半導(dǎo)體底部填充（Underfill）技術(shù)：原理、材料、工藝與可靠性

1. 引言：底部填充在先進(jìn)封裝中的作用

現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝涉及多個(gè)互連層級(jí)，以連接集成電路（IC）芯片與最終系統(tǒng)。這些層級(jí)從L0（芯片內(nèi)部互連，如門電路）到L4（系統(tǒng)級(jí)連接）不等。其中，第一級(jí)（Level 1）封裝涉及將一個(gè)或多個(gè)芯片連接到基板并進(jìn)行封閉保護(hù)，而第二級(jí)（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(fù)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(shù)日益普及。這些技術(shù)依賴焊點(diǎn)（焊球或焊凸點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。然而，一個(gè)主要挑戰(zhàn)來自于硅芯片（低CTE，約2.5 ppm/°C）與有機(jī)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(shù)（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）失配。在器件工作經(jīng)歷溫度循環(huán)時(shí)，這種失配會(huì)在焊點(diǎn)上引發(fā)巨大的熱機(jī)械應(yīng)力，最終導(dǎo)致疲勞失效。

底部填充膠（Underfill）正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。它是一種膠粘劑材料，通常是填充了無機(jī)填料的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。在大多數(shù)工藝中，它在焊點(diǎn)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(jī)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(jī)理與優(yōu)勢(shì)

2.1 緩解CTE失配：
當(dāng)一個(gè)帶有底部填充的倒裝芯片或BGA組件經(jīng)歷溫度變化時(shí)，填充于間隙中的Underfill材料會(huì)固化并牢固粘接芯片與基板。這形成了一個(gè)整體的復(fù)合結(jié)構(gòu)。雖然Underfill自身也會(huì)熱脹冷縮，但它在X-Y平面（水平方向）的膨脹受到剛性相對(duì)較強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)閆軸（垂直方向）的變形以及Underfill內(nèi)部的應(yīng)力，而不是集中作用于脆弱焊點(diǎn)的剪切應(yīng)力。

2.2 “鎖”定效應(yīng)：
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(gè)焊球/焊凸點(diǎn)上的應(yīng)力，重新分布到整個(gè)被Underfill覆蓋的界面區(qū)域，并傳遞到更為堅(jiān)固的基板和芯片結(jié)構(gòu)上。如圖1.3所示，熱應(yīng)力作用下的變形得以有效管理。這極大地減小了溫度循環(huán)過程中焊點(diǎn)所承受的應(yīng)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(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

· 增強(qiáng)可靠性：顯著提高焊點(diǎn)在熱循環(huán)和機(jī)械沖擊下的疲勞壽命。

· 應(yīng)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(huán)境保護(hù)：密封芯片底部和焊點(diǎn)，防止?jié)駳?、離子污染、輻射等有害環(huán)境因素的侵入。

· 提高機(jī)械強(qiáng)度：增強(qiáng)組件抵抗沖擊、振動(dòng)和物理損傷的能力。

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

3. 底部填充材料的組成

Underfill是一種復(fù)雜的復(fù)合材料體系，通常包含以下組分：

· 樹脂體系：通?；诃h(huán)氧樹脂（Epoxy Resin），提供粘接力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

· 固化劑（Hardener）：與樹脂反應(yīng)形成堅(jiān)固的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)變溫度Tg、固化速度、韌性等）。

o 酚醛型：Tg較低，對(duì)凸點(diǎn)保護(hù)性較差，翹曲小。

o 胺型：Tg中等，對(duì)Low-K層和凸點(diǎn)保護(hù)性中等，翹曲中等。

o 酸酐型：Tg高，對(duì)Low-K層保護(hù)性好，對(duì)凸點(diǎn)保護(hù)性好，但翹曲大。

· 填料（Filler）：加入的無機(jī)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(yīng)力。

o 降低固化過程中的收縮率。

o 提高導(dǎo)熱性。

o 提高機(jī)械強(qiáng)度和模量。

o 吸收固化反應(yīng)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(jìn)劑（Accelerator）：控制固化反應(yīng)的速度。

· 偶聯(lián)劑（Coupling Agent）：改善無機(jī)填料與有機(jī)樹脂基體之間的界面結(jié)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(dòng)改性劑、潤濕劑、顏料等。

表1：常見Underfill填料的關(guān)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(xì)作用底部填充（Capillary Underfill, CUF）：這是最傳統(tǒng)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(duì)組件進(jìn)行預(yù)熱，以降低Underfill粘度，促進(jìn)流動(dòng)。

3. 將液態(tài)Underfill點(diǎn)膠在芯片的一個(gè)或多個(gè)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(xì)現(xiàn)象發(fā)生的最小間隙約10μm）產(chǎn)生的毛細(xì)管力，驅(qū)動(dòng)Underfill流入并填滿整個(gè)間隙。常見的點(diǎn)膠路徑有單邊“一”字型、L型、U型或針對(duì)小芯片的點(diǎn)狀（見圖2-2）。

5. 加熱組件使Underfill固化。

o 挑戰(zhàn)：流動(dòng)時(shí)間影響生產(chǎn)效率；若流動(dòng)受阻或點(diǎn)膠不當(dāng)，可能導(dǎo)致填充不完全或產(chǎn)生空洞。需要潔凈的表面以保證良好的潤濕和流動(dòng)。

· 免流動(dòng)底部填充（No-Flow Underfill, NFU）：

6. 在芯片貼裝之前，將Underfill材料點(diǎn)涂在基板的目標(biāo)區(qū)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(shí)熔化焊料形成連接，并使Underfill材料固化。

o 挑戰(zhàn)：對(duì)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(chǎn)生氣穴（空洞）。

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

9. 芯片先通過回流焊接到基板。

10. 將整個(gè)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(dòng)，同時(shí)完成對(duì)芯片頂部/側(cè)面的包封以及底部間隙的填充。

o 挑戰(zhàn)：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(yōu)化的模具設(shè)計(jì)（如增加排氣口）來防止空洞、確保完全填充，尤其對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或窄間隙。具有高生產(chǎn)效率的潛力。

5. 可靠性挑戰(zhàn)與失效模式

盡管Underfill能帶來顯著好處，但其應(yīng)用過程十分敏感，不當(dāng)?shù)墓に嚳赡軐?dǎo)致缺陷和失效：

· 空洞（Voids）：在Underfill流動(dòng)或固化過程中產(chǎn)生的氣泡或未填充區(qū)域。原因包括膠水流動(dòng)性差、基板/芯片表面污染或吸潮、固化過程放氣、點(diǎn)膠策略不當(dāng)?shù)?。空洞?huì)破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性，影響應(yīng)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(dāng)。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(dòng)或固化過程中沉降，導(dǎo)致材料性能不均勻。

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

· 焊點(diǎn)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(shí)仍可能發(fā)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(jìn)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(duì)后續(xù)的Underfill產(chǎn)生干擾。助焊劑的成分（如松香樹脂、有機(jī)酸活化劑、溶劑等）可能與Underfill的組分（環(huán)氧樹脂、固化劑、引發(fā)劑等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致：

· 抑制或延緩Underfill的固化反應(yīng)。

· 造成固化不完全，使得Underfill強(qiáng)度不足或發(fā)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(guān)重要（或者在CUF工藝中，確保回流焊后、點(diǎn)膠前進(jìn)行徹底清洗）。兼容性可以通過以下方法判斷：

· 切片分析：對(duì)固化后的樣品進(jìn)行切片觀察，檢查界面處是否存在異常。

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

7. 結(jié)論

半導(dǎo)體底部填充（Underfill）是實(shí)現(xiàn)高密度封裝（如倒裝芯片和BGA）高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。通過機(jī)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(yīng)力從脆弱的焊點(diǎn)重新分布，并提供環(huán)境保護(hù)。深入理解Underfill的作用原理、材料組成、應(yīng)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(duì)于設(shè)計(jì)和制造穩(wěn)定可靠的電子器件至關(guān)重要。精確的材料選擇和嚴(yán)格的工藝控制是充分發(fā)揮Underfill技術(shù)可靠性優(yōu)勢(shì)的根本保障。

審核編輯 黃宇