【应用】如何搞定【底填Underfill】胶水固化填充不足?

时间： 2021-09-29 来源：禧合

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随着细间距CSP/PoP等集成电路封装越来越广泛地应用于各种电子产品中，此类元件的细小焊点可靠性就越来越受到大家的重视了。在热应力或机械应力作用下，精细的焊点可能出现断裂失效问题。现在业界普遍采用Underill工艺以降低应力对焊点的影响，但Underfill在操作过程中又可能出现一些制程问题而降低其保护效果。

图1

Underfill需要完全覆盖元件底部区域，将CSP元件整个本体与板面紧密粘接在一起，降低热或机械应力对焊点的影响。

图2

在实际应用过程中，Underfill会受到多种因素的影响，如点胶方式，固化温度参数，锡球矩阵，锡膏助焊剂成分等。可能导致元件底部的胶水不能完全固化或不能完全覆盖元件底部的锡球。这两种情况将降低Underfill的保护效果，这是不允许的。本文将通过一个实际案例来对这两个问题进行分析，找出根本原因并提出改善方法。

问题描述

在某手机产品NPI阶段，发现CSP元件底部Underfill胶水并没有完全固化或填充。0.8mm间距的CSP固化和填充效果良好，但同一块板上的0.5mm间距CSP的中心位置存在胶水半固化以及填充不足问题。

图3

缺陷分析

从前面的案例中可以看到Underfill的问题存在于两个方面，一是胶水半固化，二是胶水不能完全覆盖包裹元件底部的锡球，这是两个表征和原因都不相同的两个问题，分析及改善也需要分开处理。

▶ 半固化分析

从鱼骨图原因分析来看，对固化影响较大的可能有八大潜在因素：预热温度；固化时间不足；固化温度过低；固化炉不稳定；锡膏助焊剂与胶水不兼容；锡膏助焊剂残留过多；SMD和NSMD焊盘形式差异；回流焊接温度曲线。

图4

【预热温度】

设定PCBA预热温度为30~40℃，半固化缺陷仍然存在且胶水填充效果糟糕。

【不足的固化时间和温度】

将固化温度从120℃提高到150℃，仍发现填充胶水固化不充分的缺陷。

【固化炉不稳定】

通过Cmk的测量，固化炉的Cmk在1.33以上，说明固化炉稳定。

【锡膏助焊剂与胶水的兼容性】

胶水除了环氧树脂外还含有其它元素，如固化剂，催化剂，交联剂等等。助焊剂残留可能与胶水固化剂发生反应而影响固化效果，助焊剂残留物对底部充胶质量有非常显著的影响。固化后的CSP锡球与Underfill材料间有明显的分离间隙。但清洗后锡球与填充材料结合相当紧密，没有任何的间隙存在。

图5

Underfill胶水半固化的样品元件被确认是只经受过一次回流过程。四个经过二次回流的元件并没有发现任何缺陷存在。可以确定二次回流的元件助焊剂残留物要少于一次回流。为验证以上分析，将两片需要底部充胶的PCBA进行超声波清洗并烘烤，4小时后进行填充切片，填充固化良好，实验结果证明助焊剂残留对胶水固化存在影响。

图6

固化温度曲线

胶水成分与助焊剂残留之间的兼容问题是存在的，需要尝试优化固化温度曲线以改善结果，将一对混有助焊剂残留物与Underfill胶水的样品分别用慢速和快速两种不同的上升斜率曲线进行固化实验。两种曲线的固化温度都为120℃。慢速上升斜率为1.1~1.2℃/s，而快速上升斜率为1.94℃/s。实验结果显示：缓慢的上升固化斜率对胶水的固化不充分，胶水还处于柔软状态；但快速上升的固化斜率对胶水的固化效果良好，胶水已得到充分固化。

图7

提高固化温度到150℃并保持慢速和快速两种固化斜率重复实验。所得实验结果没有变化；慢速上升斜率的实验样品仍然保持柔软状态，胶水固化不充分；但快速上升斜率的固化效果相当充分，胶水处于完全固化状态。

DSC测试分析

通过DSC (Differential scanning calorimetry) 可有效的鉴定出胶水固化和半固化的不同特性。

【实验1_标准样本】只有胶水材料，以30℃/分钟的斜率从室温升至120℃并保持60分钟；根据胶水厂商的证实，此条件下的样品可达到100％的固化

率；另一种条件为3分钟保持120℃，可达到85％的固化率。

【实验2_慢速升温斜率0.475℃/s】Underfill胶水和助焊剂残留物3：1混合，以28.5℃/分钟的上升斜率从室温升至130℃并保持2分钟。

【实验3_快速升温斜率1.58℃/s】Underfill胶水和助焊剂残留物3：1混合，以91.5℃/分钟的上升斜率从室温升至130℃并保持4分钟。

图8

从DSC结果比较可以看出，快速的上升斜率可达到86.31％的平均固化率，可满足胶水的基本固化要求。但是慢速的上升斜率却只能达到68.67％的平均固化率，固化不完整。因此快速的固化上升斜率曲线 (> 1.5 ℃/秒) 可以作为解决Underfill胶水固化不足的有效途径。

▶ Underfill不足的工艺流程优化

胶水的填充更多需要考虑胶水在元件底部的流动路径问题，CSP锡球排列及其周边其它元件的分布都可能影响胶水的流动。所以，需要考虑调整点胶参数以优化胶水的流动路径。原始的点胶工艺参数如下表。

表1

【玻璃板实验】

为了研究空洞的形成过程，玻璃板被用来验证和模拟实际CSP Underfill胶水的毛细管作用现象。实验结果如下图所示，胶水在CSP周边的流动性要快于中间的锡球位置，这就是为什么所观察到的空洞都集中在CSP的中间位置。

图9

优化点胶参数，在保证相同胶量的前提下将点胶次数由3次增加到4次，实验结果如下图所示，中间锡球间的空气被逐步排出，没有形成空洞。

图10

使用4次点胶和快速上升斜率的固化曲线。解决了胶水Underfill的半固化和填充不足等缺陷。

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