充膠的有效使用要求摻和許多的因素，包括產(chǎn)品設(shè)計問題，來適應(yīng)充膠工藝和產(chǎn)品需要。
隨著電路的密度增加和產(chǎn)品形式因素的消除，電子工業(yè)已出現(xiàn)許許多多的新方法，將芯片級(chip-level)的設(shè)計更緊密地與板級(board-level)裝配結(jié)合在一起。在某種程度上，諸如倒裝芯片(flip chip)和芯片級包裝(CSP, chip scale package)等技術(shù)的出現(xiàn)事實上已經(jīng)模糊了半導(dǎo)體芯片(semiconductor die)、芯片包裝方法與印刷電路板(PCB)裝配級工藝之間的傳統(tǒng)劃分界線。雖然這些新的高密度的芯片級裝配技術(shù)的優(yōu)勢是非常重要的，但是隨著更小的尺寸使得元件、連接和包裝對物理和溫度的應(yīng)力更敏感，選擇最好的技術(shù)配制和達(dá)到連續(xù)可靠的生產(chǎn)效果變得越來越困難。
改善可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在芯片與基板之間填充材料，以幫助分散來自溫度變化和物理沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力。不幸的是，還沒有清晰的指引來說明什么時侯應(yīng)使用充膠和怎樣最好地采用充膠方法滿足特殊的生產(chǎn)要求。本文將探討有關(guān)這些問題的一些最近的想法。
一、為什么充膠？
考慮使用底部灌充密封膠的最初的想法是要減少硅芯片(silicon die)與其貼附的下面基板之間的總體溫度膨脹特性不匹配所造成的沖擊。對傳統(tǒng)的芯片包裝，這些應(yīng)力通常被引線的自然柔性所吸收。可是，對于直接附著方法，如錫球陣列，焊錫點本身代表結(jié)構(gòu)內(nèi)的最薄弱點，因此最容易發(fā)生應(yīng)力失效。不幸的是，它們也是最關(guān)鍵的，因為在任何連接點上的失效都將毀滅電路的功能。通過緊密地附著于芯片，焊錫球和基板，填充的材料分散來自溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)不匹配和對整個芯片區(qū)域的機械沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力。
充膠的第二個好處是防止潮濕和其它形式的污染。負(fù)面上，充膠的使用增加了制造運行的成本，并使返修困難。由于這一點，許多
PCBA制造商在回流之后、充膠之前進行快速的功能測試。
二、決定何時充膠
因為存在不下五十種不同的CSP設(shè)計1，加上無數(shù)的變量與涉及連接設(shè)計的操作條件，所以很難提供一個確切的規(guī)則決定何時使用充膠。可是，在設(shè)計PCB時有許多關(guān)鍵因素應(yīng)該考慮進去。一些重要因素包括：
芯片與基板之間溫度膨脹系數(shù)(CTE)的不同。硅的CTE為2.4 ppm；典型的PCB材料的CTE為16 ppm。陶瓷材料可以按匹配的CTE來設(shè)計，但95%的礬土陶瓷的CTE為6.3 ppm。充膠在基于PCB的包裝上需要較大，雖然在陶瓷基板上也顯示充膠后的可靠性增加。一個替代方法是使用插入結(jié)構(gòu)的基板，如高CTE的陶瓷或柔性材料，作為芯片與主基板之間的吸振材料，它可減輕PCB與硅芯片之間的CTE差別。
三、芯片(die)尺寸
通常，芯片面積越大，應(yīng)力誘發(fā)的問題越多。例如，一項研究表明，當(dāng)芯片尺寸由6.4增加到9.5mm時，連接所能忍受的從-40 ~ 125°C的溫度周期的數(shù)量由1500次減少到900次2。
錫球尺寸與布局在充膠評估上扮演重要角色，因為較大的球尺寸，如那些CSP通常采用的300μ的直徑，更牢固、可比那些倒裝芯片(flip chip)所采用的75μ直徑更好地經(jīng)受應(yīng)力。假設(shè)CSP與倒裝芯片的一個兩元焊接點的相對剪切應(yīng)力是相似的，那么CSP焊接點所經(jīng)受的應(yīng)力大約為倒裝芯片的四分之一。因此，CSP的設(shè)計者認(rèn)為焊錫球結(jié)構(gòu)本身可以經(jīng)得起基板與芯片溫度膨脹所產(chǎn)生的機械應(yīng)力。后來的研究顯示充膠(underfill)為CSP提供很高的可靠性優(yōu)勢，特別在便攜式應(yīng)用中。在布局問題上，一些PCB設(shè)計者發(fā)現(xiàn)，增加芯片角上焊盤的尺寸可增加應(yīng)力阻抗，但這個作法并不總是實用或不足以達(dá)到可靠性目標(biāo)。
四、系統(tǒng)PCB厚度
經(jīng)驗顯示較厚的PCB剛性更好，比較薄的板抵抗更大的沖擊造成的彎曲力。例如，一項分析證明，將FR-4基板的厚度從0.6mm增加到1.6mm，可將循環(huán)失效(cycles-to-failure)試驗的次數(shù)從600次提高到900次3。不幸的是，對于今天超細(xì)元件(ultra-small device)，增加基板厚度總是不現(xiàn)實的。事實上，每增加一倍的基板厚度提高大約兩倍的可靠性改善，但芯片尺寸增加一倍造成四倍的降級4。
使用環(huán)境。在最后分析中，最重要的因素通常要增加所希望的產(chǎn)品生命力。例如，對手?jǐn)y設(shè)備(手機、擴機等)的規(guī)格普遍認(rèn)同的就是，在-40 ~ 125°C的溫度循環(huán)1000次和從水泥地面高出一米掉落20~30次之后仍可使用正常功能。
對溫度循環(huán)的研究已經(jīng)顯示充膠的使用可提供-40 ~ 125°C的溫度循環(huán)次數(shù)增加四倍，有些充膠后的裝配在多達(dá)2000次循環(huán)后還不失效5。當(dāng)權(quán)衡那些暴露在越來越惡劣的環(huán)境中的設(shè)備現(xiàn)場失效(即退貨、信譽損失等)成本時，許多制造商正積極地轉(zhuǎn)向把底部充膠作為一個可靠性的保險政策。
五、滴膠的挑戰(zhàn)
一旦作出決定使用充膠方法，就必須考慮到一系列的挑戰(zhàn)，以有效的實施工藝過程，取得連續(xù)可靠的結(jié)果，同時維持所要求的生產(chǎn)量水平。這些關(guān)鍵關(guān)鍵問題包括：
得到完整的和無空洞的(void-free)芯片底部膠流
在緊密包裝的芯片周圍分配膠
避免污染其它元件
通過射頻(RF)外殼或護罩的開口滴膠
控制助焊劑殘留物。
六、取得完整和無空洞的膠流
因為填充材料必須通過毛細(xì)管作用(capillary action)吸入芯片底部，所以關(guān)鍵是要把針嘴足夠靠近芯片的位置，開始膠的流動。必須小心避免觸碰到芯片或污染芯片(die)的背面。一個推薦的原則是將針嘴開始點的定位在針嘴外徑的一半加上0.007"的X-Y位移上，Z的高度為基板上芯片(chip)高度的80%。在整個滴膠過程中，也要求精度控制以維持膠的流動，而避免損傷和污染芯片(die)。
為了最佳的產(chǎn)量，經(jīng)常希望一次過地在芯片多個邊同時滴膠。可是，相反方向的膠的流動波峰(wave front)以銳角相遇可能產(chǎn)生空洞。應(yīng)該設(shè)計滴膠方式，產(chǎn)生只以鈍角聚合的波峰。
七、芯片數(shù)量和鄰近關(guān)系
當(dāng)設(shè)計一個板上有緊密包裝的芯片(die)需要底部充膠時，板的設(shè)計者需要留下足夠的空間給滴膠針嘴。兩個芯片共用一個滴膠路線是一個可接受的滴膠方法。與芯片邊緣平行的無源元件將有擋住的作用。與芯片邊緣成90°位置的元件可能會把膠液從要填充的元件吸引開。無源元件周圍的填充材料沒有發(fā)現(xiàn)壞的作用。來自鄰近芯片或無源元件的交叉的毛細(xì)管作用，會將填充材料從目的元件吸引開，可能造成CSP或倒裝芯片底下的空洞。
在大多數(shù)應(yīng)用中，21或22號直徑的針嘴是元件底部充膠的良好選擇。較小直徑的針嘴對液態(tài)流動的阻力大，其結(jié)果是滴膠速度慢。可是，有時有必要通過使用小直徑的針嘴來減少圓角尺寸，保持膠流遠(yuǎn)離其它元件。
有時可能使用多頭滴膠系統(tǒng)來處理這些問題，預(yù)先使用較高粘性的、不會在底下流動的材料，在相鄰元件周圍滴出一個堤擋。在隨后的滴膠過程中，該堤擋有效地阻止任何不需要的毛細(xì)管流動到鄰近元件底下。
八、通過開口滴膠
隨著底部充膠在RF裝配中使用的增加，經(jīng)常要挑戰(zhàn)滴膠工藝，在RF屏蔽蓋已經(jīng)裝配好之后來實施充膠工藝。為了最佳的生產(chǎn)效率，通常要考慮在其它元件貼裝的同時來定位RF屏蔽蓋，在一次過的回流焊接中，將所有東西焊接好。因此，產(chǎn)品和工藝設(shè)計者必須合作，為底部充膠在屏蔽蓋上留下足夠的開口。設(shè)計者還必須避免把芯片放得太靠近RF屏蔽蓋，因為毛細(xì)管作用或高速滴膠可能會讓填充材料流到RF屏蔽蓋內(nèi)和CSP或倒裝芯片之上。如果元件與蓋之間的間隙小，那么滴填充材料的速度將受到限制，來避免填充在元件之上。減慢滴膠速率，將減慢裝配過程，限制產(chǎn)量。移到另一個孔或元件，又回到第一個孔滴多一些膠，這可能會有一點位移。可是，這涉及了多個運動，再一次降低產(chǎn)量。
Schwiebert和Leong給出了一個填充膠流速率的方程式。
流動時間為：
t = 3 μL2/[h λcos(φ)]
這里：
t = 時間(秒)
μ = 流體粘度
L = 流動距離
h = 間隙或錫球高度
φ = 接觸或濕潤角
λ = 液體蒸汽界面的表面張力
(這些參數(shù)的值需要在液體滴膠溫度，通常90°C時獲得。)
大多數(shù)PCBA制造商的泵和閥可將液體送到CSP或倒裝芯片，速度比材料在芯片底下可流動的較快。芯片底下液體的體積/重量還需要確定8。一旦這些數(shù)確定后，對流動速率作第一次近似計算，決定是否所以液體應(yīng)該一次滴下或者小量多次滴下。典型的工藝是：當(dāng)液體在第一個元件底下流動的同時，移動到第二個元件滴膠，再返回到第一個位置完成。例如，如果第一個元件的材料數(shù)量為20mg，并分成兩個滴膠周期，那么必須要一個可準(zhǔn)確滴出10mg數(shù)量的滴膠系統(tǒng)。
九、控制助焊劑殘留
經(jīng)驗顯示，存在過多的助焊劑殘留可能對充膠過程有負(fù)面的影響。這是因為填充材料附著于助焊劑殘留，而不附著于所希望的錫球、芯片和基板，造成空洞、拖尾和其它不連續(xù)性。而有研究6表明，在滴膠填充之前清潔芯片底部可看到溫度循環(huán)改善達(dá)五倍，事實上，增加這樣一個工藝步驟有背于現(xiàn)時的工業(yè)趨勢，也會負(fù)面影響整體產(chǎn)量。一個更實際的替代方法是，通過諸如有選擇性的噴射助焊劑等技術(shù)，提供對上助焊劑操作的更好的過程控制。選擇性噴射助焊劑可能在使用不同球直徑(75 對 300μ)倒裝芯片和CSP的混合技術(shù)設(shè)計中是特別有用的，因為每個元件座的助焊劑數(shù)量可由軟件控制，為每個元件類型提供確切的助焊劑厚度。
十、優(yōu)化滴膠精度、靈活性和過程控制
準(zhǔn)確的和可重復(fù)的填充劑滴膠是高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中最重要的，特別是當(dāng)要求連續(xù)的10mg范圍的超小射點尺寸的時候。
填充劑的滴膠要求精確的泵壓作用，其流動速率永遠(yuǎn)不會隨粘性、針嘴直徑等的變化而變化。填充液體的準(zhǔn)確的體積控制可通過使用完全線性的變?nèi)荼?positive-displacement pump)來獲得，該泵使用一個活塞總是排出所要求的準(zhǔn)確體積，不管膠點大還是小。另外，滴膠系統(tǒng)需要結(jié)合閉環(huán)反饋，使用高精度的比重測量來提供精確的對所滴液體體積的實時控制。最后，滴膠系統(tǒng)必須結(jié)合高精度、可編程的運動系統(tǒng)，使得可以對許多不同的滴膠形式作靈活的應(yīng)用，而且不犧牲整體的產(chǎn)量。
十一、結(jié)論
充膠的有效使用要求廣泛的摻和許多的因素，包括產(chǎn)品設(shè)計問題來適應(yīng)充膠過程，和包括充膠工藝設(shè)計來適應(yīng)產(chǎn)品需要。針對芯片級設(shè)計要求所要達(dá)到的準(zhǔn)確和靈活的充膠，必然涉及到產(chǎn)品設(shè)計者、制造工藝工程師、膠水配制者和滴膠系統(tǒng)供應(yīng)商之間的合作伙伴關(guān)系。
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