汉思新材料：底部填充胶可靠性不足如开裂脱落原因分析及解决方案

底部填充胶（Underfill）在电子封装（尤其是倒装芯片、BGA、CSP等）中起着至关重要的作用，它通过填充芯片与基板之间的间隙，均匀分布应力，显著提高焊点抵抗热循环和机械冲击的能力。然而，如果底部填充胶出现开裂或脱落，会严重威胁器件的可靠性和寿命。

以下是导致这些失效的主要原因分析及相应的解决方案：

一、 开裂/脱落原因分析

1. 材料本身问题：

CTE（热膨胀系数）不匹配： 这是最主要的原因之一。填充胶的CTE与芯片（硅，~2.6 ppm/°C）、基板（FR4，~12-18 ppm/°C；BT，~14-15 ppm/°C）或焊料（无铅焊料，~21-25 ppm/°C）差异过大。在温度循环过程中，不同材料膨胀收缩程度不同，在填充胶内部或界面处产生巨大的剪切应力，超过其强度极限时就会开裂（通常在芯片边缘或角落应力集中处开始）。

模量（弹性模量）过高： 模量过高的填充胶过于刚硬，在应力作用下不易发生微小形变来释放能量，更容易发生脆性断裂。

韧性不足： 材料本身脆性大，抗冲击和抗开裂扩展能力差。

固化不完全/固化收缩过大：

固化不完全： 固化温度/时间不足、配方问题或受污染导致交联密度不够，内聚强度和粘接强度下降。

固化收缩过大： 固化过程中体积收缩过大，在胶体内或界面处产生内应力，成为潜在的裂纹源。

吸水率高/耐湿性差： 吸湿后材料会膨胀（湿膨胀），在后续干燥或温度变化时产生应力。吸湿还会导致材料塑化、模量下降、Tg降低，并可能引发水解反应破坏粘接或材料本身。在回流焊（尤其是无铅高温回流）时，内部水分急剧汽化产生蒸汽压，可能导致“爆米花”式开裂或界面分层。

Tg（玻璃化转变温度）过低： 如果填充胶的Tg低于器件的工作温度或存储温度上限，在高温下材料会变软（模量急剧下降），失去支撑和保护焊点的作用，且更容易发生蠕变，导致应力释放不良或长期可靠性下降。Tg过低也可能使CTE在高温区变得更大，加剧应力。

2. 工艺控制不当：

点胶/填充不良：

填充不饱满/空洞/气泡： 点胶路径设计不合理、胶量不足、流速/压力不当、温度不合适（粘度太高或太低）、助焊剂残留过多阻碍流动等，导致填充区域存在空洞或未完全填充。空洞处是应力集中点，容易成为裂纹的起始点。未填充区域则完全失去保护。

填充高度不足/过量： 高度不足保护不够；过量可能导致胶体爬上芯片侧面过多，在后续封装或温度变化时因应力不同而开裂。

固化工艺不当： 未严格按照胶水供应商推荐的温度曲线和时间进行固化（温度过低、时间过短、升温/降温速率过快）。过快升温可能导致表面快速固化而内部未固化（“表干里不干”），过快降温则会产生热应力。

基板/芯片表面污染：

助焊剂残留： 这是最常见的污染源，残留的松香、活性剂等会严重削弱填充胶与焊点、阻焊层或芯片钝化层的粘接力。

油脂、指纹、灰尘、颗粒物：操作不当引入的污染物。

氧化物/钝化层特性： 基板焊盘或芯片钝化层（如SiN, PI）的表面能、粗糙度、化学性质不适合粘接。

清洁不彻底： 在点胶前未有效去除助焊剂残留和其他污染物。清洁剂选择不当或清洁工艺（如清洗时间、温度、喷淋压力）不佳也可能留下残留或损伤表面。

应力点： 在组装或测试过程中，器件受到不当的机械应力（如弯曲、扭曲、碰撞），可能导致填充胶在固化前或固化后受损。

3. 设计因素：

芯片尺寸过大/间隙过小： 大尺寸芯片在温度变化时变形更大，应力更大。过小的间隙（Standoff Height）使得填充胶流动困难，易产生填充缺陷。

应力集中设计： 芯片边缘尖锐、基板上的通孔位置靠近焊点等设计会加剧局部应力。

基板材料选择： 基板本身的CTE、模量和Tg也会影响整个系统的热机械应力分布。

4. 使用环境因素：

严苛的温度循环： 范围宽（ΔT大）、速率快的温度循环对填充胶的耐热疲劳性能是巨大考验。

高湿度环境： 长期暴露在高湿环境下会加速吸湿，影响材料性能和界面粘接。

机械冲击/振动： 超出填充胶承受能力的物理冲击。

二、 解决方案

1. 优化底部填充胶材料选择：

匹配CTE： 优先选择CTE介于芯片和基板之间（通常在30-90ppm/°C范围内）并尽可能接近焊料CTE的填充胶。改性环氧树脂常通过添加无机填料（如二氧化硅）来降低CTE。

调整模量： 选择具有适中模量（通常在几GPa到十几GPa范围）的填充胶。过高的模量虽能提供支撑但易裂，过低的模量则支撑不足。可通过添加增韧剂（如橡胶粒子、热塑性树脂）提高韧性。

提高Tg：确保填充胶的Tg显著高于器件的最高工作温度和存储温度（通常要求高于125°C，无铅应用可能需要>150°C）。

降低吸水率/提高耐湿性： 选择疏水性配方或经过耐湿改性的填充胶。

控制固化收缩率： 选择低收缩配方。

确保完全固化特性： 选择固化窗口宽、对工艺波动不敏感的胶水，并确保其能在推荐的条件下完全固化。

选用知名品牌可靠产品： 如汉高乐泰、汉思新材料等，并索要完整可靠的性能数据报告。

2. 严格控制工艺过程：

优化点胶工艺：

精确控制胶量： 通过实验确定最佳胶量（确保充分填充无空洞，且不严重溢出）。

优化点胶路径与参数： 设计合理的点胶轨迹（如L形、U形），控制点胶速度、压力、针头高度、温度（预热基板可降低胶水粘度改善流动性）。

真空辅助填充/毛细流动控制： 对于复杂结构或小间隙，可采用真空辅助或优化胶水流动性的配方来促进填充，减少气泡。

使用自动化点胶设备： 保证一致性和精度。

严格执行固化工艺：

精确遵循推荐曲线： 使用温度曲线测试仪验证炉温曲线是否满足胶水规格书要求（包括升温速率、峰值温度、保温时间、降温速率）。

避免过快升降温： 控制升降温速率以减少热应力。

加强清洁工艺：

彻底去除助焊剂残留： 采用有效的清洗工艺（水基或溶剂清洗）和合适的清洗设备（如浸泡、喷淋、超声波），并进行清洗效果验证（如离子污染度测试、目检、表面能测试）。

控制生产环境： 保持操作环境清洁（无尘车间），防止二次污染。操作员佩戴防静电手套。

表面处理（必要时）： 对于难粘接的表面，在点胶前可考虑采用等离子体清洗，能显著提高表面能和活性，去除微观污染物，极大改善粘接强度。

3. 优化设计与操作：

设计考虑： 与封装设计工程师沟通，考虑热机械应力因素（如避免尖锐转角、优化焊盘布局和通孔位置）。在可能的情况下，选择CTE匹配性更好的基板材料。

应力消除：在组装、测试、运输和后续集成过程中，严格遵守操作规范，避免对器件施加不当的机械应力（如弯曲、跌落）。使用合适的工装夹具。

4.加强质量监控与失效分析：

过程监控： 对点胶后的填充效果进行自动光学检查，检查填充饱满度、有无明显空洞和溢出。抽样进行切片分析，检查内部填充质量和界面状况。

可靠性测试： 对生产批次的样品进行加速可靠性测试（如温度循环试验、高温高湿存储、压力锅蒸煮试验）以验证长期可靠性。

失效分析： 一旦发生开裂/脱落，立即进行失效分析：

无损检测： X射线检查内部空洞、裂纹位置。

破坏性分析：切片后用金相显微镜或扫描电镜观察裂纹形态（穿晶/沿晶）、起始位置、界面状况。

成分分析： 检查界面是否有污染物（如EDS分析）。

材料性能复测： 测试失效胶块的Tg、模量、CTE等是否偏离标准值。

明确失效模式与机理： 是热疲劳断裂？界面粘接失效？还是湿气导致的失效？根据分析结果精准定位问题根源，指导后续改进。

总结

解决底部填充胶开裂和脱落问题是一个系统工程，需要从材料选型、点胶工艺控制、设计优化和严格监控四个方面协同发力。最关键的是选择CTE匹配性好、Tg高、韧性足、耐湿性好的填充胶，并辅以彻底有效的清洁工艺、精确可控的点胶和固化工艺。 同时，建立完善的质量监控体系和失效分析能力，是快速定位问题、持续改进工艺、确保产品长期可靠性的根本保障。

建议与底部填充胶供应商的技术支持团队紧密合作如汉思新材料，他们能根据你的具体应用（芯片尺寸、基板类型、工作环境、可靠性要求）提供最匹配的产品推荐和详细的工艺指导。 在工艺变更（尤其是换胶）后，务必进行充分的工艺验证和可靠性测试。