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底部填充胶(underfill)中空洞的去除方法

底部填充胶(underfill)中空洞的去除方法

在许多底部填充胶(underfill)的应用中,包括从柔性基板上的最小芯片到最大的BGA封装,底部填充胶(underfill)中出现空洞和气隙是很普遍的问题。这种在底部填充胶(underfill)部位出现空洞的后果与其封装设计和使用模式相关,典型的空洞会导致可靠性的下降,本文将探讨减少空洞问题的多种策略。

空洞检测

如果已经确定了空洞产生的位置,你可能就已经有了检测空洞的方法,不同的方法对问题的解决都是有用的。其中最常用的三种检测空洞的方法分别是:利用玻璃芯片或基板,超声成像和制作芯片剖面或将芯片剥离的破坏性试验。

采用玻璃芯片或基板会十分有效,这种方法能对测试结果提供即时反馈,并且能有助于理解何种流动类型能使下底部填充胶(underfill)的流动速率达到最优化,而采用不同颜色的底部填充胶(underfill)材料也可帮助实现流动直观化。这种方法的缺点在于玻璃器件上底部填充胶(underfill)的流动和空洞的形成行与实际的器件相比可能有些细微的偏差。

超声声学成像是一种强有力的工具,它可以让使用者在底部填充胶(underfill)无论是否固化的情况下,检测实际产品器件存在于下底部填充胶(underfill)中的空洞。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,所以与设备制造商进行联系来了解仪器能够检测到何种空洞尺寸是十分必要的。这类仪器在检测分层和互连失效的可靠性测试中也非常有用。

破坏性测试采用截面锯断,或将芯片或封装从下底部填充胶(underfill)上剥离的方法,这些方法有助于更好地了解空洞的三维形状和位置,但这种方法最主要的缺点在于它不适用于还未固化的器件。

空洞的起因

空洞产生有一些潜在的根源,通过测试来了解空洞及其产生根源有助于进一步来减少空洞。产生空洞的原因包括:

● 流动型空洞——其中还存在着几种子类型,但所有这些空洞都是在底部填充胶(underfill)流经芯片和封装下方时产生,流动波阵面的前沿可能会包裹气泡而形成空洞。

● 水气空洞——这种类型的空洞是在底部填充胶(underfill)固化时遇上了基板除气排出的水气而产生。这种情况通常发生在有机基板中。

● 流体胶中气泡产生空洞——在材料供应商包装好的流体胶材料中很少出现气泡,因为大部分的供应商都很注重封装材料的无气泡化。然而,对流体胶材料的处理不当或从供应商

处收到流体胶材料后又对它进行重新分装就可能会引入气泡。在有些情况下,供应商提供的

样品或实验性流体材料未经充分除气。而一些自动施胶设备如果没有设定好的话,也会在施胶时在其流动途径上产生气泡。

● 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。

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的形状?

● 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个器件中出现一个空洞,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——空洞出现在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?

测试策略

第一步先确定空洞是产生于固化前还是固化后,这对排除某些产生空洞的原因很有帮助。如果空洞不在施胶后出现,而在固化后出现,那么就可以不将流动型空洞或由流体气泡引起的空洞作为这种空洞的产生根源,这样将有助于寻找其他的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的问题。大部分下底部填充胶(underfill)材料都会在固化过程中产生收缩,从而在互连凸点上产生压应力以提高其可靠性,这种收缩作用使得所有的气体释放源都有可能会产生空洞。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)在流动时会产生空洞,并可能不只具有一种产生源。在某些情况下,沾污可能会产生两种不同类型的空洞:它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。

流动型空洞

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,造成这种情况的一种原因可能与施胶的图案有关。在一块BGA板或芯片的多个侧面进行施胶可以提高底部填充胶(underfill)流动的速度,但是这也增大了产生空洞的几率。采用多种施胶图案,或者采用石英芯片或透明基板进行试验是了解空洞如何产生,并如何来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

温度会影响到底部填充胶(underfill)材料流动的波阵面。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。

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1。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。采用喷射技术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,从而在固化过程产生底部填充胶(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。

要测试空洞是否由水气引起,可将部件在100℃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,并且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类似,一些助焊剂沾污产生的问题也可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。如果部件接触到湿气后,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。

由过量助焊剂残渣引起的沾污常常会造成不规则或随机的胶流动的变化,特别是在互连凸点处。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与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)流动时将会将助焊剂推送到芯片的远端位置。

材料气泡空洞

前文中已经提到,大部分的材料供应商对下封装底部填充胶(underfill)中的气泡问题都非常小心。处理不当、重新分装或施胶技术不当都会引发气泡问题。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。

结论

下底部填充胶(underfill)的空洞是一个恼人的生产问题。了解空洞形成的不同起因的及其特性,以及如何对它们进行测试,将有助于工程师门来解决下底部填充胶(underfill)的空洞问题。

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