半导体底部填充（Underfill）技术：原理、材料、工艺与可靠性

半导体底部填充（Underfill）技术：原理、材料、工艺与可靠性

1. 引言：底部填充在先进封装中的作用

现代半导体封装涉及多个互连层级，以连接集成电路（IC）芯片与最终系统。这些层级从L0（芯片内部互连，如门电路）到L4（系统级连接）不等。其中，第一级（Level 1）封装涉及将一个或多个芯片连接到基板并进行封闭保护，而第二级（Level 2）封装则是将封装后的器件连接到印刷电路板（PCB）。

随着器件复杂性和集成度的提高，球栅阵列（BGA）、倒装芯片（Flip-Chip）等封装技术日益普及。这些技术依赖焊点（焊球或焊凸点）实现电气和机械连接。然而，一个主要挑战来自于硅芯片（低CTE，约2.5 ppm/°C）与有机基板（如FR-4，高CTE，约16 ppm/°C）或陶瓷基板（如氧化铝，约6.9 ppm/°C）之间显著的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）失配。在器件工作经历温度循环时，这种失配会在焊点上引发巨大的热机械应力，最终导致疲劳失效。

底部填充胶（Underfill）正是在这种背景下应运而生。它是一种胶粘剂材料，通常是填充了无机填料的环氧树脂基复合材料。在大多数工艺中，它在焊点形成后被填充到芯片和基板之间的间隙中。其核心功能是机械地耦合芯片与基板，将两者紧密连接在一起，从而显著提高封装组件的可靠性。

2. 底部填充的作用机理与优势

2.1 缓解CTE失配：
当一个带有底部填充的倒装芯片或BGA组件经历温度变化时，填充于间隙中的Underfill材料会固化并牢固粘接芯片与基板。这形成了一个整体的复合结构。虽然Underfill自身也会热胀冷缩，但它在X-Y平面（水平方向）的膨胀受到刚性相对较强的芯片和基板的限制。这种约束使得大部分由CTE失配引起的变形转变为Z轴（垂直方向）的变形以及Underfill内部的应力，而不是集中作用于脆弱焊点的剪切应力。

2.2 “锁”定效应：
固化后的Underfill就像一把“锁”，将芯片和基板牢牢地固定在一起。它将原本集中在单个焊球/焊凸点上的应力，重新分布到整个被Underfill覆盖的界面区域，并传递到更为坚固的基板和芯片结构上。如图1.3所示，热应力作用下的变形得以有效管理。这极大地减小了温度循环过程中焊点所承受的应变，防止了剪切疲劳开裂，延长了器件的工作寿命。

2.3 底部填充的主要功能：
基于以上原理，Underfill提供以下关键优势：

· 增强可靠性：显著提高焊点在热循环和机械冲击下的疲劳寿命。

· 应力重新分布：减轻芯片与基板间CTE失配带来的不利影响，避免焊球破裂。

· 环境保护：密封芯片底部和焊点，防止湿气、离子污染、辐射等有害环境因素的侵入。

· 提高机械强度：增强组件抵抗冲击、振动和物理损伤的能力。

· 辅助散热：Underfill（特别是使用导热填料时）可以作为芯片到基板的一个散热途径。

3. 底部填充材料的组成

Underfill是一种复杂的复合材料体系，通常包含以下组分：

· 树脂体系：通常基于环氧树脂（Epoxy Resin），提供粘接力和结构强度。

· 固化剂（Hardener）：与树脂反应形成坚固的交联网络聚合物。常见类型包括酚醛型、胺型和酸酐型，它们赋予Underfill不同的特性（如玻璃化转变温度Tg、固化速度、韧性等）。

o 酚醛型：Tg较低，对凸点保护性较差，翘曲小。

o 胺型：Tg中等，对Low-K层和凸点保护性中等，翘曲中等。

o 酸酐型：Tg高，对Low-K层保护性好，对凸点保护性好，但翘曲大。

· 填料（Filler）：加入的无机颗粒，用于改性材料性能。主要作用包括：

o 降低Underfill的整体CTE，使其更接近焊料（约18-22 ppm/°C），减小应力。

o 降低固化过程中的收缩率。

o 提高导热性。

o 提高机械强度和模量。

o 吸收固化反应放出的热量。

o 常见填料有二氧化硅（SiO2）、氮化硼（BN）、氧化铝（Al2O3），各自具有不同的特性（见下表，改编自原文表2.3）。

· 促进剂（Accelerator）：控制固化反应的速度。

· 偶联剂（Coupling Agent）：改善无机填料与有机树脂基体之间的界面结合力。

· 增韧剂（Toughening Agent）：提高材料的断裂韧性，抵抗开裂。

· 其他添加剂：流动改性剂、润湿剂、颜料等。

表1：常见Underfill填料的关键特性

填料类型	密度 (g/cc)	导热系数 (W/mK)	CTE (ppm/°C)	模量 (GPa)	泊松比	颗粒形状	平均尺寸 (µm)
二氧化硅 (SiO2)	2.2	1.5	0.5	74	0.19	球状	3
氮化硼 (BN)	2.25	300	<0.5	43	0.25	不规则	1
氧化铝 (Al2O3)	3.98	36	6.6	385	0.21	多边形	0.3

4. 底部填充工艺

目前主要有三种底部填充工艺（如图1-2所示）：

· 毛细作用底部填充（Capillary Underfill, CUF）：这是最传统和广泛使用的方法。

1. 芯片首先通过焊料回流焊接到基板上。

2. 通常对组件进行预热，以降低Underfill粘度，促进流动。

3. 将液态Underfill点胶在芯片的一个或多个边缘。

4. 利用芯片与基板之间形成的微小间隙（通常为30-100µm，毛细现象发生的最小间隙约10µm）产生的毛细管力，驱动Underfill流入并填满整个间隙。常见的点胶路径有单边“一”字型、L型、U型或针对小芯片的点状（见图2-2）。

5. 加热组件使Underfill固化。

o 挑战：流动时间影响生产效率；若流动受阻或点胶不当，可能导致填充不完全或产生空洞。需要洁净的表面以保证良好的润湿和流动。

· 免流动底部填充（No-Flow Underfill, NFU）：

6. 在芯片贴装之前，将Underfill材料点涂在基板的目标区域上。

7. 将芯片贴装到涂有Underfill的基板焊盘上。

8. 将组件送入回流焊炉。高温同时熔化焊料形成连接，并使Underfill材料固化。

o 挑战：对助焊剂的兼容性要求高，Underfill不能干扰焊接，反之亦然。在贴片或固化过程中易产生气穴（空洞）。

· 模塑底部填充（Molded Underfill, MUF）：（与芯片整体塑封同时完成）

9. 芯片先通过回流焊接到基板。

10. 将整个组件放入模具型腔中。

11. 注入一种特殊配方的模塑料（Molding Compound），这种材料在高压下流动，同时完成对芯片顶部/侧面的包封以及底部间隙的填充。

o 挑战：模塑料粘度通常较高，使底部填充变得困难；需要真空辅助和优化的模具设计（如增加排气口）来防止空洞、确保完全填充，尤其对复杂结构或窄间隙。具有高生产效率的潜力。

5. 可靠性挑战与失效模式

尽管Underfill能带来显著好处，但其应用过程十分敏感，不当的工艺可能导致缺陷和失效：

· 空洞（Voids）：在Underfill流动或固化过程中产生的气泡或未填充区域。原因包括胶水流动性差、基板/芯片表面污染或吸潮、固化过程放气、点胶策略不当等。空洞会破坏机械结构的完整性，影响应力分布。

· 填充不完全（Incomplete Fill）：Underfill未能完全填满芯片下方的间隙。

· 胶坝（Fillet）问题：芯片边缘形成的Underfill胶边的形状或尺寸不当。边角裂纹可能在此处萌生。

· 分层（Delamination）：Underfill与芯片钝化层、基板阻焊层或焊盘之间失去附着力。

· 填料沉降（Filler Settling）：较重的填料颗粒在流动或固化过程中沉降，导致材料性能不均匀。

· 开裂（Cracking）：Underfill材料自身发生开裂，或由Underfill引入的应力导致芯片开裂（Die Cracking）或边角开裂（Corner Crack）。

· 焊点断裂（Bump Fracture）：尽管Underfill能极大缓解，但在极端条件下或存在缺陷时仍可能发生。

· 助焊剂残留（Flux Residue）：未清理干净的助焊剂可能影响Underfill性能。

6. 助焊剂兼容性

在需要使用助焊剂进行焊接的工艺中（特别是CUF和MUF，焊接在填充之前），残留在基板或芯片表面的助焊剂可能对后续的Underfill产生干扰。助焊剂的成分（如松香树脂、有机酸活化剂、溶剂等）可能与Underfill的组分（环氧树脂、固化剂、引发剂等）发生化学反应，导致：

· 抑制或延缓Underfill的固化反应。

· 造成固化不完全，使得Underfill强度不足或发粘。

· 降低Underfill在界面处的附着力。

因此，选择与所用助焊剂兼容的Underfill材料至关重要（或者在CUF工艺中，确保回流焊后、点胶前进行彻底清洗）。兼容性可以通过以下方法判断：

· 切片分析：对固化后的样品进行切片观察，检查界面处是否存在异常。

· 混合测试：将Underfill胶水与焊锡膏（含助焊剂）混合，按照Underfill的固化条件进行固化，然后检查是否完全固化，有无气泡或未固化区域。若混合后能正常固化，则表明兼容性较好。

7. 结论

半导体底部填充（Underfill）是实现高密度封装（如倒装芯片和BGA）高可靠性的关键技术。通过机械耦合芯片与基板，它有效缓解了CTE失配带来的破坏性影响，将应力从脆弱的焊点重新分布，并提供环境保护。深入理解Underfill的作用原理、材料组成、应用工艺（CUF, NFU, MUF）以及潜在的失效模式（包括助焊剂兼容性问题），对于设计和制造稳定可靠的电子器件至关重要。精确的材料选择和严格的工艺控制是充分发挥Underfill技术可靠性优势的根本保障。

审核编辑 黄宇