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浅谈对底填胶的选型理解
来源: 好乐紫外技术贸易作者: 邵建义 博士时间:2020-09-08 09:33:18点击:473

众所周知,在工业现代化和信息化的当今,半导体产业已经渗透到工业领域的各个方面。尤其是近年来人工智能(AI)、工业4.0、5G、高性能计算(HPC)、物联网(IoT)、 智能汽车和数据中心等一系列高科技技术的蓬勃发展,需要高计算能力、高速度、高带宽、低延迟、低功耗、更多功能的处理器和更多的内存、各种传感器以及高度的系统级集成作为硬件支撑,这些都给半导体行业提供了前所未有的发展机遇。

以手机为代表的消费类电子产品的不断高度集成化、多功能化和轻量化,使得电子产品结构日趋紧凑,功能日趋强大,相应的电路设计更加复杂,能耗管理更加严峻,这些都对半导体的封装技术提出了全新的要求和挑战。

后摩尔定律时代,业内还在进一步探索半导体集成电路的发展方向。使得先进封装技术的重要性迅速提升起来。基于以上林林总总的原因,先进封装必将成为未来一段时间内半导体封装的主流方向。


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图1 胶水在先进封装中的不同作用


BGA带来的底填胶挑战

BGA是大尺寸半导体芯片先进封装较为常用的一种方式。它的特点是大大提高了互联封装效率以适应芯片的性能,可以大幅度减小封装尺寸,适合于高密度、高性能、多引脚的芯片封装。但是毕竟只有焊锡球作为对芯片的机械连接和支持,所以抗落摔能力不强。这时候Underfill胶水作为对BGA的加固和保护,就是一个非常好的选择。

Underfill胶,也叫底部填充胶,它的作用其实不仅仅是对BGA的加固,以提高芯片抗机械外力,尤其是振动和冲击的能力。它也可以对底部的电路部分进行充分的电性能保护,起到三防的作用。看似完美无缺的BGA封装方式,也常常出现信赖性测试无法通过的窘境。业内关于BGA失效分析的文章和相关讨论很多,但很多都是把注意力放在焊锡和焊球上,而从Underfill胶水本身的性能和选型方面的分析则较少见报道。以笔者粗浅的理解,如果底填胶选择不恰当,不但无法达到其预期的对芯片加固、保护的目的,反而会成为BGA失效的帮凶。


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图2 典型的BGA封装及底填胶示意图


正确选择底填胶之CTE

在选择底填胶时,首先应该考虑的因素就是其热膨胀系数,即CTE的匹配问题。电子产品一般都要经受严苛的信赖性测试,包括温度冲击和温度循环等。在此过程中温度 可能会有超过100度以上的改变,这对组装以后的电路(系统)是一个很大的荷载。如果各原材料的CTE不匹配,则内部就会产生应力。如图2所示,一个典型的BGA芯片封 装系统主要包括PCB、BGA芯片,焊锡球和Underfill底填胶。PCB的CTE一般为14ppm/ K左右,硅芯片的CTE为7ppm/K左右,而锡的CET则为大概为23ppm/K。在没有底填胶的情况下,芯片是通过焊锡与PCB板相连。在温度变化时,芯片与PCB之间,尤其在PCB平面(二维)方向,就会产生应力。假若这个应力超过某处的焊锡的局部强度时,就会导致此处焊锡开裂,从而造成BGA失效。此时,如果有Unferfill底填胶,则有可能平衡这一应力。但现实情况下,底填胶的CTE一般在 40-50ppm/K,偶尔也有声称30ppm/K,即便是在这种情况下,其实对热应力的消除也是不利的。所以,低CTE一直是业内对Underfill胶水最直接、最迫切的期盼!

德国好乐集团旗下的知名工业胶水供应商Panacol公司就开发出了一款新型的可用于先进封装中的Underfill胶St8202,此胶水的CTE只有14.9ppm/K,这样的CTE就十分 接近PCB本身的CTE,非常有效地降低了额外的热应力的干扰,从而真正起到了对BGA的加固和保护。


正确选择底填胶之杨氏模量

杨氏模量也是一个十分重要,但很容易被忽视,甚至被错误解读的概念。其实,在底填胶的CTE如果能与芯片和PCB以及焊锡的CTE很好匹配的情况下,在选择底填胶的时候,参考杨氏模量的意义并不凸显。但如上所言,目前业内还很难做到它们的完全匹配。这时,杨氏模量反而显得尤为重要了。杨氏模量是物体抵抗变形的能力。当杨氏模量大时,物体抵抗变形的能力就强,反之,则抵抗变形的能力就弱。一般而言,底填胶对BGA的机械加固作用是十分明显的,往往会有几倍的强度冗余。在这种情况下,底填胶的粘接强度往往就没有那么重要。因此,对杨氏模量数值的要求,就没有那么高;另一方面,当CTE越不匹配的时候,胶水的杨氏模量越大,其对BGA焊锡产生的内应力反而越大,就成为焊球开裂的帮凶甚至是元凶!所以,并不是底填胶的杨氏模量越大越好,反而是要根据需求选择适当偏低的模量为佳。


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图3 Panacol公司用于先进封装中的Underfill胶St 8202(案例一)


正确选择底填胶之Tg

还有一个值得考虑的因素是底填胶的玻璃化转变温度Tg。这个因素有点类似于杨氏模量,当各要素之间的CTE匹配度高时,Tg的意义也不凸显,当CTE不匹配时,Tg也十分重要。业内往往希望Tg越高越好,尤其是高于可靠性测试的最高温度点。这种考虑其实是比较片面的。当CTE不匹配时,往往胶水的CTE都高于其他材料,而这时杨氏模量和Tg如果也高,则胶水由于温度变化对系统产生的应力是很大的。反而较低的杨氏模量和适中的Tg会降低内部的总体应力。由于温度改变而产生的封装系统内部应力的问题,完全可以用现代的计算机模拟手段进行计算和分析,关于此方面的内容将另文讨论。

选择底填胶,还要考虑工艺方面的诸多影响因素,比如粘度。合适的粘度可以大大降低施胶时间,提升效率,避免BGA低下有气泡产生,也避免胶水溢流;固化温度也是一个很重要的工艺参数,较低的固化温度不但可以节省能耗,更重要的是可以相对降低系统的内部应力。大大降低失效的风险;另外,胶水的可重工性、可用时间、包装方式、存储和运输温度要求以及价格等等都是要综合考虑的因素,但因其相对直观,在此不再赘述。

综上所述,对于先进封装工艺中越来越流行的Underfill底填胶,在选型的时候CTE是一个十分关键的因素,在现有的胶水体系和供应商能力范围内,选择越低CTE的底填胶对信赖性越好。但当CTE无法低到与其他材料实现很好的匹配时,反而要把关注点放到底填胶的杨氏模量和Tg点上,一般而言,要选择偏低的杨氏模量和适中的Tg以减小 由于CTE不匹配而导致的内应力,从而提升BGA的整体可靠性。


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图4 Panacol公司用于先进封装中的Underfill胶St 8202(案例二)

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