半導體底部填充（Underfill）技術：原理、材料、工藝與可靠性

1. 引言：底部填充在先進封裝中的作用

現代半導體封裝涉及多個互連層級，以連接集成電路（IC）芯片與最終系統。這些層級從L0（芯片內部互連，如門電路）到L4（系統級連接）不等。其中，第一級（Level 1）封裝涉及將一個或多個芯片連接到基板并進行封閉保護，而第二級（Level 2）封裝則是將封裝后的器件連接到印刷電路板（PCB）。

隨著器件復雜性和集成度的提高，球柵陣列（BGA）、倒裝芯片（Flip-Chip）等封裝技術日益普及。這些技術依賴焊點（焊球或焊凸點）實現電氣和機械連接。然而，一個主要挑戰來自于硅芯片（低CTE，約2.5 ppm/°C）與有機基板（如FR-4，高CTE，約16 ppm/°C）或陶瓷基板（如氧化鋁，約6.9 ppm/°C）之間顯著的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）失配。在器件工作經歷溫度循環時，這種失配會在焊點上引發巨大的熱機械應力，最終導致疲勞失效。

底部填充膠（Underfill）正是在這種背景下應運而生。它是一種膠粘劑材料，通常是填充了無機填料的環氧樹脂基復合材料。在大多數工藝中，它在焊點形成后被填充到芯片和基板之間的間隙中。其核心功能是機械地耦合芯片與基板，將兩者緊密連接在一起，從而顯著提高封裝組件的可靠性。

2. 底部填充的作用機理與優勢

2.1 緩解CTE失配：
當一個帶有底部填充的倒裝芯片或BGA組件經歷溫度變化時，填充于間隙中的Underfill材料會固化并牢固粘接芯片與基板。這形成了一個整體的復合結構。雖然Underfill自身也會熱脹冷縮，但它在X-Y平面（水平方向）的膨脹受到剛性相對較強的芯片和基板的限制。這種約束使得大部分由CTE失配引起的變形轉變為Z軸（垂直方向）的變形以及Underfill內部的應力，而不是集中作用于脆弱焊點的剪切應力。

2.2 “鎖”定效應：
固化后的Underfill就像一把“鎖”，將芯片和基板牢牢地固定在一起。它將原本集中在單個焊球/焊凸點上的應力，重新分布到整個被Underfill覆蓋的界面區域，并傳遞到更為堅固的基板和芯片結構上。如圖1.3所示，熱應力作用下的變形得以有效管理。這極大地減小了溫度循環過程中焊點所承受的應變，防止了剪切疲勞開裂，延長了器件的工作壽命。

2.3 底部填充的主要功能：
基于以上原理，Underfill提供以下關鍵優勢：

· 增強可靠性：顯著提高焊點在熱循環和機械沖擊下的疲勞壽命。

· 應力重新分布：減輕芯片與基板間CTE失配帶來的不利影響，避免焊球破裂。

· 環境保護：密封芯片底部和焊點，防止濕氣、離子污染、輻射等有害環境因素的侵入。

· 提高機械強度：增強組件抵抗沖擊、振動和物理損傷的能力。

· 輔助散熱：Underfill（特別是使用導熱填料時）可以作為芯片到基板的一個散熱途徑。

3. 底部填充材料的組成

Underfill是一種復雜的復合材料體系，通常包含以下組分：

· 樹脂體系：通常基于環氧樹脂（Epoxy Resin），提供粘接力和結構強度。

· 固化劑（Hardener）：與樹脂反應形成堅固的交聯網絡聚合物。常見類型包括酚醛型、胺型和酸酐型，它們賦予Underfill不同的特性（如玻璃化轉變溫度Tg、固化速度、韌性等）。

o 酚醛型：Tg較低，對凸點保護性較差，翹曲小。

o 胺型：Tg中等，對Low-K層和凸點保護性中等，翹曲中等。

o 酸酐型：Tg高，對Low-K層保護性好，對凸點保護性好，但翹曲大。

· 填料（Filler）：加入的無機顆粒，用于改性材料性能。主要作用包括：

o 降低Underfill的整體CTE，使其更接近焊料（約18-22 ppm/°C），減小應力。

o 降低固化過程中的收縮率。

o 提高導熱性。

o 提高機械強度和模量。

o 吸收固化反應放出的熱量。

o 常見填料有二氧化硅（SiO2）、氮化硼（BN）、氧化鋁（Al2O3），各自具有不同的特性（見下表，改編自原文表2.3）。

· 促進劑（Accelerator）：控制固化反應的速度。

· 偶聯劑（Coupling Agent）：改善無機填料與有機樹脂基體之間的界面結合力。

· 增韌劑（Toughening Agent）：提高材料的斷裂韌性，抵抗開裂。

· 其他添加劑：流動改性劑、潤濕劑、顏料等。

表1：常見Underfill填料的關鍵特性

4. 底部填充工藝

目前主要有三種底部填充工藝（如圖1-2所示）：

· 毛細作用底部填充（Capillary Underfill, CUF）：這是最傳統和廣泛使用的方法。

1. 芯片首先通過焊料回流焊接到基板上。

2. 通常對組件進行預熱，以降低Underfill粘度，促進流動。

3. 將液態Underfill點膠在芯片的一個或多個邊緣。

4. 利用芯片與基板之間形成的微小間隙（通常為30-100μm，毛細現象發生的最小間隙約10μm）產生的毛細管力，驅動Underfill流入并填滿整個間隙。常見的點膠路徑有單邊“一”字型、L型、U型或針對小芯片的點狀（見圖2-2）。

5. 加熱組件使Underfill固化。

o 挑戰：流動時間影響生產效率；若流動受阻或點膠不當，可能導致填充不完全或產生空洞。需要潔凈的表面以保證良好的潤濕和流動。

· 免流動底部填充（No-Flow Underfill, NFU）：

6. 在芯片貼裝之前，將Underfill材料點涂在基板的目標區域上。

7. 將芯片貼裝到涂有Underfill的基板焊盤上。

8. 將組件送入回流焊爐。高溫同時熔化焊料形成連接，并使Underfill材料固化。

o 挑戰：對助焊劑的兼容性要求高，Underfill不能干擾焊接，反之亦然。在貼片或固化過程中易產生氣穴（空洞）。

· 模塑底部填充（Molded Underfill, MUF）：（與芯片整體塑封同時完成）

9. 芯片先通過回流焊接到基板。

10. 將整個組件放入模具型腔中。

11. 注入一種特殊配方的模塑料（Molding Compound），這種材料在高壓下流動，同時完成對芯片頂部/側面的包封以及底部間隙的填充。

o 挑戰：模塑料粘度通常較高，使底部填充變得困難；需要真空輔助和優化的模具設計（如增加排氣口）來防止空洞、確保完全填充，尤其對復雜結構或窄間隙。具有高生產效率的潛力。

5. 可靠性挑戰與失效模式

盡管Underfill能帶來顯著好處，但其應用過程十分敏感，不當的工藝可能導致缺陷和失效：

· 空洞（Voids）：在Underfill流動或固化過程中產生的氣泡或未填充區域。原因包括膠水流動性差、基板/芯片表面污染或吸潮、固化過程放氣、點膠策略不當等。空洞會破壞機械結構的完整性，影響應力分布。

· 填充不完全（Incomplete Fill）：Underfill未能完全填滿芯片下方的間隙。

· 膠壩（Fillet）問題：芯片邊緣形成的Underfill膠邊的形狀或尺寸不當。邊角裂紋可能在此處萌生。

· 分層（Delamination）：Underfill與芯片鈍化層、基板阻焊層或焊盤之間失去附著力。

· 填料沉降（Filler Settling）：較重的填料顆粒在流動或固化過程中沉降，導致材料性能不均勻。

· 開裂（Cracking）：Underfill材料自身發生開裂，或由Underfill引入的應力導致芯片開裂（Die Cracking）或邊角開裂（Corner Crack）。

· 焊點斷裂（Bump Fracture）：盡管Underfill能極大緩解，但在極端條件下或存在缺陷時仍可能發生。

· 助焊劑殘留（Flux Residue）：未清理干凈的助焊劑可能影響Underfill性能。

6. 助焊劑兼容性

在需要使用助焊劑進行焊接的工藝中（特別是CUF和MUF，焊接在填充之前），殘留在基板或芯片表面的助焊劑可能對后續的Underfill產生干擾。助焊劑的成分（如松香樹脂、有機酸活化劑、溶劑等）可能與Underfill的組分（環氧樹脂、固化劑、引發劑等）發生化學反應，導致：

· 抑制或延緩Underfill的固化反應。

· 造成固化不完全，使得Underfill強度不足或發粘。

· 降低Underfill在界面處的附著力。

因此，選擇與所用助焊劑兼容的Underfill材料至關重要（或者在CUF工藝中，確保回流焊后、點膠前進行徹底清洗）。兼容性可以通過以下方法判斷：

· 切片分析：對固化后的樣品進行切片觀察，檢查界面處是否存在異常。

· 混合測試：將Underfill膠水與焊錫膏（含助焊劑）混合，按照Underfill的固化條件進行固化，然后檢查是否完全固化，有無氣泡或未固化區域。若混合后能正常固化，則表明兼容性較好。

7. 結論

半導體底部填充（Underfill）是實現高密度封裝（如倒裝芯片和BGA）高可靠性的關鍵技術。通過機械耦合芯片與基板，它有效緩解了CTE失配帶來的破壞性影響，將應力從脆弱的焊點重新分布，并提供環境保護。深入理解Underfill的作用原理、材料組成、應用工藝（CUF, NFU, MUF）以及潛在的失效模式（包括助焊劑兼容性問題），對于設計和制造穩定可靠的電子器件至關重要。精確的材料選擇和嚴格的工藝控制是充分發揮Underfill技術可靠性優勢的根本保障。

審核編輯 黃宇