Underfill 底部填充胶空洞的原因、检测及分析

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业重要的组成部分。起初，改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，底部填充技术得到了大规模的应用，并且将有机底部填充材料的使用作为工业标准确定下来。

一、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组织焊锡点本身（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。

二、空洞问题

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，将有助于解决类似空洞问题。

1、空洞的特性

空洞的出现与其产生的原因有密切联系，需要关注以下几点：

①形状：空洞是圆形还是其他形状

②尺寸：通常描述成空洞在芯片平面的覆盖面积

③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？

④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联系？

2、空洞的常用检测方法

主要有以下三种：

①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的流动和空洞的行成与实际的器件相比，可能有细微的偏差。

②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。

③将芯片剥离的破坏性试验

采用截面锯断，将芯片或封装从底部填充胶上剥离的方法，有助于更好地了解空洞的三位形状和位置，缺点在于它不适用于还未固化的器件。

3、空洞类型及产生的原因

①流动型空洞

大多数情况下都是在底部填充胶流经芯片和封装下方时产生，两种或更多种类型的流动波阵面交会时包裹的气泡行成了流动型空洞。

流动型空洞产生的原因

A.与底部填充胶施胶图案有关，有一块BGA板或芯片的多个侧面进行施胶可以提高底部填充胶流动的速度，但也增大了产生空洞的几率。

B.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征和流动速度。因此在测试时应注意考虑温度差的影响。

C.胶体材料流向板上其他元件时，会造成下底部填充胶材料缺失，这也会造成流动型空洞。

流行型空洞的检测方法

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最佳方法。

流动型空洞的消除方法

通常，往往采用过个施胶通道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。采用喷射的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，同事有助于对底部填充胶流动进行控制和定位。

②水气空洞

存在于基板中的水气在底部填充胶固化时释放，从而固化过程中产生空洞。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。一单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。

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