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1、作者：杨根林 东莞市安达自动化设备有限公司BGA及类似器件的底部填充和点胶封装工艺摘要 当前，高可靠性要求的航空航天航海、动车、汽车、室外LED照明、太阳能及军工企业的电子产品，电路板上的焊球阵列器件（BGA/CSP/WLP/POP）及特殊器件，都面临着微小型化的趋势（见图1），而板厚1.0mm以下的薄PCB或柔性高密度组装基板，器件与基板间的焊接点在机械和热应力下作用下变得很脆弱，为提高PCBA及产品的可靠性，于是底部填充和点胶封装技术应用变得日益普遍，见图2。底部填充和点胶封装工艺有多种，本文所指为毛细效应底部填充（Capillary Under-fill），把填充胶分配涂敷到组装好的器件
2、边缘，利用液体的“毛细效应”使胶水渗透填充满芯片底部，而后加热使填充胶与芯片基材、焊点和PCB基板三者为一体。通过底部填充和点胶封装工艺，不仅可减少BGA及类似器件因热膨胀系数(CTE)失配可能引发的焊点失效，还能为产品的跌落、扭曲、振动、湿气等提供很好的保护。在相关绝缘胶的作用下，器件在遭受应力后将被分散释放，从而增加焊点的抗疲劳能力、机械连接强度，达到提高产品可靠性的目的。 图1 焊球阵列器件封装小型化趋势 图2底部填充需求的常规定义 为让BGA及类似器件有效填充和点胶封装，作业前须选择性能较好的胶水、恰当的点胶路径和点胶针头（Needle）或喷嘴（Nozzle），并正确地设置点胶参数以控
3、制稳定相宜的胶水流量。点胶后，须作首件检验确认点胶和填充效果，烘烤条件需符合胶水特性及产品特点，以确保胶水完全固化。固化后，须做外观检查和测试，确保填充效果有效可靠。点胶和填充时须避免汽泡，固化后需避免产生空洞，形成满意的边缘角或达到特定的填充效果，降低现场失效提高产品长期可靠性。在选择胶水时，须选用可返修的，并注意返修方法。关键词焊球阵列器件（BGA/CSP/WLP/POP），可靠性（Reliability），自动点胶机（Automatic Dispenser），底部填充（Under-fill），环氧树脂（Epoxy resin），高密度互连（HDI），点胶/喷胶，汽泡/空洞，声波微成像技术
4、，可返修性（Rework-able）一、 BGA及类似器件的点胶工艺及底部填充的作用电子产品的点胶工艺多种多样，比如摄像镜头的密封固定（Lens Locking），光学镀膜防反射和红外线滤光片粘接（AR/IR Filter Attach），玻璃防护盖(Glass Lid)密封固定，镜头框架（Lens Holder）与基座或PCB基板粘接，影像芯片COB裸晶邦定（Die Attach）， 以及CCD/CMOS表面封装器件或其它组件的底部填充，见图3。相机模块的核心器件CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semicon
5、ductor)和其它有源器件，它们主要采用CSP、WLP或FC超小型封装方式。 图3 相机模组主要的胶粘工艺 图4底部填充和非底部填充的跌落试验效果PCB基板复杂多样，比如厚度1.0mm以下的PCB、Rigid-Flex PC、FPC、Ceramic PC、Metal PC等，这些基板在SMT制程中不仅要克服PCB翘曲变形或易碎的问题，在测试组装中更要保护焊点免受外力破坏。而BGA及类似器件的微形焊点对应力非常敏感，为解决其可靠性隐患点胶和底部填充成了必不可少的重要工艺。有研究资料表明，产品经过底部填充和不进行底部填充的跌落试验，两者焊点遭受到的应力迥然不同，经过底部填充的器件焊点感测到的应力
6、轻微许多，反之应力震荡变化或骤然增大，其效果差异见图4。BGA及类似器件成为影响产品可靠性的关键因素，由于这些器件硅质基材热膨胀系数比一般性的PCB材质要低许多（资料显示硅质为2.6ppm/，常用的PCB材质为10-26 ppm/或更高），在受热时两者会产生相对位移，导致焊点机械疲劳从而引起断裂失效，见图5A。对于这些器件，采用底部填充可以有效地增强器件与基板间的机械连接，降低其现场失效问题。总之，点胶和底部填充不仅有助于降低材料之间CTE不匹配的热应力破坏，减少基板的翘曲变形、跌落撞击、挤压和振动等机械应力造成焊点破裂失效的风险，见图5B&5C&5D。电子产品在恶劣环境下工作的稳定性及可靠性
7、，通过对BGA及类似器件实施点胶和底部填充是非常有效的。5A CTE失配应力5B 产品撞击 5C 器件受挤压5D底部填充对PCB翘曲的保护作用二、胶水的基本特性介绍与选用要求在BGA器件与PCB基板间形成高质量的填充和灌封，材料的品质与性能至为重要。日前用于BGA/CSP等器件的底部填充胶，是以单组份环氧树脂为主体的液态热固胶粘剂；有时在树脂中添加增韧改性剂，是为了改良环氧树脂柔韧性不足的弱点。底部填充胶的热膨胀系数（CTE）玻璃转化温度（Tg）以及模量系数（Modulus）等特性参数，需要与PCB基材、器件的芯片和焊料合金等相匹配。通常胶水的Tg点对CTE影响巨大，温度低于Tg点时CTE较小
8、，反之CTE剧烈增加。模量系数的本义是指物质的应力与应变之比，胶水模量是胶水固化性能的重要参数，通常模量较高代表胶水粘接强度与硬度较好，但同时胶水固化时残留的应力会较大。PCBA的胶材须安全无腐蚀，符合欧盟RoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令（关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质）的要求，对多溴二苯醚（PBDE）和多溴联苯（PBB）在材料中的含量严格限制，对于含量超标的电子产品禁止进入市场。同时，还需符合国际电子电气材料无卤（halogen-free）要求，如同无铅锡膏并非锡膏中不含铅而是含量限制一样，所谓无卤也并非物料中不含被管制的卤素，
9、而是指氯或溴单项含量在900ppm以下，总卤素含量控制在1500ppm以下，即（Cl900ppm,Br900ppm,Cr+Br1500ppm）。良好的底部填充胶，需具有较长的储存期，解冻后较长的使用寿命。一般来说，BGA/CSP填充胶的有效期不低于六个月（储存条件：-20C5），在室温下（25）的有效使用寿命需不低于48小时。有效使用期是指，胶水从冷冻条件下取出后在一定的点胶速度下可保证点胶量的连续性及一致性的稳定时间，期间胶水的粘度增大不能超过10%。微小形球径的WLP和FC器件，胶材的有效使用期相比于大间距的BGA/CSP器件通常要短一些，因胶水的粘度需控制在1000mpa.s以下，以利于
10、填充的效率。使用期短的胶水须采用容量较小的针筒包装，反之可采用容量较大的桶装；使用寿命越短包装应该稍小，比如用于倒装芯片的胶水容量不要超过50ml，以便在短时间内用完。大规模生产中，使用期长的胶水可能会用到1000ml的大容量桶装，为此需要分装成小容量针筒以便点胶作业，在分装或更换针筒要避免空气混入。此外，使用期短的胶水易硬化堵塞针头，每次生产完需尽快清洗针管和其它沾胶部件。BGA及类似器件的填充胶，胶水的粘度和比重须符合产品特点；传统的填充胶由于加入了较大比率的硅材使得胶水的粘度和比重过大，不宜用于细小填充间隙的产品上，否则会影响到生产效率。经验表明，在室温时胶水的粘度低于1000mpa.s
11、而比重在1.11.2范围，对0.4mm间距的BGA及CSP器件的填充效果较好。胶水的填充流动性和固化条件，须与生产工艺流程相匹配，不然可能会成为生产线的瓶颈。影响底部填充时间的参数有多种，一般胶水的粘度和器件越大，填充需要的时间越长；填充间隙增大、器件底部和基板表面平整性好，可以缩短填充时间。为提高生产的效率，需综合考虑有关参数并力求优化，参考它们的关系图表6A；底部填充胶的毛细流动剖视，见图6B。对于粘度较大流动性较差的胶水，为提高填充速率，可以将基板预热至60-90左右。表面张力和温差是底部填充产生毛细流动的二个主要因素，由于热力及表面张力的驱动，填充材料才能自动流至芯片底部。另外，填充材
12、料都会界定最小的填充间隙，在选择时需要考虑产品的最小间隙是否满足要求。 图6A影响填充时间的参数 图6B底部填充的剖视简略图 选择底部填充胶需注意什么呢？填充胶的选择是与产品特点相关的，往往需要在工艺和可靠性间平衡。日前市场上底部填充胶的种类很多，在选择相机模块的填充胶时，重要的是适合产品的特点。依据PCB板质的不同，力求热膨胀系数与其匹配。胶水的粘度和比重要适中，室温下良好的湿润性，利于针头快速出胶和快速填充；低温固化快利于固化效率。较低的（CTE）和较高的（Tg）点，以求良好的热性能；适中的模量系数，使其兼备优良的机械强度和柔韧性。总之，优质的胶水需具有室温快速流动和低温快速固化，与锡膏良
13、好的兼容性，较高的粘着强度和断裂韧度，以及重工性能佳和长期可靠性等特点。比如乐泰（Loctite）的Hysol UF3800是一款新型的底部填充胶水，它具有较高的Tg和较低CTE，25粘度375cp，比重1.13，模量系数3080Mpa，固化条件1308分钟，这些性能参数很适合精密器件细间距BGA/CSP/WLP的填充要求。不过这款胶水储存条件为零下20，生产使用前必需将冷藏的胶水在室温下解冻回温2至6小时，使胶水的温度与室温均衡才能开启使用，回温时间长短取决于不同的包装大小。三、 点胶和底部填充的路径与模式基本要求在设计点胶路径时，不仅要考虑点胶效率和填充流动形态，为了在BGA及类似器件的边
14、缘良好成型，还要认真考虑器件边缘溢胶区域限制。日前的电子产品，由于其高密度组装特点，其溢胶区域通常受到限制。某些特定区域溢胶甚至不能超过器件边沿的0.1mm，较普遍的是小于0.2mm，见图7A和7B；同时限制区域外的胶痕厚度不能高过PCB表面20um。由此可见，对于手持式产品的高密度组装，底部填充采用何种施胶路径模式是很有讲究的，而烘烤前后的精确检验也同等重要，见图7C。7A某影像CSP溢胶限制尺寸 7B某WLCSP溢胶限制尺寸 7C 显微千分尺溢胶检测BGA及类似器件的点胶和底部填充作业，其简略步骤是：涂胶前，清洁器件底部与周边，清洗或受潮的PCB需烘烤；涂胶，需依据器件大小和填充要求调试出
15、胶量，按选定的路径点胶；毛细填充：按设定的路径点胶使其快速填充，要求在点胶的对边有胶溢出，四边的涂胶最低限度覆盖住器件焊球；烘烤后的检验，需确保胶量完全填充器件和基板的间隙并完全固化，见图8。胶量的控制对于形成良好的边缘圆角非常关键，单个元器件胶水用量计算，可以依据芯片的面积、填充间隙高度、焊球的体积与数量，以及形成合格的边缘圆角，计算出器件所需理论胶量。不过，多半情况还需以实际的填充效果，通过精密计量天平来确定胶水的用量，时下许多自动点胶机都有此功能。 图8 Under-fill工艺的简要流程 图9点胶针头的合理位置 图10 常见的点胶模式点胶路径是针头画胶的路线，通常由点胶设备或手工操作者
16、来控制。理想的点胶路径需要点胶效率和填充效果之间权衡，目标是花费较短的流动及点胶时间，得到没有空洞的完好的填充效果。作业上控制好胶水流量的稳定，使点胶具有较高精确性和可重复性，才能形成满意的边缘圆角和填充效果。采用合适的施胶模式，使针头沿边缘均匀移动；确保良好的填充效率和品质。在选择点胶模式时，需依据所填充器件的面积大小和间隙高度合理选择。采用针头点胶还需注意，针头与器件边缘，针头与基板的距离要合理，可参考图9所示。溢胶被严格限制的器件，为了避免溢胶不良，可能需要多条填充路径涂敷，不同情况下采用不同的施胶模式。BGA及类似器件常用的点胶模式有四种，单边角点胶、单边“I” 形点胶、半“L”形和全“L”形点胶，见图
