文章转自:嘉峪检测网
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。
流动性或者说填充速度往往是客户非常关注的一个指标,尤其是作为实际使用的SMT厂家,而实际对于可靠性要求非常高的一些行业。 测试方法:最简单的方法当然是直接在芯片上点胶进行测试,而且评估不同胶水的流动性时最好是同时进行平行测试(样板数要5-10个以上)。在研发段对流动性的测试就是用两块玻璃片间胶水的流动速度来判断研发方向的。影响流动性的因素有很多,在平行的测试条件下,下面有些可以检讨的因素: 1)粘度:毋庸置疑粘度肯定是影响流动速度最关键的因素之一,目前像粘度在几百cps的胶水基本上都是可以不需要预热点胶的,填充速度基本上都是一两分钟以内的;而像粘度稍大一些的达到几千cps的胶差别就比较大了(从几分钟到十几分钟不等); 2)预热温度:这也是一个非常关键的影响因素,尤其是对一些粘度在一千以上的胶水,一般在预热(预热温度就需要结合产品的特性,一般可以胶水的粘温曲线做参考)的情况下,粘度为几千的胶水能降到几百,流动性会显著增大,但要注意预热温度过高过低都可能会导致流动性变差; 3)基板的差别(芯片的尺寸及锡球的分布、锡球球径及数量、锡球间距、助焊剂残留、干燥程度等),这个对填充速度也是有一定影响的,在某些情况下影响也是非常明显的。 1)施胶量(点胶方式); 2)基板角度(有些厂家会将点胶后的基板倾斜一定角度加快流动性); 3)环境温度(不预热的情况下)
这个指标其实在研发端用DSC曲线就很容易判断出来,当然由于DSC在测试时胶量是以mg来测试,所以一般建议给客户的固化温度是在DSC的理论时间上乘以4倍的。 然而在客户端如果判断,其实简单的方法就是按胶商TDS上建议的固化温度和时间。另外有些客户经常会问如果不完全按TDS建议会如何,简单的推断的方法同等温度下时间加长或者同等时间下温度升高,理论上都是会完全固化的,但反向推断的话最好找供应商确认下。因为每种胶特性不一样,低于某个温度时间即使加几倍时间也未必能固化,同理也不是温度越高时间就会越短,就目前接触到的底填胶水的固化温度没有建议高过150度的(SONY曾经有款手机,使用SUNSTAR的胶水,在150度快速固化时后期测试时会有些缺陷,同样改用130度加长时间固化后就没有这个问题了)。太高温固化和太快速固化对胶水的后期一些性能还是有着蛮大的影响的。 另外对于固化程度的判断,这个做为使用者的客户可能不大好判断,因为目测的完全固化时间和理论上的完全固化还是有差别的,客户一般容易从固化后的硬度,颜色等判断,但这个些指标可能在胶水只固化了80%以上时已经没法分辨出来了,如果能增加一些粘接力等测试辅助可能会更准确些,当然更精确的方法还是要用会DSC等一些热力学测试的设备和方法了。而在实际应用中,胶水达到90%或95%以上的固化已经算是完全固化了,具体要达到百分之九十几这个就要看后期可靠性的要求了。 未完全固化的胶水是很难真正全面发挥应有作用的,尤其是后期测试要求很严格的时候。所以建议客户最好使用相对保险的固化条件,如果设置在临界值的话,固化温度或固化时间少有偏差就可能导致固化不完全。
这个指标其实也是客户比较关注的,但是对填充效果的判断需要进行切片实验,这个在研发端其实很难模拟的,而在客户这边一般也只有相对比较大型的客户才有这样的测试手段和方法,当然也可以送赛宝或者CTI华测等公司进行检测。 测试方法和设备(以赛宝为例): 检测项目:金相切片分析; 检测方法:IPC-TM-650 2.1.1 Microsectioning, Manual Method; 检测仪器:立体显微镜 金相研磨机 金相显微镜 几点说明如下: 1) 这个方法其实并不是针对底填胶的设立的,在电子行业原本是用于PCB信赖性实验,当然“微切片(Microsection)技术范围很广,PCB(Printed Circuit Board)只是其中之一。对多层板品质监控与工程改善,倒是一种花费不多却收获颇大的传统工艺。 2) 另外作为填胶后BGA的切片有横切和纵切之分,而横切也分为从BGA芯片部分打磨还从PCB板部分打磨两种方法。一般而言是用横切的结果来判断填充的整体效果,而用纵切的方法来判断胶水与锡球的填充性(助焊剂兼容性); 3) 前面提到,打磨(微切片)这个过程是比较复杂的,因为打磨过程可能造成对样品或胶层的意外破坏,这样就给后期判断增加了难度,所以当出现一个特别异常的切片结果的时候我们也需要从实验过程中找一些原因; 4) 对于最终的填充效果,这个没有绝对的标准,一般都是需要进行平行对并且还要结合后期的一些测试的。 而在客户现场对填充效果的简单判断,当然就是目测点胶时BGA点胶边的对边都要有胶水,固化后也是需要四条边的胶要完全固化,且没有任何肉眼可见的气泡或空洞。 理想的状态是四边的胶都均匀爬到芯片边缘的一半处(芯片上不得有胶),这个其实和点胶工艺比较相关。另外整体的填充效果和前面讲到的填充速度其实一有一定关系的,尤其是前面谈到的流动性的主要因素3,当然和胶水也有较大的关系。从目前我接触到的各大厂家的测试报告中,没有哪家是可以百分百完全填充的,这里面另一个重要的影响的因素就是锡膏和助焊剂与胶水的兼容性,极端的情况下可能会导致胶水不固化而达不到真正的保护作用。
底填胶的描述中的核心作用:“能有效降低由于硅芯片与基板之间的总体温度膨胀特性不匹配或外力造成的冲击”。其中一个是外力的影响,另一个是温度(热冲击)的影响。下面的几个测试要求就是与这个相关的。
跌落试验是能比较明显显现处使用底填胶和未使用底填胶之间的差别的,据之前汉高公司发布的一些资料来看,正确的使用了底填胶水后,耐跌落的次数会比之前成倍的提高。但是跌落试验其实影响的因素也很多,另外与实验的方法和标准也有很大的关系,就之前接触到的一些方法和大家分享: 1) 跌落样品的制备:这里一般有几种情况,第一种是制作一批实验板(板上就只有BGA元件),第二种是直接将手机的主板作为测试样品(这里也分已焊接其余元件和未焊接其余元件),第三种就是直接将产品成品(手机、相机等)作为测试。这个取决于每家公司自己设置的标准。往往第一种在某些测试条件下可以达到几千次的跌落,而后面两种一般设置的标准都不超过三位数,因为后面两种情况跌落了若干次以后,主板本身或者外壳等早已跌坏了。 2) 跌落方法的设置,一般在以上第一种样品的情况下都会做负重跌落,及在样品上有额外加上一定的重量,整机跌落一般不加负重,主板跌落的话就要看测试方的要求了。而作为承跌的地面也有分不同,有些是橡胶地面、有些是普通的水泥或瓷砖地面、更有甚者是金属地面。而跌落高度一般是1-1.5米不等。跌落方式以抛物线方式或垂直跌落等方式为主。 3) 跌落的标准,这个就看每家公司自己的要求了。有一种标准是不限次数跌落,跌坏为止;一种是设定特定的跌落次数,能达到及视为通过跌落测试。就之前参与HW公司的评估,他们的标准就是2000次以上合格,3000次以上优秀,超过3000次就不再往下测试了。而之前和韩国元化学沟通得知的三星一般也是以1000次以上作为衡量标准的,但具体测试方法就不得而知了。 关于跌落额外说几句,如果测试方法不科学的话有时可能没法辨识使用底填胶的效果,(我记得当时有家公司,打胶不打胶最后测试出来的跌落次数是一样的,甚至打了胶跌落次数还少一些,所有有些厂商甚至一段时间还放弃了使用底填胶。) 另外还有一个与跌落测试类似的测试,据元化学的介绍,他们后期推出替代WE-1007的型号WE-3008就是由于这个要求而改善的,前者好像只能达到几千次,而后者可以达到上万次。这个结论在HW公司的UNDERFILL评测中也得到了验证(虽然当时这项并不是他们的测评的标准)。其实从硬度就能明显看出差别了。前者的硬度约为邵D 级别,而后者却只有邵A的级别。不过由于主板的轻薄化,对胶的韧性提出要求应该也是趋势之一。
这项指标如果简单的测一次的话是比较容易的,而且一般就环氧体系而言这个值一般都是符合电气方面的要求的,客户比较比较关注的是经过老化后的此参数的维持情况,因为有些材料经过恒温恒湿或相关老化后此参数会发生比较大的变化,导致不符合电气方面的要求。我手上有一份赛宝针对底填胶SIR的相关测试,摘录相关方法如下: 检测项目:表面绝缘电阻 技术要求:参考IPC J-STD-004B Requirements for Soldering Fluxes(大于10^8欧姆以上) 检测方法:参考IPC-TM-650 2.6.3.7 Surface Insulation Resistance(双85下168小时) 检测仪器: 高低温交变潮热试验箱;SIR在线测试系统;立体显微镜;高温箱 几点说明如下: 1) IPC J-STD-004B这个技术要求其实是针对阻焊剂的,因为底填胶这个产品并没有自身的相关标准,很多都是参考IPC里面关于其它材料的标准建立的,如之前的金相切片实验也是如此; 2)对于环氧体系的胶水(非为导电设计)而言,一般情况下其表面绝缘一般都是在10的12~16次方以上,即使经过了相关环境试验的考验,最多就下降一到两个数量级就稳定了,所以通过以上测试不是什么太大的问题
关于此项测试,英文一般称之为Temperature Cycling(Thermal Cycling),简称为TC测试。而在实际的测试中有两种情况,一种称之为温度(冷热)循环,而另一种称之为冷热(高低温)冲击。这两种其实对测试样品要求的严格程度是相差比较大的,如果设置的高温和低温完全一样,循环的次数也一样,那么能通过冷热冲击的样品一定能通过冷热循环,反之却就未必了。两者最大的区别就是升降温速率不同,简单的区分:速率为小于1-5摄氏度/分钟的称之为循环;而速率为大于20-30度/分钟的称之为冲击。关于这个可是花了几万块换来的经验和教训。TC测试除了这个升降温速率比较关键外,还有两个参数也需要关注,一个就是温度循环的区间(高温减去低温的差值),另一个就是在高低温的停留时间。当然这三个条件里面第二个温循区间其实最关键的。 另外对于TC实验影响比较大的两个胶粘剂自身的参数是玻璃转化温度(Tg点)和底填胶固化后的CTE(热膨胀系数)。理论上Tg点越高,CTE越低(Tg前后的CTE值都较低且两者差值较小)通过TC测试的效果会更好。
这里提到的测试或指标其实是在实际应用中客户有提到,但并不与胶水的核心作用直接相关的,而是基于客户的使用习惯、产线配置等而提出来的,或者说这些要求有时候是有点吹毛求疵的。 1)颜色:这个其实也是一个使用习惯问题,按目前市场的需求以黑色和浅色(淡黄或半透明)为主。而除了这两种颜色外,市面上也有一些透明、深黄色、乳白色、棕色甚至蓝色的底填胶产品,这个就要看客户自己的选择了。 2)气泡和空洞:这个其实是用来评估填充效果的,前面在写填充效果时有提到相关影响因素的。就目前市场面常见粘度的底填胶,胶体内藏气泡的可能性比较小,也只需要通过自然静置的方式也是可以将气泡排出的(当然用脱泡机处理一下当然是有备无患的)。而在客户端测试时产生的一些气泡更多是填充的方式和施胶设备及基材的清洁度导致的。曾经有个客户居然用四边点胶的方式,这样必然会将空气包在芯片底部,填充效果肯定是不行,加之固化时里面包裹的空气膨胀,严重的时候甚至会直接在固化时的胶体上冲出气孔来。真正在切片阶段发现的气泡或空洞才是关注的重点; 3)耐温性:这也是客户经常问到的一个问题,关于胶粘剂的耐温性问题。在SMT组装段,一般点底填胶固化是最后一个需要加热的步骤了。然而在有些厂里面可能会让已经填好胶固化后的主板再过一次回流炉或波峰焊,这个时候对底填胶的耐温性就提出了一些考验,一般底填胶的Tg点不超过100度的,而去承受260度以上的高温(已经快达到返修的,要求的确是很苛刻的。据国内一家手机厂商用二次回流的方法(回流焊260℃,7~8min)来测试底填胶的耐温性,测试结果基本上是全军覆没的。 4)阻抗:这个指标也只是在一个比较较真的客户那里碰到,关于阻抗的定义大家可以去百度百科看看(阻抗),当时的情况是我们提供的一款胶水在液态是有阻抗,而固化后没有,客户提出了质疑,我觉得我们的研发回答得还是比较在理的(产生阻抗的原因主要是该体系底填胶中某些组分在外加电场作用下极化现象引起的,未加热前,体系中某些组分因外加交变电场产生的偶极距较大,因此有一定阻抗,加热后,产生偶极距的组分发生了化学反应,反应后的产物偶极距非常小,因此阻抗很小甚至不能检测出),当时也说服了客户进行下一步的测试。不过迄今为止还没有第二个客户提出过类似的问题。
以上是对底填胶的相关测试和指标做了一个大概的分析,但在实际测试中,能将上面全部测试做完的基本上也是很大的厂商了。而一般的小厂商很多指标其实也只能参照性的做一下。个人觉得设置的测试条件和方法是比较简单实用的,对于首次评估底填胶的公司有一定的借鉴作用的。
根据常规底部填充胶的特性,在产品点胶作业后,需要根据底填胶的感温固化特性,按照一定的温度时间参数进行加热固化。通常,除泡过程需在凝胶化温度以下完成,胶材在凝胶化时,气泡被抽除时无法闭合会形成细长条气泡型态。因此,底部填充后固化过程的温度曲线是多段式的,在固化过程加入压力&真空进程,采用专用除泡系统是最快捷且高效的除泡方式。
以此从理论知识到实际工程应用,20+年丰富案例经验积累让我们可以在解决Post-assembly Underfill 中出现的气泡问题的同时,亦可帮助客户大幅提升UPH、降低生产风险与成本、提高产品良率与可靠性。