一、Underfill工藝的定義

Underfill工藝是一種集成電路封裝工藝，在倒裝芯片邊緣點涂環氧樹脂膠水，通過毛細管效應完成底部填充過程，接著在加熱條件下使膠水固化。此工藝旨在緩解芯片封裝時不同材料間熱膨脹系數不匹配帶來的應力集中問題，是提高器件封裝可靠性的重要手段。

在實際的芯片封裝應用場景中，底部填充膠可分為倒裝芯片底部填充膠（Flip - Chip Underfill）和（焊）球柵陣列底部填充膠（BGA Underfill）。其中，倒裝芯片底部填充膠用于芯片與封裝基板互連凸點之間間隙的填充，其精度能達到微米級，專為先進封裝企業服務；而球柵陣列底部填充膠用于封裝基板與PCB印制電路板之間互連的焊球之間的填充，焊球間隙精度為毫米級，對底部填充膠要求相對較低。

二、Underfill工藝的特點

（一）膠水特性方面

• 材料組成：底部填充膠主要由環氧樹脂、固化劑、填料和其他成分組成。其中填料通常會使用60 - 70%重量的無定形熔融二氧化硅，該填料能夠降低底部填充材料的熱膨脹系數（CTE）。否則，固化聚合物若沒有填料的話，會造成不可接受的焊點應變。

• 材料類型：底部填充膠被配制成熱固性塑料而非熱塑性塑料。這是因為無溶劑的高性能熱塑性塑料的粘度太高，不利于封裝工藝，而熱固性的底部填充膠在封裝后需要加熱固化，完全固化對優化粘合力、玻璃化轉變溫度（Tg）和模量等性能意義非凡，多數底部填充膠會在150℃ - 180℃溫度下采用真空壓力烘箱進行固化以便除泡，過程為先抽真空把大氣泡變成小氣泡，再用大壓力排出小氣泡。

（二）工藝對封裝的作用方面

• 緩解應力集中：在先進封裝如2.5D、3D封裝中，Underfill膠水能夠有效緩解芯片封裝時不同材料間熱膨脹系數（CTE）不匹配造成的應力集中現象。它能夠吸收溫度循環過程中的CTE失配應力，避免焊點斷裂而導致的開路或功能失效，從而保障芯片在溫度變化較大環境中的正常運行，延長電子產品使用壽命，提高封裝可靠性。

• 加固連接與提供保護：Underfill膠水可以大面積填充BGA（球柵陣列）底部空隙（一般覆蓋面積達80%以上，甚至到95%以上），極大地加固了芯片與基板之間的連接，增強整體機械結構強度。同時，對底部電路具備良好的電性能保護作用，可防水、防塵、防腐蝕，提升電子產品整體可靠性，還具有優異的翻修性能使后續維修工作更加便利。

• 改善電氣和熱性能：在倒裝芯片封裝場景中，Underfill膠水有助于實現芯片和基板之間的密集互連，進而改善電氣性能和熱性能。雖然并非所有類型的底部填充膠都有良好導熱性，但部分專門設計的材料能夠幫助熱量從芯片傳導到PCB或散熱器上，提高整個系統的散熱效率。

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（三）工藝存在的問題方面

• 空洞問題：這是Underfill工藝在使用過程中面臨的主要問題。具體分為流動型空洞，即底部填充膠流經芯片和封裝下方時流動波陣面的前沿包裹氣泡產生；水氣空洞，通常發生在底部填充膠固化時遇到基板除氣排出的水氣情況（在有機基板中更常見）；流體膠中氣泡產生空洞，由于對流體膠材料處理不當或者對收到的流體膠重新分裝引入氣泡；沾污空洞，助焊劑殘渣或其他污染源通過多種途徑產生空洞等情況。

• 影響因素多：Underfill工藝的可靠性受多種因素綜合影響，像膠水的材料特性、工藝參數（如點膠量、溫度、時間等）以及設備精度（例如點膠設備的精度影響膠水的點涂位置和量）等。

三、Underfill工藝的流程

（一）烘烤

烘烤操作人員需要確保主板處于干燥的狀態。如果開始實施底部填充膠前主板存在水分，那么填充后容易生成小氣泡。小氣泡在最后的固化環節可能會爆炸，影響到焊盤與PCB之間的粘結性，還可能導致焊錫球與焊盤脫落。在制定烘烤工藝參數時，依據PCBA重量的變化執行，特殊情況可咨詢相關材料廠商（如漢思新材料）。

（二）預熱

對主板預熱，可以提升Underfill底部填充膠的流動性。不過要注意，反復加熱可能影響PCBA質量，所以建議預熱的溫度控制在40 - 60℃這一范圍內即可。

（三）點膠

1. 點膠方式：底部填充膠的填充點膠可由操作人員手動填充或者使用機器自動填充。無論是手動還是自動填充，都需要借助膠水噴涂控制器，這個控制器的噴涂氣壓和噴涂時間設定是兩大關鍵參數，不同產品和不同的PCBA布局，這兩個參數也有所不同。

2. 點膠位置：確定點膠位置需要遵循兩個原則，一方面要盡量避免對不需要填充的元件進行填充；另一方面禁止填充物影響摳屏蔽罩。噴涂位置通常要滿足跌落試驗結果合格以及滿足企業質量要求的兩大標準，之后底部填充膠就會因毛細管虹吸作用按箭頭方向自動填充。

（四）固化

底部填充膠的固化需要經過高溫烘烤，從而加速環氧樹脂的固化時間。固化的條件需要根據填充物的特性挑選合適的底部填充膠產品。一般來說選擇真空壓力烘箱，設置150℃ - 180℃的溫度，先抽真空把大氣泡變成小氣泡，再施加較大壓力排出小氣泡，以此實現更好的固化效果。

四、Underfill工藝的應用領域

（一）在半導體封裝領域的應用

• 在一級封裝中，涵蓋傳統半導體封裝、先進半導體封裝（例如倒裝、圓精級封裝和CST）等形式。在倒裝工藝環節需要用到Underfill膠完成相應的封裝工作。尤其在先進半導體中包含的Fan - in和Fan - out封裝類型部分，Underfill工藝發揮著重要作用。例如，像一些高端芯片封裝場景，底部填充工藝使用Underfill膠來保障芯片封裝的穩定性和可靠性，其中還要關注芯片與基板之間的連接關系優化等方面的需求，這都是Underfill工藝能提供的技術支持的作用。

（二）在板級封裝等二級封裝領域的應用

在板級封裝（PCB封裝）過程中涉及到相關電子元件的封裝加固等需求場景下，Underfill工藝可以用于對BGA和CSP等封裝元件的處理。通過毛細作用讓底填劑浸透到BGA和CSP底部再加熱固化，牢固粘接CSP元件與板面，降低熱或應力對焊點的影響，增強連接強度和穩定性，提高封裝的可靠性和耐久性。在包含球柵陣列（BGA）或芯片規模封裝（CSP）技術等的二級封裝領域，Underfill對保障線路板上芯片等元件封裝可靠性是不可或缺的工序 。

（三）在特定電子元件產品中的應用

1. 與汽車電子相關的芯片、元件封裝：在汽車電子行業，芯片會面臨較為復雜的工作環境（如振動、溫度變化范圍較大等），Underfill工藝加固芯片連接、緩解應力集中、保護電路的功能十分適合汽車電子產品中的芯片封裝需求，提高產品可靠性，減少故障的發生概率，像是汽車的電子控制單元（ECU）芯片的封裝等應用場景就非常適合采用Underfill工藝。

2. 消費電子中的應用：像手機、平板電腦、數碼相機等電子產品內部包含的眾多芯片和電子元件在封裝時，Underfill工藝可確保這些芯片及元件的穩定性，滿足產品輕薄化、高性能化下對封裝技術可靠性的要求，例如手機芯片，在有限的空間內需保證各類芯片（如處理器、基帶芯片等）固定穩定并且在溫度變化、意外跌落等情況下均能正常工作，Underfill工藝能夠提供必要的保障。

五、Underfill工藝的發展趨勢

（一）材料性能持續提升

• 降低翹曲性與熱膨脹系數（CTE）：隨著芯片技術發展，FlipChip封裝要求Underfill具備低翹曲性、低熱膨脹系數等特性。為適應未來更加小型化、高性能化的芯片封裝需求，Underfill的熱膨脹系數需要進一步降低，確保在不同溫度環境下，與芯片和基板材料之間的熱膨脹相匹配性更好，降低因為熱膨脹失配而產生的應力。例如，針對一些高強度運算芯片，其在不斷提高運算速度的過程中，芯片產生的熱量會引發自身及封裝材料的熱膨脹問題，這就要求Underfill有更加匹配的熱膨脹系數。

• 提高導熱性和電屏蔽能力：為滿足高效散熱需求和電磁兼容性要求，Underfill材料的導熱性和電屏蔽能力還需提高。導熱性的增強有助于及時將芯片工作產生的熱量散發出去，保證芯片在安全的溫度下工作從而提高芯片的性能和壽命；同時，優異的電屏蔽能力可避免電子元件之間的電磁干擾，在一些對電磁要求極高的電子產品如5G通信設備中的芯片封裝中非常關鍵。

（二）精確控制工藝參數

• 設備智能化、精密化：依賴于設備朝著智能化、精密化方向發展，實現對Underfill工藝過程中的點膠量、點膠位置、固化溫度、固化時間等多個工藝參數的精確控制。利用高精度的點膠設備確保膠水均勻且準確地分布在芯片底部，同時保證每個芯片之間的一致性。舉個例子，在先進封裝中，當芯片的尺寸不斷縮小到納米級別，對膠水點涂的精度要求會顯著提高，只要有微小偏差就可能造成空洞等缺陷，所以設備精度就變得格外重要。

• 實時監測與反饋優化：在Underfill工藝過程中能實時監測各種參數，如膠水的流動狀態、固化情況等，及時反饋到控制系統，并根據收集到的數據進行自動調整工藝參數。如果發現膠水流動過程中出現流速不均勻的情況，系統根據監測到的信號能夠自動調整點膠壓力或者溫度等控制參數，使膠水流動恢復正常狀態。

（三）應對新型封裝需求

• 適應復雜3D、2.5D封裝：面對先進的3D、2.5D封裝技術需求，Underfill工藝需要做出相應調整。在這些復雜的封裝結構中，芯片之間的堆疊、互聯方式更加復雜多樣，Underfill工藝必須能夠保證在不同芯片層之間、芯片與基板之間形成可靠的填充和連接。例如在3D閃存芯片的封裝里，多層芯片垂直堆疊，Underfill工藝需要滿足復雜堆疊結構下芯片之間的應力釋放、電氣連接穩定等多種需求，為芯片在高級別的3D封裝中運行穩定性提供保障。

• 與新型封裝工藝融合：隨著新的芯片封裝工藝不斷涌現，Underfill工藝將不斷與之融合，例如與晶圓級封裝（Wafer Level Packaging）技術的融合。在晶圓切割之前就在晶圓級別實施Underfill工藝，有助于提高整個封裝流程的效率并提升產品性能，增強晶圓級封裝芯片的可靠性和穩定性，開拓Underfill工藝在新型封裝方式下的應用場景。

芯片封裝清洗介紹

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·         水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

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