文章轉自:嘉峪檢測網
底部填充膠（Underfill）對SMT（電子電路表面組裝技術）元件（如：BGA、CSP芯片等）裝配的長期可靠性是必須的。選擇合適的底部填充膠對芯片的跌落和熱沖擊的可靠性都起到了很大的保護作用。在芯片錫球陣列中，底部填充膠能有效的阻止焊錫點本身（即結構內的最薄弱點）因為應力而發生應力失效。此外，底部填充膠的第二個作用是防止潮濕和其他形式的污染。
流動性或者說填充速度往往是客戶非常關注的一個指標，尤其是作為實際使用的SMT廠家，而實際對于可靠性要求非常高的一些行業。 測試方法：最簡單的方法當然是直接在芯片上點膠進行測試，而且評估不同膠水的流動性時最好是同時進行平行測試（樣板數要5-10個以上）。在研發段對流動性的測試就是用兩塊玻璃片間膠水的流動速度來判斷研發方向的。影響流動性的因素有很多，在平行的測試條件下，下面有些可以檢討的因素： 1）粘度：毋庸置疑粘度肯定是影響流動速度最關鍵的因素之一，目前像粘度在幾百cps的膠水基本上都是可以不需要預熱點膠的，填充速度基本上都是一兩分鐘以內的；而像粘度稍大一些的達到幾千cps的膠差別就比較大了（從幾分鐘到十幾分鐘不等）； 2）預熱溫度：這也是一個非常關鍵的影響因素，尤其是對一些粘度在一千以上的膠水，一般在預熱（預熱溫度就需要結合產品的特性，一般可以膠水的粘溫曲線做參考）的情況下，粘度為幾千的膠水能降到幾百，流動性會顯著增大，但要注意預熱溫度過高過低都可能會導致流動性變差； 3）基板的差別（芯片的尺寸及錫球的分布、錫球球徑及數量、錫球間距、助焊劑殘留、干燥程度等），這個對填充速度也是有一定影響的，在某些情況下影響也是非常明顯的。 1）施膠量（點膠方式）； 2）基板角度（有些廠家會將點膠后的基板傾斜一定角度加快流動性）； 3）環境溫度（不預熱的情況下）
這個指標其實在研發端用DSC曲線就很容易判斷出來，當然由于DSC在測試時膠量是以mg來測試，所以一般建議給客戶的固化溫度是在DSC的理論時間上乘以4倍的。 然而在客戶端如果判斷，其實簡單的方法就是按膠商TDS上建議的固化溫度和時間。另外有些客戶經常會問如果不完全按TDS建議會如何，簡單的推斷的方法同等溫度下時間加長或者同等時間下溫度升高，理論上都是會完全固化的，但反向推斷的話最好找供應商確認下。因為每種膠特性不一樣，低于某個溫度時間即使加幾倍時間也未必能固化，同理也不是溫度越高時間就會越短，就目前接觸到的底填膠水的固化溫度沒有建議高過150度的（SONY曾經有款手機，使用SUNSTAR的膠水，在150度快速固化時后期測試時會有些缺陷，同樣改用130度加長時間固化后就沒有這個問題了）。太高溫固化和太快速固化對膠水的后期一些性能還是有著蠻大的影響的。 另外對于固化程度的判斷，這個做為使用者的客戶可能不大好判斷，因為目測的完全固化時間和理論上的完全固化還是有差別的，客戶一般容易從固化后的硬度，顏色等判斷，但這個些指標可能在膠水只固化了80%以上時已經沒法分辨出來了，如果能增加一些粘接力等測試輔助可能會更準確些，當然更精確的方法還是要用會DSC等一些熱力學測試的設備和方法了。而在實際應用中，膠水達到90%或95%以上的固化已經算是完全固化了，具體要達到百分之九十幾這個就要看后期可靠性的要求了。 未完全固化的膠水是很難真正全面發揮應有作用的，尤其是后期測試要求很嚴格的時候。所以建議客戶最好使用相對保險的固化條件，如果設置在臨界值的話，固化溫度或固化時間少有偏差就可能導致固化不完全。
這個指標其實也是客戶比較關注的，但是對填充效果的判斷需要進行切片實驗，這個在研發端其實很難模擬的，而在客戶這邊一般也只有相對比較大型的客戶才有這樣的測試手段和方法，當然也可以送賽寶或者CTI華測等公司進行檢測。 測試方法和設備（以賽寶為例）： 檢測項目：金相切片分析； 檢測方法：IPC-TM-650 2.1.1 Microsectioning, Manual Method； 檢測儀器：立體顯微鏡 金相研磨機 金相顯微鏡 幾點說明如下： 1） 這個方法其實并不是針對底填膠的設立的，在電子行業原本是用于PCB信賴性實驗，當然“微切片(Microsection)技術范圍很廣，PCB(Printed Circuit Board)只是其中之一。對多層板品質監控與工程改善，倒是一種花費不多卻收獲頗大的傳統工藝。 2） 另外作為填膠后BGA的切片有橫切和縱切之分，而橫切也分為從BGA芯片部分打磨還從PCB板部分打磨兩種方法。一般而言是用橫切的結果來判斷填充的整體效果，而用縱切的方法來判斷膠水與錫球的填充性（助焊劑兼容性）； 3） 前面提到，打磨（微切片）這個過程是比較復雜的，因為打磨過程可能造成對樣品或膠層的意外破壞，這樣就給后期判斷增加了難度，所以當出現一個特別異常的切片結果的時候我們也需要從實驗過程中找一些原因； 4） 對于最終的填充效果，這個沒有絕對的標準，一般都是需要進行平行對并且還要結合后期的一些測試的。 而在客戶現場對填充效果的簡單判斷，當然就是目測點膠時BGA點膠邊的對邊都要有膠水，固化后也是需要四條邊的膠要完全固化，且沒有任何肉眼可見的氣泡或空洞。 理想的狀態是四邊的膠都均勻爬到芯片邊緣的一半處（芯片上不得有膠），這個其實和點膠工藝比較相關。另外整體的填充效果和前面講到的填充速度其實一有一定關系的，尤其是前面談到的流動性的主要因素3，當然和膠水也有較大的關系。從目前我接觸到的各大廠家的測試報告中，沒有哪家是可以百分百完全填充的，這里面另一個重要的影響的因素就是錫膏和助焊劑與膠水的兼容性，極端的情況下可能會導致膠水不固化而達不到真正的保護作用。
底填膠的描述中的核心作用：“能有效降低由于硅芯片與基板之間的總體溫度膨脹特性不匹配或外力造成的沖擊”。其中一個是外力的影響，另一個是溫度（熱沖擊）的影響。下面的幾個測試要求就是與這個相關的。
跌落試驗是能比較明顯顯現處使用底填膠和未使用底填膠之間的差別的，據之前漢高公司發布的一些資料來看，正確的使用了底填膠水后，耐跌落的次數會比之前成倍的提高。但是跌落試驗其實影響的因素也很多，另外與實驗的方法和標準也有很大的關系，就之前接觸到的一些方法和大家分享： 1） 跌落樣品的制備：這里一般有幾種情況，第一種是制作一批實驗板（板上就只有BGA元件），第二種是直接將手機的主板作為測試樣品（這里也分已焊接其余元件和未焊接其余元件），第三種就是直接將產品成品（手機、相機等）作為測試。這個取決于每家公司自己設置的標準。往往第一種在某些測試條件下可以達到幾千次的跌落，而后面兩種一般設置的標準都不超過三位數，因為后面兩種情況跌落了若干次以后，主板本身或者外殼等早已跌壞了。 2） 跌落方法的設置，一般在以上第一種樣品的情況下都會做負重跌落，及在樣品上有額外加上一定的重量，整機跌落一般不加負重，主板跌落的話就要看測試方的要求了。而作為承跌的地面也有分不同，有些是橡膠地面、有些是普通的水泥或瓷磚地面、更有甚者是金屬地面。而跌落高度一般是1-1.5米不等。跌落方式以拋物線方式或垂直跌落等方式為主。 3） 跌落的標準，這個就看每家公司自己的要求了。有一種標準是不限次數跌落，跌壞為止；一種是設定特定的跌落次數，能達到及視為通過跌落測試。就之前參與HW公司的評估，他們的標準就是2000次以上合格，3000次以上優秀，超過3000次就不再往下測試了。而之前和韓國元化學溝通得知的三星一般也是以1000次以上作為衡量標準的，但具體測試方法就不得而知了。 關于跌落額外說幾句，如果測試方法不科學的話有時可能沒法辨識使用底填膠的效果，(我記得當時有家公司，打膠不打膠最后測試出來的跌落次數是一樣的，甚至打了膠跌落次數還少一些，所有有些廠商甚至一段時間還放棄了使用底填膠。) 另外還有一個與跌落測試類似的測試，據元化學的介紹，他們后期推出替代WE-1007的型號WE-3008就是由于這個要求而改善的，前者好像只能達到幾千次，而后者可以達到上萬次。這個結論在HW公司的UNDERFILL評測中也得到了驗證（雖然當時這項并不是他們的測評的標準）。其實從硬度就能明顯看出差別了。前者的硬度約為邵D 級別，而后者卻只有邵A的級別。不過由于主板的輕薄化，對膠的韌性提出要求應該也是趨勢之一。
這項指標如果簡單的測一次的話是比較容易的，而且一般就環氧體系而言這個值一般都是符合電氣方面的要求的，客戶比較比較關注的是經過老化后的此參數的維持情況，因為有些材料經過恒溫恒濕或相關老化后此參數會發生比較大的變化，導致不符合電氣方面的要求。我手上有一份賽寶針對底填膠SIR的相關測試，摘錄相關方法如下： 檢測項目：表面絕緣電阻 技術要求：參考IPC J-STD-004B Requirements for Soldering Fluxes（大于10^8歐姆以上） 檢測方法：參考IPC-TM-650 2.6.3.7 Surface Insulation Resistance（雙85下168小時） 檢測儀器: 高低溫交變潮熱試驗箱；SIR在線測試系統；立體顯微鏡；高溫箱 幾點說明如下： 1） IPC J-STD-004B這個技術要求其實是針對阻焊劑的，因為底填膠這個產品并沒有自身的相關標準，很多都是參考IPC里面關于其它材料的標準建立的，如之前的金相切片實驗也是如此； 2）對于環氧體系的膠水（非為導電設計）而言，一般情況下其表面絕緣一般都是在10的12～16次方以上，即使經過了相關環境試驗的考驗，最多就下降一到兩個數量級就穩定了，所以通過以上測試不是什么太大的問題
關于此項測試，英文一般稱之為Temperature Cycling(Thermal Cycling)，簡稱為TC測試。而在實際的測試中有兩種情況，一種稱之為溫度（冷熱）循環，而另一種稱之為冷熱（高低溫）沖擊。這兩種其實對測試樣品要求的嚴格程度是相差比較大的，如果設置的高溫和低溫完全一樣，循環的次數也一樣，那么能通過冷熱沖擊的樣品一定能通過冷熱循環，反之卻就未必了。兩者最大的區別就是升降溫速率不同，簡單的區分：速率為小于1-5攝氏度/分鐘的稱之為循環；而速率為大于20-30度/分鐘的稱之為沖擊。關于這個可是花了幾萬塊換來的經驗和教訓。TC測試除了這個升降溫速率比較關鍵外，還有兩個參數也需要關注，一個就是溫度循環的區間（高溫減去低溫的差值），另一個就是在高低溫的停留時間。當然這三個條件里面第二個溫循區間其實最關鍵的。 另外對于TC實驗影響比較大的兩個膠粘劑自身的參數是玻璃轉化溫度（Tg點）和底填膠固化后的CTE（熱膨脹系數）。理論上Tg點越高，CTE越低（Tg前后的CTE值都較低且兩者差值較小）通過TC測試的效果會更好。
這里提到的測試或指標其實是在實際應用中客戶有提到，但并不與膠水的核心作用直接相關的，而是基于客戶的使用習慣、產線配置等而提出來的，或者說這些要求有時候是有點吹毛求疵的。 1）顏色：這個其實也是一個使用習慣問題，按目前市場的需求以黑色和淺色（淡黃或半透明）為主。而除了這兩種顏色外，市面上也有一些透明、深黃色、乳白色、棕色甚至藍色的底填膠產品，這個就要看客戶自己的選擇了。 2）氣泡和空洞：這個其實是用來評估填充效果的，前面在寫填充效果時有提到相關影響因素的。就目前市場面常見粘度的底填膠，膠體內藏氣泡的可能性比較小，也只需要通過自然靜置的方式也是可以將氣泡排出的（當然用脫泡機處理一下當然是有備無患的）。而在客戶端測試時產生的一些氣泡更多是填充的方式和施膠設備及基材的清潔度導致的。曾經有個客戶居然用四邊點膠的方式，這樣必然會將空氣包在芯片底部，填充效果肯定是不行，加之固化時里面包裹的空氣膨脹，嚴重的時候甚至會直接在固化時的膠體上沖出氣孔來。真正在切片階段發現的氣泡或空洞才是關注的重點； 3）耐溫性：這也是客戶經常問到的一個問題，關于膠粘劑的耐溫性問題。在SMT組裝段，一般點底填膠固化是最后一個需要加熱的步驟了。然而在有些廠里面可能會讓已經填好膠固化后的主板再過一次回流爐或波峰焊，這個時候對底填膠的耐溫性就提出了一些考驗，一般底填膠的Tg點不超過100度的，而去承受260度以上的高溫（已經快達到返修的，要求的確是很苛刻的。據國內一家手機廠商用二次回流的方法（回流焊260℃，7~8min）來測試底填膠的耐溫性，測試結果基本上是全軍覆沒的。 4）阻抗：這個指標也只是在一個比較較真的客戶那里碰到，關于阻抗的定義大家可以去百度百科看看（阻抗），當時的情況是我們提供的一款膠水在液態是有阻抗，而固化后沒有，客戶提出了質疑，我覺得我們的研發回答得還是比較在理的（產生阻抗的原因主要是該體系底填膠中某些組分在外加電場作用下極化現象引起的，未加熱前，體系中某些組分因外加交變電場產生的偶極距較大，因此有一定阻抗，加熱后，產生偶極距的組分發生了化學反應，反應后的產物偶極距非常小，因此阻抗很小甚至不能檢測出），當時也說服了客戶進行下一步的測試。不過迄今為止還沒有第二個客戶提出過類似的問題。
以上是對底填膠的相關測試和指標做了一個大概的分析，但在實際測試中，能將上面全部測試做完的基本上也是很大的廠商了。而一般的小廠商很多指標其實也只能參照性的做一下。個人覺得設置的測試條件和方法是比較簡單實用的，對于首次評估底填膠的公司有一定的借鑒作用的。
根據常規底部填充膠的特性，在產品點膠作業后，需要根據底填膠的感溫固化特性，按照一定的溫度時間參數進行加熱固化。通常，除泡過程需在凝膠化溫度以下完成，膠材在凝膠化時，氣泡被抽除時無法閉合會形成細長條氣泡型態。因此，底部填充后固化過程的溫度曲線是多段式的，在固化過程加入壓力&真空進程，采用專用除泡系統是最快捷且高效的除泡方式。
以此從理論知識到實際工程應用，20+年豐富案例經驗積累讓我們可以在解決Post-assembly Underfill 中出現的氣泡問題的同時，亦可幫助客戶大幅提升UPH、降低生產風險與成本、提高產品良率與可靠性。
