摘要：

介紹了一種提升表面貼裝元件粘膠加固工藝質(zhì)量的方法。歸納了表征表面貼裝元件粘膠加固工藝質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了膠體固化工藝，大幅度提升了片式元件粘膠加固的工藝質(zhì)量一致性。觀察了改進(jìn)前后膠體分布情況，以及膠體流淌對(duì)于周邊元器件的影響，簡(jiǎn)要分析了膠體固化工藝對(duì)于粘膠加固質(zhì)量的影響機(jī)理。

0 引言

混合集成電路（HIC）作為微電子領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它的發(fā)展得益于軍用電子裝備的高性能、多功能、小型化和高可靠性的要求。為應(yīng)對(duì)軍事用途中的惡劣使用環(huán)境，混合集成電路通常對(duì)內(nèi)部的表面貼裝元件（SMD）進(jìn)行加固處理，以提升電路的抗振性能及整體可靠性。

底部填充技術(shù)（Underfill Process）多用于倒裝芯片封裝技術(shù)（Flip Chip）。由于工藝過(guò)程及作用機(jī)理類似，其同樣適用于混合集成電路內(nèi)部的元件粘膠加固。元件粘膠加固工藝的原理是通過(guò)粘接劑對(duì)元件進(jìn)行底部填充，消除元件下方的鏤空區(qū)域，改善元件安裝結(jié)構(gòu)，從而提升元件的牢固性及質(zhì)量可靠性。

對(duì)于底部填充及元件粘膠加固工藝的研究工作，主要集中于元件組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粘接劑選型、粘接劑施加等方面。粘接劑固化工藝，各應(yīng)用單位一般套用粘接劑廠家提供的固化溫度及固化時(shí)間，相關(guān)研究工作開展較少。本文通過(guò)優(yōu)化粘接劑固化工藝，大幅度提升了元件粘膠加固質(zhì)量。

1 粘膠加固質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國(guó)軍標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為評(píng)價(jià)軍用混合集成電路內(nèi)部的元件牢固性，“GJB548B-2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程序”中“方法2019.2 芯片剪切強(qiáng)度”規(guī)定了片式元件剪切強(qiáng)度的測(cè)量方法，并根據(jù)殘留模式，規(guī)定了不同的失效判據(jù)，如圖 1（a）所示。本文所有關(guān)于剪切強(qiáng)度的測(cè)量，均執(zhí)行該方法。

該方法規(guī)定符合以下任一條判據(jù)的器件均應(yīng)視為失效：

a) 達(dá)不到圖 1 中 1 倍曲線所表示的剪切強(qiáng)度要求。

b) 達(dá)不到圖 1 中 1.25 倍曲線所表示的剪切強(qiáng)度要求，同時(shí)元器件在附著材料上的殘留小于附著區(qū)面積的50%。

c) 達(dá)不到圖 1 中 2 倍曲線所表示的剪切強(qiáng)度要求，同時(shí)元器件在附著材料上的殘留小于附著區(qū)面積的10%。

為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，本文將達(dá)到 2 倍曲線作為元件剪切強(qiáng)度的最低要求。本文以 0603 片式元件為試驗(yàn)樣本，其剪切強(qiáng)度計(jì)算以《火炬牌軍用電容器選項(xiàng)指南》提供的尺寸為依據(jù)。根據(jù) 2 倍曲線，計(jì)算 0603 片式元件剪切強(qiáng)度下限約為 15.4 牛頓。

1.2 企業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

GJB548 僅明確了元件剪切強(qiáng)度的下限，并未對(duì)剪切強(qiáng)度的一致性做出規(guī)定，不利于控制底部填充工藝的質(zhì)量一致性。對(duì)于高可靠性應(yīng)用，一般要求同一只電路中，相同封裝的元件的剪切強(qiáng)度的極商小于 3。現(xiàn)代企業(yè)常采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制技術(shù)（SPC）及制程能力指數(shù)（CPK 值）評(píng)估制程能力，本文以剪切強(qiáng)度均值的 0.5 倍和 1.5 倍為上下限，計(jì)算 CPK 值。CPK 值越高，代表剪切強(qiáng)度一致性越高，企業(yè)一般要求 CPK 值大于 1.33。

2 固化條件優(yōu)化

2.1 影響因素確定

粘接劑固化工藝，采用電熱鼓風(fēng)烘箱進(jìn)行，多采用隨爐升溫的固化方式。為改善粘接劑在元件底部的流動(dòng)性能，提高填充率從而提升剪切強(qiáng)度，本文采用預(yù)固化工藝。即在烘箱穩(wěn)定于預(yù)固化溫度后，再放入電路進(jìn)行預(yù)固化，完成預(yù)固化時(shí)間后，再隨爐升溫到固化溫度并按固化時(shí)間進(jìn)行固化。

固化工藝的影響因素包括：預(yù)固化溫度、預(yù)固化時(shí)間、固化溫度、固化時(shí)間。本文選用的粘接劑廠家推薦的固化條件為 150℃固化 30 分鐘。由于固化溫度由材料特性確定，不宜變更，故重點(diǎn)研究其余三個(gè)因素：預(yù)固化溫度、預(yù)固化時(shí)間、固化時(shí)間。

2.2 首次正交試驗(yàn)

按表 1 選定因素水平。按表 2 進(jìn)行正交試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按表 3、表 4 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)果見圖 1（b）、圖 2（a）、圖 2（b）、圖 3（a）。

其中：L 1 ~ L 4 是某一實(shí)驗(yàn)分組獲得的所有剪切強(qiáng)度值的平均值。C 1 ~C 4 是某一實(shí)驗(yàn)分組獲得的所有剪切強(qiáng)度值的 CPK 值。K 1 ~ K 2 是某一因素某一水平對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度平均值，代表其它因素綜合作用相同時(shí)，該因素在該水平時(shí)的綜合剪切強(qiáng)度平均值。K 是某一因素對(duì)剪切強(qiáng)度平均值的影響因子，代表該因素對(duì)于剪切強(qiáng)度平均值影響的顯著性。k 1 ~ k 2 是某一因素某一水平對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度 CPK 值，代表其它因素綜合作用相同時(shí)，該因素在該水平時(shí)的綜合剪切強(qiáng)度 CPK 值。k 是某一因素對(duì)剪切強(qiáng)度 CPK 值的影響因子，代表該因素對(duì)于剪切強(qiáng)度 CPK 值影響的顯著性。

在本次試驗(yàn)所選取的因素和水平范圍內(nèi)：對(duì)于剪切強(qiáng)度平均值，預(yù)固化溫度的影響≈預(yù)固化時(shí)間的影響<固化時(shí)間的影響；對(duì)于剪切強(qiáng)度 cpk="">預(yù)固化時(shí)間的影響>固化時(shí)間的影響。當(dāng)預(yù)固化溫度升高，預(yù)固化時(shí)間延長(zhǎng)，固化時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，剪切強(qiáng)度的平均值及 CPK 值均程上升態(tài)勢(shì)。因此，在第二次正交試驗(yàn)中，選擇更高的預(yù)固化溫度、更長(zhǎng)的預(yù)固化時(shí)間、更長(zhǎng)的固化時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 第二次正交試驗(yàn)

按表 5 選定因素水平。按表 6 進(jìn)行正交試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按表 7、表 8 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)果見圖 3（b）、圖 4（a）、圖 4（b）、圖 5（a）。

在本次試驗(yàn)所選取的因素和水平范圍內(nèi)：對(duì)于剪切強(qiáng)度平均值，預(yù)固化溫度的影響>固化時(shí)間的影響,預(yù)固化時(shí)間的影響較小可忽略；對(duì)于剪切強(qiáng)度 CPK 值，預(yù)固化溫度的影響>預(yù)固化時(shí)間的影響>固化時(shí)間的影響。當(dāng)預(yù)固化溫度升高，預(yù)固化時(shí)間延長(zhǎng)，固化時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，剪切強(qiáng)度平均值及 CPK 值均程上升態(tài)勢(shì)。因此，選擇與固化溫度相同的預(yù)固化溫度，如此則將預(yù)固化時(shí)間并入固化時(shí)間一并考慮，重點(diǎn)研究固化時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度的影響。

2.4 固化時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

固化時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，如表 9、圖 5（b）、圖 6（a）所示。隨固化時(shí)間的延長(zhǎng)，剪切強(qiáng)度均值和剪切強(qiáng)度 CPK 值均程上升趨勢(shì)，當(dāng)固化時(shí)間大于 150 分鐘時(shí)，上升趨勢(shì)明顯放緩，考慮到固化周期及產(chǎn)能因素，確定固化時(shí)間為 150 分鐘。

2.5 改進(jìn)前后對(duì)比

通過(guò)優(yōu)化固化工藝，大幅度提升了元件剪切強(qiáng)度平均值及 CPK 值，大幅度超過(guò) GJB548 要求的 15.4牛頓，見表 10。

3 粘膠加固后質(zhì)量檢驗(yàn)

試驗(yàn)樣品均采用自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行粘膠加固工藝，以保證膠體施加的質(zhì)量一致性，如圖 6（b）所示。剪切力測(cè)試完畢后，收集剪切脫落的片式元件和基板，觀察片式元件底部和基板上的膠體殘留情況，如圖 7、圖 8 所示。改進(jìn)前，片式元件底部與基板之間的縫隙存在較大空洞，未被膠體填充，影響了片式元件的剪切強(qiáng)度。改進(jìn)后，片式元件底部與基板之間的縫隙完全被膠體填充，片式元件剪切強(qiáng)度平均值和 CPK 值均明顯提升。

4 膠體流散的影響

元件加固膠的主要成分為環(huán)氧樹脂，在高溫下粘度降低、流淌性增加。膠體一旦流動(dòng)并沾污其他元器件，可能造成電路返工甚至報(bào)廢。元件粘膠加固工藝，必須減少膠體流散對(duì)于周邊元器件的影響。由于膠體邊界不易測(cè)量，且常規(guī)的平面點(diǎn)膠試驗(yàn)無(wú)法驗(yàn)證電路內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的影響，因此，本文模擬電路實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種用于衡量膠體流散程度的試驗(yàn)，如圖 9（a）所示。元件組裝、粘膠加固、金絲鍵合均采用自動(dòng)設(shè)備，保證與正式生產(chǎn)過(guò)程一致，將膠體邊界設(shè)計(jì)為緊貼鍵合金絲壓焊點(diǎn)，并觀察改進(jìn)前后膠體邊界與壓焊點(diǎn)的位置關(guān)系。如圖 10 所示，改進(jìn)前后，膠體邊界與壓焊點(diǎn)的位置關(guān)系沒有明顯變化，說(shuō)明改進(jìn)措施在

改善了元件底部膠體填充的同時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致膠體流散及沾污。

如圖 9（b）所示，膠體在片式元件底部與基板之間間隙的填充，存在毛細(xì)作用，膠體粘度的降低可以顯著改善填充效果。在膠體外邊界位置，不存在毛細(xì)作用，因此膠體粘度降低對(duì)于膠體流淌的影響不大。

5 機(jī)理分析

元器件剪切強(qiáng)度平均值及 CPK 值，取決于粘接劑在元件底部的填充率及粘接劑的固化度。

粘接劑在元件底部的填充率取決于粘接劑的粘度及流動(dòng)時(shí)間。生產(chǎn)過(guò)程表明，本文所使用的粘接劑在固化過(guò)程中，其粘度發(fā)生顯著變化所需的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘接劑在該粘度下填充元件底部所需的時(shí)間，因此，填充率主要取決于粘接劑所能夠達(dá)到的最低粘度，而不是粘接劑在最低粘度維持的時(shí)間。即粘接劑所能達(dá)到的最低粘度越低，粘接劑就能夠填充更多的元件底部面積，獲得更高的填充率。

對(duì)于聚合物體系，一般具有固化度越低，粘度越低的特性。在圖 11（a）中，“溫度-時(shí)間曲線”下方的面積反映了粘接劑的固化度。樣品溫度剛達(dá)到 150℃時(shí)，“150℃預(yù)固化曲線”下方的面積 B 小于“隨爐升溫曲線”下方的面積 A。因此，此時(shí)“150℃預(yù)固化樣品”與“隨爐升溫樣品”相比，固化度更低，粘度更低。圖 11（b）中的“粘度-時(shí)間曲線”表明，樣品在溫度剛達(dá)到 150℃時(shí)，獲得最低粘度。“150℃預(yù)固化樣品”與“隨爐升溫樣品”相比，最低粘度更低，因此能夠獲得更高的填充率、剪切強(qiáng)度平均值及 CPK值。

延長(zhǎng)粘接劑固化時(shí)間，有助于提升粘接劑的固化度，增加粘接劑在分子尺度上的交聯(lián)固化，可以有效消除內(nèi)部缺陷，提升元件剪切強(qiáng)度的平均值及 CPK 值。

6 結(jié)論

本文通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化粘接劑固化工藝，顯著提升了片式元件粘膠加固質(zhì)量，大幅度提升了元件剪切強(qiáng)度平均值及 CPK 值。主要措施是：通過(guò)提升粘接劑的預(yù)固化溫度，降低粘接劑在固化過(guò)程中的最低粘度，提升粘接劑在元件底部的填充率；通過(guò)延長(zhǎng)粘接劑的固化時(shí)間，提升粘接劑的固化度。同時(shí)，正交試驗(yàn)的采用有效減少了試驗(yàn)次數(shù)，提升了試驗(yàn)效率。

本文提出的優(yōu)化固化工藝的方法成本低、見效快，對(duì)于片式元件粘膠加固工藝優(yōu)化具有一定借鑒意義。但是，固化工藝對(duì)于元件底部填充質(zhì)量的影響，很大程度上取決于粘接劑的材料特性，對(duì)于不同的粘接劑，還必須開展針對(duì)性的試驗(yàn)驗(yàn)證。