隨著細(xì)間距CSP/PoP等集成電路封裝越來越廣泛地應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，此類元件的細(xì)小焊點(diǎn)可靠性就越來越受到大家的重視了。在熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力作用下，精細(xì)的焊點(diǎn)可能出現(xiàn)斷裂失效問題。現(xiàn)在業(yè)界普遍采用Underill工藝以降低應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響，但Underfill在操作過程中又可能出現(xiàn)一些制程問題而降低其保護(hù)效果。
Underfill需要完全覆蓋元件底部區(qū)域，將CSP元件整個(gè)本體與板面緊密粘接在一起，降低熱或機(jī)械應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響。
在實(shí)際應(yīng)用過程中，Underfill會(huì)受到多種因素的影響，如點(diǎn)膠方式，固化溫度參數(shù)，錫球矩陣，錫膏助焊劑成分等。可能導(dǎo)致元件底部的膠水不能完全固化或不能完全覆蓋元件底部的錫球。這兩種情況將降低Underfill的保護(hù)效果，這是不允許的。本文將通過一個(gè)實(shí)際案例來對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行分析，找出根本原因并提出改善方法。
問題描
在某手機(jī)產(chǎn)品NPI階段，發(fā)現(xiàn)CSP元件底部Underfill膠水并沒有完全固化或填充。0.8mm間距的CSP固化和填充效果良好， 但同一塊板上的0.5mm間距CSP的中心位置存在膠水半固化以及填充不足問題。
缺陷分析
從前面的案例中可以看到Underfill的問題存在于兩個(gè)方面，一是膠水半固化，二是膠水不能完全覆蓋包裹元件底部的錫球，這是兩個(gè)表征和原因都不相同的兩個(gè)問題，分析及改善也需要分開處理。
? 半固化分析
從魚骨圖原因分析來看，對(duì)固化影響較大的可能有八大潛在因素：預(yù)熱溫度；固化時(shí)間不足；固化溫度過低；固化爐不穩(wěn)定；錫膏助焊劑與膠水不兼容；錫膏助焊劑殘留過多；SMD和NSMD焊盤形式差異；回流焊接溫度曲線。
【預(yù)熱溫度】
設(shè)定PCBA預(yù)熱溫度為30~40℃，半固化缺陷仍然存在且膠水填充效果糟糕。
【不足的固化時(shí)間和溫度】
將固化溫度從120℃提高到150℃，仍發(fā)現(xiàn)填充膠水固化不充分的缺陷。
【固化爐不穩(wěn)定】
通過Cmk的測量，固化爐的Cmk在1.33以上，說明固化爐穩(wěn)定。
【錫膏助焊劑與膠水的兼容性】
膠水除了環(huán)氧樹脂外還含有其它元素，如固化劑，催化劑，交聯(lián)劑等等。助焊劑殘留可能與膠水固化劑發(fā)生反應(yīng)而影響固化效果，助焊劑殘留物對(duì)底部充膠質(zhì)量有非常顯著的影響。固化后的CSP錫球與Underfill材料間有明顯的分離間隙。但清洗后錫球與填充材料結(jié)合相當(dāng)緊密，沒有任何的間隙存在。
Underfill膠水半固化的樣品元件被確認(rèn)是只經(jīng)受過一次回流過程。四個(gè)經(jīng)過二次回流的元件并沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷存在?？梢源_定二次回流的元件助焊劑殘留物要少于一次回流。為驗(yàn)證以上分析，將兩片需要底部充膠的PCBA進(jìn)行超聲波清洗并烘烤，4小時(shí)后進(jìn)行填充切片，填充固化良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明助焊劑殘留對(duì)膠水固化存在影響。
固化溫度曲線
膠水成分與助焊劑殘留之間的兼容問題是存在的，需要嘗試優(yōu)化固化溫度曲線以改善結(jié)果，將一對(duì)混有助焊劑殘留物與Underfill膠水的樣品分別用慢速和快速兩種不同的上升斜率曲線進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn)。兩種曲線的固化溫度都為120℃。慢速上升斜率為1.1~1.2℃/s，而快速上升斜率為1.94℃/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：緩慢的上升固化斜率對(duì)膠水的固化不充分，膠水還處于柔軟狀態(tài)；但快速上升的固化斜率對(duì)膠水的固化效果良好，膠水已得到充分固化。
提高固化溫度到150℃并保持慢速和快速兩種固化斜率重復(fù)實(shí)驗(yàn)。所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有變化；慢速上升斜率的實(shí)驗(yàn)樣品仍然保持柔軟狀態(tài)，膠水固化不充分；但快速上升斜率的固化效果相當(dāng)充分，膠水處于完全固化狀態(tài)。
DSC測試分析
通過DSC (Differential scanning calorimetry) 可有效的鑒定出膠水固化和半固化的不同特性。
【實(shí)驗(yàn)1_標(biāo)準(zhǔn)樣本】只有膠水材料，以30℃/分鐘的斜率從室溫升至120℃并保持60分鐘；根據(jù)膠水廠商的證實(shí)，此條件下的樣品可達(dá)到100％的固化率；另一種條件為3分鐘保持120℃，可達(dá)到85％的固化率。
【實(shí)驗(yàn)2_慢速升溫斜率0.475℃/s】Underfill膠水和助焊劑殘留物3：1混合，以28.5℃/分鐘的上升斜率從室溫升至130℃并保持2分鐘。
【實(shí)驗(yàn)3_快速升溫斜率1.58℃/s】Underfill膠水和助焊劑殘留物3：1混合，以91.5℃/分鐘的上升斜率從室溫升至130℃并保持4分鐘。
從DSC結(jié)果比較可以看出，快速的上升斜率可達(dá)到86.31％的平均固化率，可滿足膠水的基本固化要求。但是慢速的上升斜率卻只能達(dá)到68.67％的平均固化率，固化不完整。因此快速的固化上升斜率曲線 (> 1.5 ℃/秒) 可以作為解決Underfill膠水固化不足的有效途徑。
? Underfill不足的工藝流程優(yōu)化
膠水的填充更多需要考慮膠水在元件底部的流動(dòng)路徑問題，CSP錫球排列及其周邊其它元件的分布都可能影響膠水的流動(dòng)。所以，需要考慮調(diào)整點(diǎn)膠參數(shù)以優(yōu)化膠水的流動(dòng)路徑。原始的點(diǎn)膠工藝參數(shù)如下表。
【玻璃板實(shí)驗(yàn)】
為了研究空洞的形成過程，玻璃板被用來驗(yàn)證和模擬實(shí)際CSP Underfill膠水的毛細(xì)管作用現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，膠水在CSP周邊的流動(dòng)性要快于中間的錫球位置，這就是為什么所觀察到的空洞都集中在CSP的中間位置。
優(yōu)化點(diǎn)膠參數(shù)，在保證相同膠量的前提下將點(diǎn)膠次數(shù)由3次增加到4次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，中間錫球間的空氣被逐步排出，沒有形成空洞。
結(jié)果
使用4次點(diǎn)膠和快速上升斜率的固化曲線。解決了膠水Underfill的半固化和填充不足等缺陷。
結(jié)論
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