BGA及类似器件的底部填充和点胶封装工艺教学内容

作者：杨根林东莞市安达自动化设备有限公司

BGA及类似器件的底部填充和点胶封装工艺

摘要

当前，高可靠性要求的航空航天航海、动车、汽车、室外LED照明、太阳能及军工企业的电子产品，电路板上的焊球阵列器件（BGA/CSP/WLP/POP）及特殊器件，都面临着微小型化的趋势（见图1），而板厚 1.0mm以下的薄PCB或柔性高密度组装基板，器件与基板间的焊接点在机械和热应力下作用下变得很脆弱，为提高PCBA及产品的可靠性，于是底部填充和点胶封装技术应用变得日益普遍，见图2。

底部填充和点胶封装工艺有多种，本文所指为毛细效应底部填充（Capillary Under-fill），把填充胶分配涂敷到组装好的器件边缘，利用液体的“毛细效应”使胶水渗透填充满芯片底部，而后加热使填充胶与芯片基材、焊点和PCB基板三者为一体。

通过底部填充和点胶封装工艺，不仅可减少BGA及类似器件因热膨胀系数(CTE)失配可能引发的焊点失效，还能为产品的跌落、扭曲、振动、湿气等提供很好的保护。在相关绝缘胶的作用下，器件在遭受应力后将被分散释放，从而增加焊点的抗疲劳能力、机械连接强度，达到提高产品可靠性的目的。

图1 焊球阵列器件封装小型化趋势图2底部填充需求的常规定义

为让BGA及类似器件有效填充和点胶封装，作业前须选择性能较好的胶水、恰当的点胶路径和点胶针头（Needle）或喷嘴（Nozzle），并正确地设置点胶参数以控制稳定相宜的胶水流量。点胶后，须作首件检验确认点胶和填充效果，烘烤条件需符合胶水特性及产品特点，以确保胶水完全固化。固化后，须做外观检查和测试，确保填充效果有效可靠。点胶和填充时须避免汽泡，固化后需避免产生空洞，形成满意的边缘角或达到特定的填充效果，降低现场失效提高产品长期可靠性。在选择胶水时，须选用可返修的，并注意返修方法。

关键词

焊球阵列器件（BGA/CSP/WLP/POP），可靠性（Reliability），自动点胶机（Automatic Dispenser），底部填充（Under-fill），环氧树脂（Epoxy resin），高密度互连（HDI），点胶/喷胶，汽泡/空洞，声波微成像技术，可返修性（Rework-able）

一、 BGA及类似器件的点胶工艺及底部填充的作用

电子产品的点胶工艺多种多样，比如摄像镜头的密封固定（Lens Locking），光学镀膜防反射和红外线滤光片粘接（AR/IR Filter Attach），玻璃防护盖(Glass Lid)密封固定，镜头框架（Lens Holder）与基座或PCB基板粘接，影像芯片COB裸晶邦定（Die Attach），以及CCD/CMOS表面封装器件或其它组件的底部填充，见图3。相机模块的核心器件CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)和其它有源器件，它们主要采用CSP、WLP或FC超小型封装方式。

图3 相机模组主要的胶粘工艺图4底部填充和非底部填充的跌落试验效果PCB基板复杂多样，比如厚度1.0mm以下的PCB、Rigid-Flex PC、FPC、Ceramic PC、Metal PC 等，这些基板在SMT制程中不仅要克服PCB翘曲变形或易碎的问题，在测试组装中更要保护焊点免受外力破坏。而BGA及类似器件的微形焊点对应力非常敏感，为解决其可靠性隐患点胶和底部填充成了必不可少的重要工艺。有研究资料表明，产品经过底部填充和不进行底部填充的跌落试验，两者焊点遭受到的应力迥然不同，经过底部填充的器件焊点感测到的应力轻微许多，反之应力震荡变化或骤然增大，其效果差异见图4。

BGA及类似器件成为影响产品可靠性的关键因素，由于这些器件硅质基材热膨胀系数比一般性的PCB材质要低许多（资料显示硅质为2.6ppm/℃，常用的PCB材质为10-26 ppm/℃或更高），在受热时两者会产生相对位移，导致焊点机械疲劳从而引起断裂失效，见图5A。对于这些器件，采用底部填充可以有效地增强器件与基板间的机械连接，降低其现场失效问题。

总之，点胶和底部填充不仅有助于降低材料之间CTE不匹配的热应力破坏，减少基板的翘曲变形、跌落撞击、挤压和振动等机械应力造成焊点破裂失效的风险，见图5B&5C&5D。电子产品在恶劣环境下工作的稳定性及可靠性，通过对BGA及类似器件实施点胶和底部填充是非常有效的。

5A CTE失配应力5B 产品撞击 5C 器件受挤压5D底部填充对PCB翘曲的保护作用

二、胶水的基本特性介绍与选用要求

在BGA器件与PCB基板间形成高质量的填充和灌封，材料的品质与性能至为重要。日前用于BGA/CSP等器件的底部填充胶，是以单组份环氧树脂为主体的液态热固胶粘剂；有时在树脂中添加增韧改性剂，是为了改良环氧树脂柔韧性不足的弱点。底部填充胶的热膨胀系数（CTE）﹑玻璃转化温度（Tg）以及模量系数（Modulus）等特性参数，需要与PCB基材、器件的芯片和焊料合金等相匹配。通常胶水的Tg点对CTE影响巨大，温度低于Tg点时CTE较小，反之CTE剧烈增加。模量系数的本义是指物质的应力与应变之比，胶水模量是胶水固化性能的重要参数，通常模量较高代表胶水粘接强度与硬度较好，但同时胶水固化时残留的应力会较大。

PCBA的胶材须安全无腐蚀，符合欧盟RoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令（关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质）的要求，对多溴二苯醚（PBDE）和多溴联苯（PBB）在材料中的含量严格限制，对于含量超标的电子产品禁止进入市场。同时，还需符合国际电子电气材料无卤（halogen-free）要求，如同无铅锡膏并非锡膏中不含铅而是含量限制一样，所谓无卤也并非物料中不含被管制的卤素，而是指氯或溴单项含量在900ppm以下，总卤素含量控制在1500ppm 以下，即（Cl<900ppm,Br<900ppm,Cr+Br<1500ppm）。

良好的底部填充胶，需具有较长的储存期，解冻后较长的使用寿命。一般来说，BGA/CSP填充胶