真空壓力烤箱

現階段，晶片採取細小間距的球閘陣列封裝(Ball grid array，簡稱BGA)、晶片尺寸封裝(Chip scale package，簡稱CSP)封裝形式的比例越來越高，因此錫球間距(Ball pitch)小於0.25公厘 (mm)以下的焊點可靠度受到關注。主要來自於，熱應力、機械應力(彎曲、扭曲)或衝擊應力作用下，細小間距的焊點可能出現斷裂失效問題。

因此，在表面黏著製程(Surface-mount technology，簡稱SMT)後，進行底部填充膠(Underfill)製程，能有效阻止焊點本身（即結構內的最薄弱點）因為應力發生應力失效，將有效增加晶片的可靠度。

速讀Underfill製程與原理

Underfill通常使用環氧樹脂(Epoxy)，它的原理是利用毛細作用，將Epoxy塗抹在晶片的邊緣，使其滲透到晶片底部，完整包覆每一顆焊點，並加熱固化，藉此有效提高焊點的機械強度，進而提高晶片的使用壽命(圖一)。

Underfill製程多被運用在手持裝置，如手機或平板的電路板設計，來自於這些裝置必須通過嚴苛的衝擊試驗(Mechanical shock test)與震動試驗(Vibration test)，若未進行Underfill製程，手持式裝置中晶片的焊點，將無法承受如此嚴苛測試條件。

然而，在進行Underfill製程操作中，容易受到各種因素影響，或多或少會產生氣泡(Void)。這些因素包括膠管本身含有氣泡、點膠溫度及路徑、溫度固化的參數，晶片設計錫球矩陣、錫膏助焊劑成份..等，皆可能導致Underfill無法完全包覆晶片底部的錫球，大幅降低焊點保護效果。

本期宜特小學堂，將與您分享在Underfill製程中，最常產生氣泡，影響可靠度的兩種案例。

案例一: SMT製程後的焊點助焊劑(Flux)阻礙Underfill流動

在宜特可靠度驗證實驗室中，發現，Flux的殘留將阻礙Underfill流動路徑(參見圖二)，導致填充膠無法填滿晶片底部，這樣的情況下執行Underfill製程也會造成許多的氣泡。

圖二: Flux阻塞Underfill流動

宜特可靠度驗證實驗室建議，先採取清除助焊劑(Flux clean)濕式製程，將阻礙流動的異物排除。清除後，務必將PCBA烤乾後，才可接著執行Underfill製程(參見圖三)。

圖三: 水洗後，Underfill可以流滿晶片底部
案例二: Underfill無法平均滲透包覆每個焊點

隨著先進製程將晶片極小化下，錫球間距也隨之縮小，基板(Substrate)與裸晶(Die)的間隙縮小至10-30微米(um)；間隙越小，流動的速度就緩慢，進而產生空隙，因此Underfill就更難滲透，且無法平均包覆每一個焊點，因此產生氣泡。(參見圖四)

圖四: Underfill無法平均包覆每個焊點，進而產生氣泡

那麼晶片底部有氣泡會發生甚麼事情?根據宜特可靠度實驗室的觀察，實際測試後發現樣品在有溫溼度及通電的環境下，沿著Underfill Void處將會生成Dendrite(參見圖五)，容易導致錫球間短路，造成可靠度測試的電阻值異常。換句話說，若無氣泡，將能延長晶片壽命。

圖五:生成Dendrite