【干货】underfill底部填充胶空洞的原因、检测及分析
发布时间:2024/01/11 14:21

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   Underfil底部填充胶小课堂  

底部填充技术上世纪七十年代发源于IBM公司,目前已经成为电子制造产业重要的组成部分。起初该技术的应用范围只限于陶瓷基板,直到工业界从陶瓷基板过渡到有机(叠层)基板,底部填充技术才得到大规模应用,并且将有机底部填充材料的使用作为工业标准确定下来。

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1.底部填充胶的定义

底部填充胶(Underfill)对SMT(电子电路表面组装技术)元件(如:BGA、CSP芯片等)装配的长期可靠性是必须的。选择合适的底部填充胶对芯片的跌落和热冲击的可靠性都起到了很大的保护作用。在芯片锡球阵列中,底部填充胶能有效的阻止焊锡点本身(即结构内的最薄弱点)因为应力而发生应力失效。此外,底部填充胶的第二个作用是防止潮湿和其他形式的污染。

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2.常见问题

底部填充胶在使用过程中,出现空洞和气隙是很常见的问题,出现空洞的原因与其封装设计和使用模式息息相关,典型的空洞会导致可靠性的下降。了解空洞形成的不同起因及其特性,将有助于解决底部填充胶的空洞问题。


空洞的特性


了解空洞的特性有助于将空洞与它们的产生原因相联系,其中包括:
◥形状——空洞是圆形的还是其他形状?
◥尺寸——通常描述成空洞在芯片平面的覆盖面积。
◥产生频率——是每10个容器中出现一个空洞,还是每个器件出现10个空洞?空洞是在特定的时期产生,还是一直产生,或者是任意时间产生?
◥定位——空洞出现芯片的某个确定位置还是任意位置?空洞出现是否与互连凸点有关?空洞与施胶方式又有什么关系?

空洞的检测方法


underfill底部填充胶空洞检测的方法,主要有以下三种:
◥利用玻璃芯片或基板
直观检测,提供即时反馈,缺点在于玻璃器件上底部填充胶(underfill)的流动和空洞的形成与实际的器件相比,可能有细微的偏差。

◥超声成像和制作芯片剖面
超声声学成像是一种强有力的工具,它的空洞尺寸的检测限制取决于封装的形式和所使用的仪器。

◥将芯片剥离的破坏性试验
采用截面锯断,或将芯片或封装从下underfill底部填充胶上剥离的方法,有助于更好地了解空洞的三维形状和位置,缺点在于它不适用于还未固化的器件。

底部填充胶空洞产生的原因


◥流动型空洞
流动型空洞(其中还存在着几种类型),都是在underfill底部填充胶流经芯片和封装下方时产生,两种或更多种类的流动波阵面交会时包裹的气泡会形成流动型空洞。

流动型空洞产生的原因
①与底部填充胶施胶图案有关。在一块BGA板或芯片的多个侧面进行施胶可以提高underfill底填胶流动的速度,但是这也增大了产生空洞的几率。

②温度会影响到底部填充胶的波阵面。不同部件的温度差也会影响到胶材料流动时的交叉结合特性和流动速度,因此在测试时应注意考虑温度差的影响。

③胶体材料流向板上其他元件(无源元件或通孔)时,会造成下底部填充胶(underfill)材料缺失,这也会造成流动型空洞。

流动型空洞的检测方法
采用多种施胶图案,或者采用石英芯片或透明基材板进行试验是了解空洞如何产生,并如何消除空洞的最直接的方法。通过在多个施胶通道中采用不同颜色的下填充材料是使流动过程直观化的理想方法。

流动型空洞的消除方法
通常,往往采用多个施胶通道以降低每个通道的填充量,但如果未能仔细设定和控制好各个施胶通道间的时间同步,则会增大引入空洞的几率。采用喷射技术来替代针滴施胶,控制好填充量的大小就可以减少施胶通道的数量,同时有助于对下底部填充胶(underfill)流动进行控制和定位。


◥水气空洞

存在于基板中的水气在底部填充胶(underfill)固化时会释放,从而固化过程中产生底部填充胶(underfill)空洞。这些空洞通常随机分布,并具有指形或蛇形的形状,这种空洞在使用有机基板的封装中经常会碰到。

水气空洞检测/消除方法
要测试空洞是否由水气引起,可将部件在100°C以上前烘几小时,然后立刻在部件上施胶。一旦确定水气是空洞的产生的根本原因,就要进行进一步试验来确认最佳的前烘次数和温度,并确定相关的存放规定。一种较好的含水量测量方法是用精确分析天平来追踪每个部件的重量变化。

需要注意的是与水气引发的问题相似,一些助焊剂沾污产生的问题也可以通过前烘工艺来进行补救,这两类问题可以通过试验很方便地加以区分。如果部件接触湿气后,若是水气引发的问题则会再次出现,而是助焊剂沾污所引发的问题将不再出现。


◥流体胶中气泡产生空洞

各大制造商对于封装底部填充胶的无气泡化现象都非常重视。但是对于流体胶材料的不当处理,重新分装或施胶技术不当都会引发气泡问题。在使用时未经充分除气。如果没有设定好一些自动施胶设备的话,也会在施胶时在其流动途径上产生气泡。

材料气泡检测方法
有一种直接的方法可以检测底部填充胶(underfill)材料中是否存在着气泡,可通过注射器上一个极细的针头施胶并划出一条细长的胶线,然后研究所施的胶线是否存在缝隙。如果已经证实底部填充胶(underfill)材料中存在气泡,就要与你的材料供应商联系来如何正确处理和贮存这类底部填充胶(underfill)材料。

如果没有发现气泡,则用阀门、泵或连接上注射器的喷射头重复进行这个测试。如果在这样的测试中出现了空洞,而且当用注射器直接进行施胶时不出现空洞,那么就是设备问题造成了气泡的产生。在这种情况下,就需要和你的设备供应商联系来如何正确设置和使用设备。


◥沾污空洞

助焊剂残渣或其他污染源也可能通过多种途径产生空洞,由过量助焊剂残渣引起的沾污常常会造成不规则的随机的胶流动的变化,特别是互连凸点处。如果因胶流动而产生的空洞具有这种特性,那么需要慎重地对清洁处理或污染源进行研究。

在某些情况下,在底部填充胶(underfill)固化后助焊剂沾污会在施胶面相对的芯片面上以一连串小气泡的形式出现。显然,底部填充胶(underfill)流动时将助焊剂推送到芯片的远端位置。

空洞分析策略


先确定空洞产生于固化前还是固化后,有助于分析空洞的产生原因。

如果空洞在固化后出现,可以排除流动型空洞或由流体胶中气泡引起的空洞两种产生根源。可以重点寻找水气问题和沾污问题,固化过程中气体释放源问题或者固化曲线问题。

如果空洞在固化前或固化后呈现出的特性完全一致,这将清晰地表明某些底部填充胶(underfill)在流动时产生空洞:他们会形成一种流动阻塞效应,然后在固化过程中又会释放气体。



全自动真空压力除泡系统VPSA核心技术



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01
全自动运行




独家专利除泡能力,全球首发自动化设备,智能化系统布设可对接OHT-AGV等自动化产线设备

02
控压精准




采用多重多段真空/压力切换系统,根据工艺及材料需求设计最佳除泡方案,辅助以微压力控制系统;

03
控温精准




固化品质高采用双腔体、双温控系统,屹立芯创先进控温技术,控温精度高达±1°C,可实时监控温度并生成温度曲线;炉内温度均匀性好,固化品质高,一致性好;

04
更出色,更稳定




更可靠结构设计及零件经上百次优化迭代,结构更简洁、实用,不易出故障;先进的零件性能更加出色,使设备的运行稳定性更强,满足连续式、大批量生产要求;

05
控制系统




采用智能化系统布设可对接OHT-AGV等自动化产线设备可对接MES系统,保证生产安全及产品良率。


屹立芯创本着优先让客户成功的经营理念,一直致力于除泡品类设备的研发,经过20多年的技术经验积累,目前已成功量产符合多种工艺材料需求的除泡设备,实现了完全国产化并在多个国家或地区广泛使用,成为中国封测领域解决除泡问题的排头兵。




屹立芯创·除泡品类开创者









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公司简介
屹立芯创作为除泡品类开创者,以核心的热流和气压两大技术,持续自主研发与制造除泡品类体系,提升良率助力产业发展,专注解决半导体先进封装中的气泡问题,为客户定制半导体产业先进封装领域,多种制程工艺中的气泡整体解决方案,现已成功赋能半导体、汽车、新能源、5G/IoT等细分领域。

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