底部填充技術

底部填充技術上世紀七十年代發源於IBM公司，目前已經成為電子製造產業重要的組成部分。起初該技術的套用範圍只限於陶瓷基板，直到工業界從陶瓷基板過渡到有機（疊層）基板，底部填充技術才得到大規模套用，並且將有機底部填充材料的使用作為工業標準確定下來。

基本介紹

• 中文名：底部填充技術
• 外文名：UNDERFILL
• 發源於I：IBM公司
• 特點：電子製造產業重要

簡介

底部填充技術(UNDERFILL)

底部填充技術上世紀七十年代發源於IBM公司，目前已經成為電子製造產業重要的組成部分。起初該技術的套用範圍只限於陶瓷基板，直到工業界從陶瓷基板過渡到有機（疊層）基板，底部填充技術才得到大規模套用，並且將有機底部填充材料的使用作為工業標準確定下來。

詳細介紹

圖1.

毛細管底部填充從器件 邊緣注入。

目前使用的底部填充系統可分為三類：毛細管底部填充、助焊（非流動）型底部填充和四角或角-點底部填充系統。每類底部填充系統都有其優勢和局限，但目前使用最為廣泛的是毛細管底部填充材料。 毛細管底部填充的套用範圍包括板上倒裝晶片（FCOB）和封裝內倒裝晶片（FCiP）。通過採用底部填充可以分散晶片表面承受的應力進而提高了整個產品的可靠性。在傳統倒裝晶片和晶片尺寸封裝（CSP）中使用毛細管底部填充的工藝類似。首先將晶片貼上到基板上已沉積焊膏的位置，之後進行再流，這樣就形成了合金互連。在晶片完成倒裝之後，採用分散技術將底部填充材料注入到CSP的一條或兩條邊（圖1所示）。材料在封裝下面流動並填充CSP和組裝電路板之間的空隙。 儘管採用毛細管底部填充可以極大地提高可靠性，但完成這一工藝過程需要底部填充材料的注入設備、足夠的廠房空間安裝設備以及可以完成精確操作的工人。由於這些投資要求以及縮短生產時間的壓力，後來開發出了助焊（非流動）型底部填充技術。

圖2.

非流動型底部填充工藝流程

非流動型底部填充工藝流程 及優點。

相對於其他底部填充系統來說，非流動型底部填充的最大優點在於對工藝的改進，在材料性能方面並沒有明顯差異。為了讓底部填充的填充過程與傳統的表面組裝工藝更好的兼容，非流動型底部填充不能使用控溫精確度很高的固化爐。通過將助焊性能集成到底部填充材料中，CSP的粘片和材料固化工藝合二為一。在組裝過程中，在元件放置之前先將非流動型底部填充材料塗覆到粘片位置上。當線路板進行再流時，底部填充材料可以作為助焊劑，協助獲得合金互連，並且本身在再流爐中同步完成固化。所以可以在傳統的表面組裝工藝線上完成底部填充（圖2）。 從設備和人員投入的角度來講，非流動型底部填充系統節約了成本和時間，但自身也受到一些限制。與毛細管底部填充不同，非流動型底部填充材料中必須含有填充物。在底部填充材料中的填充材料可能正好位於焊料球和電路板焊盤之間。從設計上考慮，為了改善再流過程中焊料鍵合，要求該系統內不能含有微粒。如果沒有微粒，底部填充材料的熱膨脹係數（CTE）比較高，經過溫度循環後其性能就不如毛細管底部填充穩定。另外，如果採用傳統的再流工藝，而不進行精確溫度控制也會降低再流工藝的成品率。此外電路板上吸附的濕氣再流時也會被釋放出來形成孔洞。但新的改進工藝已經克服了上述缺點。

圖3.

預成型底部填充套用的工

預成型底部填充套用的工 藝流程。

對於帶 中間插入層或邊角陣列的CSP來說，採用毛細管底部填充或非流動型底部填充系統都不如角-點底部填充方法更合適。這種方法首先將底部填充材料塗覆到CSP對應的焊盤位置（圖3）。與非流動型底部填充不同，角-點技術與現有的組裝設備和常規的焊料再流條件兼容。由於這類底部填充是可以返修的，製造商們也避免了因為一個器件缺陷就廢棄整個電路板的風險。 技術的轉換需要提高可靠性 由於器件及其引腳節距變得更小、功能要求更多，並且需要產品工藝實現無鉛化，因此在下一代電子產品中，底部填充技術的套用變得越來越重要。 底部填充可以提高CSP中無鉛焊料連線的可靠性，與傳統的錫-鉛焊料相比，無鉛互連更容易產生CTE失配造成的失效。由於無鉛工藝的再流溫度較高，封裝基板的翹曲變得更為強烈，而無鉛焊料本身延展性又較低，因此該種互連的失效率較高。向無鉛製造轉換的趨勢和無鉛焊料本身的脆性等綜合作用，使得在器件中使用底部填充技術已經成為成本最低，選擇最為靈活的解決方案。 隨著產業鏈向引腳節距0.3mm的CSP、節距小於180祄的倒裝晶片封裝以及更小尺寸發展，採用底部填充材料幾乎是唯一可以保證全線成品率的方法。 即將出現的可能 除了滿足不斷變化的機械要求，保證高可靠性之外，電子產品製造商還必須讓產品的成本更具競爭力。面對這樣的挑戰，尚處於研發階段的新底部填充技術，儘管仍處於一個產品的嬰兒期，已經顯示出很好的前景。 非流動型底部填充的優勢在於工藝效率較高，並且減少了設備和人員成本。但在使用底部填充材料時遇到的技術難題使這些優勢都變得不重要了。不過目前市場上出現了含有50%填充成分的非流動型底部填充材料。採用了該比例填充料之後，在保持非流動型底部填充工藝流程的同時，改善了產品的溫度循環性能。 另一個備受關注的創新是預成型底部填充技術，該項技術有望在後道封裝中完全消除底部填充工藝，而在CSP進行板級組裝之前塗覆底部填充材料，或者在晶圓級工藝中塗覆底部填充材料。預成型底部填充在概念上很好，但要實施到當前的產品中，在工藝流程上還有一些挑戰需要面對。 在晶圓級底部填充材料的塗覆中，可以在凸點工藝之前或之後塗覆預成型底部填充材料，但兩種方法都需要非常精確的控制（圖4）。如果在凸點工藝之前塗覆，必須考慮工藝兼容問題。與之相反，如果在凸點工藝之後塗覆，則要求預成型底部填充材料不會覆蓋或者損壞已完成的凸點。此外還需考慮到晶圓分割過程中底部填充材料的完整性以及一段時間之後產品的穩定性，這些在正式使用底部填充材料到產品之前都需要加以衡量。儘管某些材料供應商對預成型底部填充材料的研發非常超前，但將這一產品投入大規模套用還有更多的工作要完成。

圖4.

預成型底部填充套用

預成型底部填充套用 的工藝流程。

結論 如果沒有底部填充材料的使用，當今的窄節距器件就無法克服可靠性問題。此外為了降低無鉛焊料連線位置由CTE失配引起的失效率，無鉛製造的工藝流程和溫度要求都要求使用底部填充材料。 新工藝流程的要求、器件功能的不斷增多和封裝尺寸的減小，這些要素都要求越來越多地使用牢固的底部填充系統。儘管目前已有很多種不同類別的底部填充技術，為了滿足電子產品多功能、低成本的要求，還需要開發出下一代低成本、工藝流程簡單的底部填充技術。