Underfill(底部填充劑)的目的與操作程序

Underfill02

底部填充劑(Underfill)原本是設計給覆晶晶片(Flip Chip)使用以增強其信賴度用的。

因為矽材料做成的覆晶晶片的熱膨脹係數遠比一般基板(PCB)材質低很多,因此在熱循環測試(Thermal cycles)中常常會有相對位移產生,導致機械疲勞而引起焊點脫落或斷裂的問題,後來這項技術被運用到了一些BGA晶片底下以提高其焊接於電路板後落下/摔落時的可靠度。







底部填充劑的材料通常使用環氧樹脂(Epoxy),它利用毛細作用原理將 Epoxy塗抹在晶片的邊緣讓其滲透到覆晶晶片或BGA的底部,然後再加熱予以固化(cured)。因為它能有效提高焊點的機械強度,從而提高晶片的使用壽命,所以目前大多被運用在一些手持裝置,如手機的電路板設計之中,因為手持裝置必須要通過嚴苛的裸機跌落試驗(Drop test)滾動試驗(Tumble test),很多BGA的焊點幾乎都無法承受這樣的嚴苛測試條件,尤其是一些ENIG表面處理的板子。

添加底部填充劑的步驟通常會被安排在電路板組裝完成,也就是完成 SMT、Wave Solder、手焊零件,並且完全通過電性測試後確定板子的所有功能都沒有問題了才會執行,因為執行了underfill之後的晶片就很難再對其進行修理(repair)或重工(rework)的動作。

底部填充劑添加之後還需要再經過高溫烘烤以加速環氧樹脂的固化時間,另外也可以確保晶片底下的充填劑真的固化,一般環氧樹脂擺放在室溫下雖然也可以慢慢的固化,但至少需要花費24小時以上的時間,根據與空氣接觸的時間長短而有所不同,有些環氧樹脂的成份裡面還會添加一些金屬元素的添加劑,選用的時候必須要留意其液態及固態時的表面阻抗,否則有機會產生漏電流(current leakage)問題。

添加底部填充劑時一般只會在晶片的相鄰兩邊進行L型的路徑填加環氧樹脂。

底下是使用 Loctite 3536 操作 underfill 的一些步驟,僅供參考:

  1. Loctite 3536 必須儲存與於5℃的低溫(Loctite 要求溫度需介於2℃~8℃,之間),灌膠以前必須將之回到室溫至少 1 個小時才可使用。
  2. 灌膠時需要將待 underfil l的電路板預熱到 70℃。
  3. 開始給 BGA 晶片做 L型路徑的第一次點膠,如下圖將 Loctite 3536 點在 BGA 晶片的邊緣。
    Underfill01
  4. 等待約30~60秒的時間,待 Loctite 3536 滲透到BGA底部。
  5. 給 BGA 晶片在做第二次 L型路徑點膠,膠量要比第一次少一點,等待約60秒左右,觀察黑膠有否擴散到 BGA 的四周並形成斜坡包覆晶片。(此目的在確保晶片底下的 underfill 有最少的氣泡或空洞)
  6. 確認灌膠無誤後將灌好膠的電路板放進烤箱,烤到130℃ + 20分鐘。 (Loctite不建議140℃ 以上的溫度烘烤)
  7. 烘烤後,檢查灌膠的外觀是否黑亮,用指甲輕觸並感覺是否光滑堅硬。

延伸閱讀:
COB Epoxy灌膠時氣泡產生的原因與解決方法
製造工廠的MRB會議及塑膠件品質判斷
簡介電路板組裝後的功能測試(FVT/FCT)

訪客留言內容(Comments)

您好~~看你的文章讓我收穫很多。
想請教一個問題,我們在點underfill的時候,也是採用L型的點膠路徑,但是發現underfill沒有辦法完全擴散到BGA的四周,必須在另一端的L型再點一次,可是這樣的用量太多了,畢竟一管underfill價格很貴,想請教有什麼改善方式,我們家的PE是認為,此underfill黏性太黏,所以不容易擴散,想請教您的看法如何??

謝謝

josh;
建議你找underfill膠的廠商來討論一下,不是每支膠都可以用L型的方式點膠的,就像你說的,如果膠的黏性太高,是沒有辦法滲透進BGA底下的,其次有些膠需要配合預熱板子才可以順利灌膠。

我们现在在用loctite 3593的胶水,点胶方式为L形,BGA为15*15MM,PCA点胶前加热到90-100度,点胶时也维持此温度,点胶后又放置10分钟以上,BGA两边上都有胶,但是对角的还有4*4MM没有填充满。做切片后发现有很多气泡,请指教。

如果第一次灌膠沒有填滿,就要再灌第二次。我們的程序規定通一顆BGA要做兩次灌膠。
灌膠的時候不宜一次加太多的膠,要讓膠水慢慢滲進BGA底下,而且要持續不要間斷,因為有間斷就會有空氣進入。如果你非常在意BGA底下的氣泡,你的膠水加進針筒的時候,還要留意不要產生氣泡,最好可以從針筒的邊緣加膠,讓膠慢慢流進針筒中,就像到啤酒時要從杯子的邊緣延著玻璃杯的牆壁一樣,這樣才不會有太多的氣泡產生。種知要先確保針筒內沒有氣泡,在確定灌膠的方式,就可以避免氣泡的產生。

如果可以的話, 加個電漿清洗, 會讓膠流快一點
回溫過程中膠管保持直立, 不要開膠管上方的封蓋, 比較不會產生氣泡

這位大哥大概有所誤解。
電漿空氣應該沒辦法吹到BGA底下吧?
另外,BGA的灌膠也不同於一般的填注方式,必須使用滲透的填膠呢!

Plasma有 RF與MW兩大類, 在FlipChip underfill process, Taiwan的廠商會用MW, 利用測吹的方式將Plasma吹入gap, 依據Plasma廠商之前的report, 在100um gap時, 可以吹入13mmx13mm的package. 但underfill不是因為gap下有被吹到而流的快, 是因為package側邊有被吹到, 所以underfill由側邊帶動, 造成有比較多與較快的波前面, 所以才流的比較快. 因此韓國的廠商就改用RF type的, 電漿流從上面往下打, 有洗到package的側邊就可以了.
我知道BGA的灌膠不同一般的填注, 是用毛細現象來流動, 而underfill流動的公式可在網路上查, 流動時間=(3*黏度*流動距離^2)/(表面張力*gap*接觸角), 所以應該要先跟廠商拿Viscosity-temperature-time 曲線, 才知道在幾度c點時才流的快.而Plasma的用處是改變接觸角, RF是藉由粗糙度, MW是改變表面能, 都是用來改變underfill的接觸角

這樣子使用Plasma,我就沒使用過了,謝謝你的資訊提供。

可以試試看採用uv膠的解決方式,打L型於四周,在採用uv燈固化,不需要等待膠水的流動至底部,也不需要加熱固化的時間

請問有一種底部填充劑是透明的,用熱風槍要把BGA吹下來時就算溫度加到400度有吹不起來,有沒有什麼特殊溶劑或是方法可以把BGA拆下來做後續分析用的呢?

Alex;
建議你找一下這個填充膠的廠商問一下。

您好, 請問CSP底部的PI粗糙度會影響underfill結合度嗎?若是PI的粗糙度不足是否會有影響?

LCF,
嚴格上來說粗糙度「會」影響Underfill的黏著力,就享有做過奈米處理的馬桶比較不會卡垢是類似的道理,但具體來說會影響多少,必須做實驗才知道。
既然粗糙度「會」影響Underfill的黏著力,那問題就來了,應該定多少粗糙度呢?我沒有答案。

工作熊您好 :
請問underfill與overfill一般有哪些外觀規範?或是國際規範…等?

Simon,
沒聽說過overfill,也不知道Underfill有何國際外觀標準。
如果沒有外觀要求,一般我們自己的要求就是膠要塗滿BGA的四個邊,塗膠的時候最多只能塗相鄰兩邊,剩餘編得膠必須從底部溢流出來,這樣才能確保underfill膠充滿整個BGA底部。

收到,感謝工作熊的回覆

請問,BGA為了方便rework是否能改採UV膠固定,可以的話,有沒有建議點膠的區域(四邊or四角…)可提供參考

MH,
這個建議你直接找提供Underfill膠的廠商諮詢,一般來說UV膠就必須要照射UV光,而且點得越多越不容易乾,既然是Underfill在BGA底下,就不易照射到光線,如果只加在四個角落,一般強度不夠。


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