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1. 簡介

底部填充膠（Underfill）作為一種重要的集成電路封裝電子膠黏劑，在先進封裝如2.5D、3D封裝中，用于緩解芯片封裝中不同材料之間熱膨脹系數不匹配帶來的應力集中問題，進而提高器件封裝可靠性（如圖1和圖2所示）。

圖1 底部填充膠2.5D使用場景示意圖

圖2 底部填充膠3D使用場景示意圖

從使用場景上來看，底部填充膠分為兩種，一種是倒裝芯片底部填充膠(Flip-Chip Underfill)，用于芯片與封裝基板互連凸點之間間隙的填充，此處的精度一般為微米級，對于底部填充膠提出了很高的要求，使用方一般為先進封裝企業；另一種是（焊）球柵陣列底部填充膠(BGA Underfill)，用于封裝基板與PCB印制電路板之間互連的焊球之間的填充，焊球之間的間隙精度為毫米級，對底部填充膠要求相對較低。

2. 底部填充材料

底部填充膠是由多種成分組成，不同成分對材料的作用不同。從工藝角度看，較低的黏度可以縮短填充速度，需要具備合適的固化溫度和固化時間，一般還應易于返修；從可靠性角度而言，底部填充膠需具備良好的填充效果以減少氣泡和空穴，具備與基板和焊點之間的兼容性，以及重新分配不同組件的熱應力；同時需要滿足較高的表面電阻，耐溫耐濕能力，以及耐熱沖擊能力等。

底部填充膠的性能指標主要包括以下幾個方面：粘度(Viscosity)，直接影響工藝的填充性能和填充時間，一般底部填充膠的粘度越低，加工的效率越高；熱膨脹系數(CTE)，因為硅芯片(2.5×10－6 /K)和印刷電路板(18×10－6 /K～24×10－6 /K)之間的熱膨脹系數差別很大，解決溫度變化產生的內應力問題是底部填充膠發明的初衷，應在保證其他性能的前提下盡可能減小熱膨脹系數；玻璃化轉變溫度(Tg)和彈性模量(Elastic Modulus)，玻璃化轉變溫度和彈性模量直接影響器件的耐熱機械沖擊的能力，而這兩者對性能的影響較為復雜且會相互制約，需要找到平衡點以得到合適性能的產品。

底部填充膠的主體材料一般是環氧樹脂，通常包含雙酚A、雙酚F等類型的環氧樹脂（如圖3所示）。除去環氧樹脂，底部填充膠一般還包含填料、硬化劑、催化劑、助粘劑、阻燃劑、顏料、增韌劑和分散劑等成分。底部填充膠所使用的填料一般為球型二氧化硅，主要為了降低熱膨脹系數、增強模數和降低吸濕性等。底部填充膠所含成分及其功能如表1所示，這些成分的組合以增強底部填充膠固化后性能為目的，大大提高了倒裝芯片封裝的可靠性。

圖3底部填充膠組分中所使用的典型環氧樹脂結構

表1 底部填充膠主要材料組成及功能

3. 底部填充工藝

倒裝芯片的底部填充工藝一般分為三種：毛細填充（流動型）、無流動填充和模壓填充，其各自的工藝流程如圖4所示。一般底部填充工藝過程主要包括兩個工藝，即初始底部填充工藝和隨后的固化工藝。表2通過概述三種工藝流程以及相對優缺點，對這三種底部填充封裝工藝進行了比較。

表2 三種填充工藝方式概述、優點及缺點

4. 底部填充封裝的失效模式

倒裝芯片底部填充的作用在于應力再分布，而不是減小應力。固化后的底部填充膠材料將芯片與基板連接起來，將倒裝焊點所受的剪切應力轉化為整個基板上的彎曲應力。因此，底部填充膠在熱固化時的收縮及固化后冷卻時熱膨脹系數不匹配，給芯片帶來很大的應力，使得芯片在某種情況下出現裂紋。

除了由溫度引起的熱機械失效之外，由潮濕所引起的失效，如分層和腐蝕都是倒裝芯片封裝常見的問題。通常用高加速應力試驗（Highly Accelerated Stress Test，HAST）來檢測溫度和濕度對封裝的影響。該測試的條件苛刻，如高溫、高濕和高壓。典型試驗條件為，121℃，相對濕度（Relative Humidity，RH）為100%，2atm，此項測試也叫做高壓爐測試（Pressure Cooker Test，PCT）。被吸收的濕氣能夠水解芯片與底部填充膠間的界面連接，從而在芯片拐角處出現分層，進而促進濕氣沿著界面擴散。界面處的濕氣能夠腐蝕焊點和基板上的金屬導線。分層使底部填充膠與硅芯片分離，并在四周的焊點上產生應力集中，使得焊點過早失效。

底部填充膠與各種材料（如芯片鈍化層、焊料和基板上的阻焊膜）間界面分層，是底部填充倒裝芯片封裝失效的主要原因之一。提高其在溫濕度老化條件下可靠性的方法之一，就是向底部填充膠中添加粘合促進劑或偶聯劑來增加底部填充膠對其周圍材料的粘性。通常，添加偶聯劑能夠明顯改變底部填充膠的固化條件曲線和底部填充膠的整體特性，如Tg，和模數。

表3 倒裝芯片底部填充膠的特性

總的來說，底部填充膠的材料特性是決定封裝體可靠性的關鍵因素之一。表3給出了倒裝芯片封裝所需的底部填充膠材料特性的基本準則。盡管如此，我們必須認識到在可靠性測試中有多種不同的失效模式（如圖5所示）。這些不同的失效模式對底部填充膠特性的需求可能是互相沖突的。例如，一方面，為了有效地耦合焊點的應力，需要高模數的底部填充膠；而另一方面，高模數底部填充膠會帶來高殘余應力，導致芯片破裂。填充料含量則是另一個例子，對低CTE底部填充膠的需求意味著填充料含量大。盡管如此，填充料含量高的底部填充膠的粘度較大，會給施膠帶來難度。其結果可能是會引起可靠性問題的底部填充膠空洞或不均勻。因此，對底部填充膠的選擇主要取決于它的應用，如芯片尺寸、鈍化材料、基板材料、焊料類型和封裝體在實際應用中所處的環境條件等。

圖5 倒裝芯片封裝底部填充的失效模式

5. 底部填充膠的可靠性評價

中國賽寶實驗室（又名工業和信息化部電子第五研究所，以下簡稱“賽寶”）建有國家級電子元器件重點實驗室、國家新材料測試評價平臺電子材料中心，長期從事電子材料的應用研究，具備豐富的電子工藝材料評價和驗證經驗，可以按照各類標準以及相關法規開展檢測、試驗、分析、評價等全面的技術服務。

對于底部填充膠，賽寶實驗室可針對不同產品的特性，對固化前原液和固化后膠體進行綜合測試評價（如表4所示）。

表4 底部填充膠的評估項目

在底部填充膠的產品板級性能評估方面，賽寶實驗室可以進行隨機振動試驗（振動頻率10Hz-2000Hz）、高溫高濕試驗（溫度85 °C , 濕度85%RH)、高溫高濕試驗（溫度85 °C , 濕度85%RH)、高溫貯存（150 °C)、低溫貯存（-40 °C)、溫度沖擊（-40°C~125 °C，轉換時間2min，高低溫各停留15 min）、跌落試驗等多種環境試驗。