部水分急劇汽化產(chǎn)生蒸汽壓，可能導(dǎo)致“爆米花”式開裂或界面分層。
Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）過低： 如果填充膠的Tg低于器件的工作溫度或存儲(chǔ)溫度上限，在高溫下材料會(huì)變軟（模量急劇下降），失去支撐和保護(hù)焊點(diǎn)的作用，且更容易發(fā)生蠕變，導(dǎo)致應(yīng)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(qū)變得更大，加劇應(yīng)力。
2. 工藝控制不當(dāng)：
點(diǎn)膠/填充不良：
填充不飽滿/空洞/氣泡： 點(diǎn)膠路徑設(shè)計(jì)不合理、膠量不足、流速/壓力不當(dāng)、溫度不合適（粘度太高或太低）、助焊劑殘留過多阻礙流動(dòng)等，導(dǎo)致填充區(qū)域存在空洞或未完全填充。空洞處是應(yīng)力集中點(diǎn)，容易成為裂紋的起始點(diǎn)。未填充區(qū)域則完全失去保護(hù)。
填充高度不足/過量： 高度不足保護(hù)不夠；過量可能導(dǎo)致膠體爬上芯片側(cè)面過多，在后續(xù)封裝或溫度變化時(shí)因應(yīng)力不同而開裂。
固化工藝不當(dāng)： 未嚴(yán)格按照膠水供應(yīng)商推薦的溫度曲線和時(shí)間進(jìn)行固化（溫度過低、時(shí)間過短、升溫/降溫速率過快）。過快升溫可能導(dǎo)致表面快速固化而內(nèi)部未固化（“表干里不干”），過快降溫則會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)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(huì)嚴(yán)重削弱填充膠與焊點(diǎn)、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(dāng)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(xué)性質(zhì)不適合粘接。
清潔不徹底： 在點(diǎn)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(dāng)或清潔工藝（如清洗時(shí)間、溫度、噴淋壓力）不佳也可能留下殘留或損傷表面。
應(yīng)力點(diǎn)： 在組裝或測試過程中，器件受到不當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)力（如彎曲、扭曲、碰撞），可能導(dǎo)致填充膠在固化前或固化后受損。
3. 設(shè)計(jì)因素：
芯片尺寸過大/間隙過小： 大尺寸芯片在溫度變化時(shí)變形更大，應(yīng)力更大。過小的間隙（Standoff Height）使得填充膠流動(dòng)困難，易產(chǎn)生填充缺陷。
應(yīng)力集中設(shè)計(jì)： 芯片邊緣尖銳、基板上的通孔位置靠近焊點(diǎn)等設(shè)計(jì)會(huì)加劇局部應(yīng)力。
基板材料選擇： 基板本身的CTE、模量和Tg也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的熱機(jī)械應(yīng)力分布。
4. 使用環(huán)境因素：
嚴(yán)苛的溫度循環(huán)： 范圍寬（ΔT大）、速率快的溫度循環(huán)對(duì)填充膠的耐熱疲勞性能是巨大考驗(yàn)。
高濕度環(huán)境： 長期暴露在高濕環(huán)境下會(huì)加速吸濕，影響材料性能和界面粘接。
機(jī)械沖擊/振動(dòng)： 超出填充膠承受能力的物理沖擊。
二、 解決方案
1. 優(yōu)化底部填充膠材料選擇：
匹配CTE： 優(yōu)先選擇CTE介于芯片和基板之間（通常在30-90 ppm/°C范圍內(nèi)）并盡可能接近焊料CTE的填充膠。改性環(huán)氧樹脂常通過添加無機(jī)填料（如二氧化硅）來降低CTE。
調(diào)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(chǔ)溫度（通常要求高于125°C，無鉛應(yīng)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(jīng)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(duì)工藝波動(dòng)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(chǎn)品： 如漢高樂泰、漢思新材料等，并索要完整可靠的性能數(shù)據(jù)報(bào)告。
2. 嚴(yán)格控制工藝過程：
優(yōu)化點(diǎn)膠工藝：
精確控制膠量： 通過實(shí)驗(yàn)確定最佳膠量（確保充分填充無空洞，且不嚴(yán)重溢出）。
優(yōu)化點(diǎn)膠路徑與參數(shù)： 設(shè)計(jì)合理的點(diǎn)膠軌跡（如L形、U形），控制點(diǎn)膠速度、壓力、針頭高度、溫度（預(yù)熱基板可降低膠水粘度改善流動(dòng)性）。
真空輔助填充/毛細(xì)流動(dòng)控制： 對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或小間隙，可采用真空輔助或優(yōu)化膠水流動(dòng)性的配方來促進(jìn)填充，減少氣泡。
使用自動(dòng)化點(diǎn)膠設(shè)備： 保證一致性和精度。
嚴(yán)格執(zhí)行固化工藝：
精確遵循推薦曲線： 使用溫度曲線測試儀驗(yàn)證爐溫曲線是否滿足膠水規(guī)格書要求（包括升溫速率、峰值溫度、保溫時(shí)間、降溫速率）。
避免過快升降溫： 控制升降溫速率以減少熱應(yīng)力。
加強(qiáng)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(shè)備（如浸泡、噴淋、超聲波），并進(jìn)行清洗效果驗(yàn)證（如離子污染度測試、目檢、表面能測試）。
控制生產(chǎn)環(huán)境： 保持操作環(huán)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(shí)）： 對(duì)于難粘接的表面，在點(diǎn)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(qiáng)度。
3. 優(yōu)化設(shè)計(jì)與操作：
設(shè)計(jì)考慮： 與封裝設(shè)計(jì)工程師溝通，考慮熱機(jī)械應(yīng)力因素（如避免尖銳轉(zhuǎn)角、優(yōu)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(yīng)力消除： 在組裝、測試、運(yùn)輸和后續(xù)集成過程中，嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，避免對(duì)器件施加不當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)力（如彎曲、跌落）。使用合適的工裝夾具。
4. 加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控與失效分析：
過程監(jiān)控： 對(duì)點(diǎn)膠后的填充效果進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢查，檢查填充飽滿度、有無明顯空洞和溢出。抽樣進(jìn)行切片分析，檢查內(nèi)部填充質(zhì)量和界面狀況。
可靠性測試： 對(duì)生產(chǎn)批次的樣品進(jìn)行加速可靠性測試（如溫度循環(huán)試驗(yàn)、高溫高濕存儲(chǔ)、壓力鍋蒸煮試驗(yàn)）以驗(yàn)證長期可靠性。
失效分析： 一旦發(fā)生開裂/脫落，立即進(jìn)行失效分析：
無損檢測： X射線檢查內(nèi)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(tài)（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(fù)測： 測試失效膠塊的Tg、模量、CTE等是否偏離標(biāo)準(zhǔn)值。
明確失效模式與機(jī)理： 是熱疲勞斷裂？界面粘接失效？還是濕氣導(dǎo)致的失效？根據(jù)分析結(jié)果精準(zhǔn)定位問題根源，指導(dǎo)后續(xù)改進(jìn)。
總結(jié)
解決底部填充膠開裂和脫落問題是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從材料選型、點(diǎn)膠工藝控制、設(shè)計(jì)優(yōu)化和嚴(yán)格監(jiān)控四個(gè)方面協(xié)同發(fā)力。最關(guān)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(diǎn)膠和固化工藝。 同時(shí)，建立完善的質(zhì)量監(jiān)控體系和失效分析能力，是快速定位問題、持續(xù)改進(jìn)工藝、確保產(chǎn)品長期可靠性的根本保障。
建議與底部填充膠供應(yīng)商的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)緊密合作如漢思新材料，他們能根據(jù)你的具體應(yīng)用（芯片尺寸、基板類型、工作環(huán)境、可靠性要求）提供最匹配的產(chǎn)品推薦和詳細(xì)的工藝指導(dǎo)。 在工藝變更（尤其是換膠）后，務(wù)必進(jìn)行充分的工藝驗(yàn)證和可靠性測試。
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