如何決定BGA底部填充膠(underfill)需不需要填加?

如何決定BGA底部填充膠(underfill)要不要填?這是一位網友提出的問題:「早期時候很多的手機電路板都會使用BGA底部填充膠(underfill),最近發現大部分的手機電路板已經沒有在使用填充膠了,填充膠使用究竟有沒有必要,填與不填跟產品品質關係又如何關係?如何界定?」

其實填充膠(underfill)最早的時候是設計給覆晶晶片(Flip Chip)使用以增強其信賴度用的,後來BGA開始流行,很多的CPU也開始使用起BGA封裝,但礙於當時的科技,BGA其實是有一定的厚度,而且隨著CPU的功能越來越強,BGA的尺寸也就越來越大顆,也就是說BGA封裝晶片具有一定的重量,這個重量非常不利摔落的衝擊。







也因為幾乎所有手機的CPU都採用BGA封裝,手機又是手持裝置,使用者經常不小心一個沒有拿好就可能從耳朵的高度(150cm或180cm)掉落地上,再加上BGA的焊錫強度嚴重不足,只要手機一掉落到地上,CPU的錫球就可能會發生破裂(Crack),甚至還有整顆CPU從板子脫落的情形發生,客訴問題當然就接不完啦,於是開始有人把原本用於覆晶的底部填充膠拿來運用到BGA底下以增強其耐高處摔落、耐衝擊的能力。只是這底部填充膠也不是萬能的就是了,工作熊就見過連底部填充膠都破裂的案例。

如果你還不是很了解何謂「底部填充膠(underfill)」?請先參考這篇文章:Underfill(底部填充劑)的目的與操作程序

還好,隨著科技的進步,最大的進步在晶圓製程的進步,依據摩爾定律的預測,積體電路上的電晶體數目大約每隔18個月就會增加一倍,而且積體電路上的「閘極長度(Gate length)」也越來越細,密度也越來越高,於是積體電路的功能增加了,但是體積卻變小了,手機CPU的重量也就跟著減重,掉落地上的耐摔壓力也就跟著降低,iPhone7採用16奈米製程,iPhone8可能採用10奈米製程或更小的製程,這也是為何現今很多手機板可以不需要添加底部填充膠(underfill)的原因之一。(參考文章:FinFET 全面攻佔 iPhone!五分鐘讓你看懂 FinFET

或許,你還是沒有看明白這個道理,沒關係,下面用白話再說得清楚一點~

BGA底部填充膠(underfill)加不加?通常必須在新品驗證時決定,一般新品上市前要通過研發公司內部的信賴度測試,這些測試包含高溫/高濕及高低溫循環測試,還有高處落下的耐衝擊試驗,另外有些比較龜毛的公司還會再加滾動測試(tumbling)…等,如果在驗證的過程中發現有BGA錫球破裂造成失效問題,就會考慮添加BGA底部填充膠(underfill)。

相關閱讀:滾筒測試(tumble test)的方法與失效解決對策

只是想解決BGA錫球破裂問題不是只有添加BGA底部填充膠(underfill)一個方法,透過加強產品機構抗衝擊能力也是可以改善BGA錫球破裂的問題,而且有些產品先天設計就不良,就算添加了BGA底部填充膠(underfill)也不見得就可以解掉BGA錫球破裂的問題。

(下面兩張照片就顯示既使添加了底部填充膠underfill,經過摔落後還是發生BGA錫球破裂的問題,因為連Underfill膠都裂開了。)

下面兩張照片就顯示既使添加了底部填充膠underfill,經過摔落後還是發生BGA錫球破裂的問題,因為連Underfill膠都裂開了。下面兩張照片就顯示既使添加了底部填充膠underfill,經過摔落後還是發生BGA錫球破裂的問題,因為連Underfill膠都裂開了。

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當然最後決定要不要添加BGA底部填充膠(underfill)會經過公司內部一些相關部門的爭論,還有費用增加評估與品質保證損失之間的拉扯。一般如果產品上市的時間還充裕,就可能會要求RD作設計改善,最好改善後可以不需要添加Underfill膠,如果上市的時間過於緊迫,添加了Underfill膠以後問題就可以解決,則可能會採用Underfill膠製程。

所以加不加BGA底部填充膠(underfill)會關係到:

  1. 產品信賴度測試後BGA錫球是否失效?
  2. 產品上市時間的急迫性?
  3. 添加Underfill膠是否可以確實防止BGA錫球破裂?
  4. 添加Underfill膠會增加生產成本。

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