BGA底部填充膠核心性能評(píng)估方法探討

徐玉文,江明華

(東莞優(yōu)邦材料科技股份有限公司，廣東 東莞 523837)

在電子行業(yè)中，封裝技術(shù)是必不可少的工序之一。封裝就是將器件的各個(gè)部件按需求合理地布置、組裝、連接，并與環(huán)境隔離從而得到保護(hù)的工藝[1]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，球狀引腳柵格陣列封裝技術(shù)(BGA)封裝芯片在電子組裝中應(yīng)用越來越廣泛，隨之而來的則是BGA芯片容易因應(yīng)力集中導(dǎo)致的可靠性質(zhì)量隱患問題[2]。為了使BGA封裝獲得更高的機(jī)械可靠性，需對(duì)BGA進(jìn)行底部填充[3]。底部填充膠是增強(qiáng)BGA組裝可靠性的重要輔料, 其性能的好壞對(duì)產(chǎn)品可靠性有很大影響。環(huán)氧膠具有其優(yōu)異的粘接性能、高耐熱性以及良好的工藝性，充分滿足了底部填充膠的性能需求，因此業(yè)界和科研人員致力于開發(fā)高性能環(huán)氧底部填充膠。程捷等以2，7-二羥基萘和環(huán)氧氯丙烷為原料合成了含萘環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂，結(jié)果表明，含萘環(huán)環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂相比，玻璃化溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg)提高了50 ℃以上，耐熱性能也明顯得到了提高[4]。對(duì)比了幾種增韌劑對(duì)環(huán)氧樹脂的增韌效果，在用量相同的情況下，幾種增韌劑對(duì)環(huán)氧樹脂都有明顯增韌效果，抗沖擊性能顯著提高；對(duì)耐熱性影響表現(xiàn)各異，其中CTBN、CSP對(duì)耐熱性幾乎沒有影響[5]。

底部填充膠對(duì)BGA封裝至關(guān)重要，但目前電子行業(yè)底部填充膠供應(yīng)商很多, 產(chǎn)品性能各異，良莠不齊, 如何選擇與評(píng)估至關(guān)重要[6-7]。膠粘劑的粘接強(qiáng)度固然是選擇時(shí)需考慮的第一要素，但電性能、化學(xué)性能、熱性能等各項(xiàng)指標(biāo)也是必不可少的[8]。通過實(shí)驗(yàn)和熱應(yīng)力分析方法，研究篩選出熱應(yīng)力較低的底部填充膠，這能有效提高 BGA封裝焊點(diǎn)的可靠性。甘祿銅根據(jù)底部填充膠可靠性要求，指出底部填充膠的熱膨脹系數(shù)(CTE)、Tg以及彈性模量(E′)等，要與PCB基材、器件的芯片和焊料合金等因素進(jìn)行匹配，且膠粘劑的Tg對(duì)CTE有著重要的影響[9]。其中CTE是指物質(zhì)在熱脹冷縮效應(yīng)作用之下，其特性隨著溫度的變化而發(fā)生變化的規(guī)律性系數(shù)，Tg表征材料的耐熱性能， E'表征材料的剛度，損耗模量(E″)反映粘彈性材料的粘性，損耗因子(tanδ)表征材料的阻尼系數(shù)[10]。通過從固化工藝、本體強(qiáng)度、E′、Tg和 CTE 等多方面的性能來看，得出綜合性能匹配性較高的底部填充膠，為底部填充膠粘劑的可靠性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)[11]。討論了熱循環(huán)下BGA封裝焊點(diǎn)的受力及蠕變情況，預(yù)測組件的疲勞壽命，并比較有無底部填充時(shí)組件的變化。結(jié)果表明，選取一種熱膨脹系數(shù)較小的環(huán)氧類底部填充膠對(duì)封裝焊點(diǎn)進(jìn)行填充，能有效的減少組件內(nèi)部應(yīng)力及焊點(diǎn)的蠕變現(xiàn)象，提高BGA封裝疲勞壽命，增強(qiáng)可靠性[12]。提出底部填充膠實(shí)際應(yīng)用評(píng)估與選擇需要重點(diǎn)關(guān)注：CTE、Tg、流動(dòng)性、與錫膏兼容性、絕緣電阻和長期可靠性。長期可靠性是底部填充膠的核心功能，它經(jīng)受溫度循環(huán)和跌落測試后，仍然要完好地包裹BGA焊點(diǎn)，不產(chǎn)生任何缺陷[13]。設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：選擇高Tg值和低CTE的底部填充膠水，可以增強(qiáng)焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。研究了幾種老化處理對(duì)底部填充膠熱機(jī)械性能和黏接性能的影響，Tg、CTE和模量的匹配對(duì)底部填充膠的綜合性能影響深遠(yuǎn)[14]。研究了軍用倒裝焊接器件的底部填充膠選型及驗(yàn)證方法，采用理論與仿真計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，選出符合軍用倒裝焊接器件的底部填充膠材料[15]。理論計(jì)算中提出，CTE是冷熱應(yīng)力產(chǎn)生的核心，而Tg則代表了變形量的突變點(diǎn)，選出符合要求的底部填充膠材料具備高Tg、低CTE和中高E’的特點(diǎn)[16-17]。由此可見，為了更好地保護(hù)BGA焊接，底部填充膠核心的性能Tg、CTE和E′必須相匹配，而如何對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行規(guī)范準(zhǔn)確地測量也成了一個(gè)重要的課題[18-19]。

本文擬使用熱動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)和熱機(jī)械分析儀(TMA)，結(jié)合底部填充膠在實(shí)際應(yīng)用過程中，跌落沖擊和高低溫循環(huán)的可靠性測試，重點(diǎn)考察底部填充膠的CTE、Tg和E′3項(xiàng)核心性能評(píng)估方法細(xì)節(jié)，簡化縮短底部填充膠的評(píng)估流程。選用BGA底部填充膠UB-38XX，采用DMA設(shè)備評(píng)估E′，不同的固化后樣條尺寸、測量模式和測試儀器不同參數(shù)(不同溫度下、升溫速率)，對(duì)這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響程度不同；采用TMA設(shè)備，評(píng)估了它的Tg/CTE，固化條件、樣條預(yù)處理及測試儀器不同參數(shù)，對(duì)Tg/CTE值也有影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料制作與方法

膠水固化模具選擇說明，使用聚四氟乙烯材質(zhì)或表面有聚四氟乙烯涂層的模具，以利于脫模。將未固化的濕膠擠出到不同厚度的條形模具中，注意減少氣泡的混入，并用刮刀刮出平整表面。在130 ℃烘箱中固化10 min，取出冷卻到室溫后脫模，得到厚度0.3、1、3 mm的膠條。下一步使用試樣沖片機(jī)和裁刀將固化好的膠條裁成合適的尺寸，用于DMA的不同測量模式，對(duì)DMA彈性模量樣條的要求如表1所示。

表1 用DMA測彈性模量的樣條尺寸要求Tab.1 Spline size requirements for elasticmodulus measurement with DMA

三點(diǎn)彎曲模式的有效夾持長度為30 mm，拉伸模式的有效夾持長度為10 mm，這是參與模量計(jì)算的樣條長度，不必測量直接輸入DMA軟件中。樣條寬和厚度在試驗(yàn)開始前用游標(biāo)卡尺測量并輸入DMA軟件中。三點(diǎn)彎曲和拉伸模式都需要在夾持樣條時(shí)給予一定的預(yù)應(yīng)力，使探頭發(fā)生100 μm以內(nèi)的位移，樣條在探頭的力作用下一直處于彈性形變的狀態(tài)。需要在試驗(yàn)的起始溫度下夾持樣條，因?yàn)闃訔l在低溫狀態(tài)下模量較高，如果先常溫夾持樣條再降溫的話，樣條會(huì)在預(yù)應(yīng)力下發(fā)生不可逆的形變。

TMA樣條同樣使用試樣沖片機(jī)和裁刀，將固化好的膠條裁成，厚度0.3～6 mm，直徑不超過6 mm的圓柱形或長寬都不超過6 mm的長方體。TMA探頭是由低CTE的石英玻璃制成，測試時(shí)不需要輸入樣品尺寸，在無樣品狀態(tài)下位移歸零，然后軟件中設(shè)置第1次測量值作為初始厚度，CTE表示在厚度方向的線性熱膨脹系數(shù)。為了消除熱歷史，以同一樣條的第2次測量曲線作為計(jì)算CTE的曲線。測量探頭一直加載可忽略的極小力，如0.02 N，使探頭與樣條保持接觸又不至于擠壓樣條。

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器：DMA動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀，梅特勒 DMA1；TMA熱機(jī)械分析儀，梅特勒 TMA/SDTA2；DHG-9070A烘箱，上海一恒；CP-25試樣沖片機(jī)，江蘇新真威。

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫程序下的E′變化和Tg計(jì)算

將UB-38XX樣條按三點(diǎn)彎曲模式、拉伸模式夾持，在DMA設(shè)置振動(dòng)頻率1 Hz，振幅5 μm，升溫速率1 K/min，升溫范圍-40～200 ℃；升溫程序下的E′變化和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)變化情況——溫度-模量曲線和溫度-損耗角正切值曲線結(jié)果，具體如圖1所示。

綜合模量曲線

由圖1可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，E′逐漸下降，并在Tg附近快速下降；損耗角正切值先升高再下降，其最大值對(duì)應(yīng)的溫度就是Tg。通過溫度-模量曲線和溫度-損耗角正切值曲線，可以得到每個(gè)溫度下的儲(chǔ)能模量、損耗模量、綜合模量、損耗角正切值、Tg。

將1 mm厚度UB-38XX樣條在升溫速率5 K/min、升溫范圍-40～250 ℃，用TMA測Tg；測試結(jié)果如圖2所示，曲線轉(zhuǎn)折前后線性膨脹部分的延長線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度表示Tg。

圖2 TMA測量TgFig.2 Test result of Tg with TMA

由圖2可知，用DMA三點(diǎn)彎曲模式和拉伸模式測試得到UB-38XX的Tg分別是135.57、134.09 ℃；這2種DMA測量模式得到的Tg基本一致。用TMA測試得到UB-38XX的Tg是129.55℃，比DMA測量結(jié)果約低6 ℃。用DMA三點(diǎn)彎曲模式和拉伸模式測試得到UB-38XX的彈性模量分別是2 536、1 652 MPa，前者較高。

2.2 不同升溫速率下的模量變化

按1、2、5 K/min的升溫速率，對(duì)同一厚度UB-38XX樣條進(jìn)行三點(diǎn)彎曲模式的E′測量；具體測量結(jié)果如圖3所示。

曲線1、2和3的升溫速率分別為1、2和3 K/min圖3 不同升溫速率下三點(diǎn)彎曲模式的E′Fig.3 E′value of three-point bending modeat different heating rates

由圖3可知，在玻璃化轉(zhuǎn)變開始前的-40～50 ℃，不同升溫速率的E′曲線基本重合，E′差異不大。從溫度50 ℃開始，樣條溫度逐漸向Tg靠近，損耗角正切值開始顯著增大，E′顯著下降。

當(dāng)升溫速率較慢時(shí)，樣條內(nèi)、外部溫度都與DMA爐體溫度趨于一致，E′更快地下降，且更早達(dá)到Tg；當(dāng)升溫速率較快時(shí)，樣條溫度滯后于爐體溫度且樣條內(nèi)、外部溫度不一致，表現(xiàn)出E’更慢地下降，Tg稍滯后出現(xiàn)。實(shí)際測量建議使用1 K/min的升溫速率，Tg滯后最小，更接近樣品的實(shí)際Tg；當(dāng)升溫速率小于1 K/min時(shí)，E′測試時(shí)間將增加，效率降低。

2.3 不同厚度樣條的E′變化

在相同升溫速率1 K/min條件下，用三點(diǎn)彎曲模式分別夾持3個(gè)不同厚度0.3、1和3 mm的UB-38XX，得到不同厚度樣條的E′曲線；具體如圖4所示。

曲線1、2和3的樣條厚度分別為0.3、1和3 mm圖4 UB-38XX不同厚度樣條的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of UB-38XX splines with different thicknesses

由圖4可知，0.3、1 mm樣條比3 mm樣條先出現(xiàn)E′下降和Tg，這與不同升溫速率對(duì)E′的影響相似；因厚的樣條內(nèi)部溫度滯后爐體溫度，會(huì)更晚出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。實(shí)際測量建議樣條厚度用1 mm，這樣Tg滯后較少；而小于1 mm的樣條增加了制樣難度，樣條中的氣泡、毛刺、凹陷更容易影響測試結(jié)果。

2.4 E′變化與返修性

底部填充膠UB-38XX在不同溫度下的彈性模量如表2所示。

表2 UB-38XX在不同溫度下的彈性模量Tab.2 Elastic modulus of UB-38XX at different temperatures

由表2可知，UB-38XX在高于150 ℃的溫度下，彈性模量快速達(dá)到50 MPa以下且后續(xù)下降趨勢減緩。這說明底部填充膠UB-38XX可以在溫度150～200 ℃條件下進(jìn)行返修，能夠簡單的物理去除掉軟化的膠層，同時(shí)返修溫度又不會(huì)高于無鉛SAC305焊錫的熔點(diǎn)。

2.5 用TMA測量底部填充膠的CTE和Tg

升起TMA爐體，在測量探頭歸零的狀態(tài)對(duì)位移歸零；然后將裁切好的UB-38XX樣條置于TMA載物臺(tái)。降溫TMA爐體，在-40～250 ℃程序升溫下測量樣條的Z軸尺寸變化情況。

對(duì)3個(gè)不同厚度0.3、1和3 mm的UB-38XX樣條，按5 K/min的升溫速率，得到不同厚度樣條的CTE變化結(jié)果情況，具體如圖5所示。

曲線1、2和3樣條厚度分別為0.3、1和3 mm圖5 不同厚度樣條的CTE變化結(jié)果Fig.5 CTE variation of splines with different thickness

由圖5可知，樣條厚度0.3 mm曲線和樣條厚度1 mm曲線變化不明顯；但Tg略有不同，0.3、1 mm厚度更快出現(xiàn)Tg；較大厚度樣條由于內(nèi)部溫度滯后爐體溫度，相對(duì)的Tg略高一點(diǎn)。

對(duì)1 mm厚度的UB-38XX樣條，分別按5、10 K/min的升溫速率得到不同升溫速率下的CTE變化結(jié)果情況，具體如圖6所示。

曲線1、2升溫速率分別為5、10 K/min圖6 不同升溫速率下的CTE變化結(jié)果Fig.6 CTE variation at different heating rates

由圖6可知，在5 K/min的升溫速率條件下更快出現(xiàn)Tg；但相對(duì)的Tg較10 K/min的升溫速率條件下略低一點(diǎn)。

在樣條厚度大于1 mm和升溫速率5 K/min條件下，Tg滯后；在樣條厚度小于1 mm和升溫速度5 K/min條件下，增加了制樣難度以及降低了測試效率。實(shí)際測量建議采用樣條厚度1 mm和升溫速率5 K/min為宜。

2 結(jié)語

底部填充膠UB-38XX使用TMA進(jìn)行CTE、Tg的測量，樣條厚度對(duì)TMA測量的CTE值幾乎沒有影響；但較厚的樣條和較快的升溫速率同樣會(huì)使Tg滯后出現(xiàn)，TMA建議用1 mm的厚度樣條和5 K/min的升溫速率進(jìn)行CTE和Tg測試。另外，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同測量模式、不同厚度樣條、不同升溫速率對(duì)彈性模量的影響，發(fā)現(xiàn)較厚的樣條和較快的升溫速率會(huì)滯后出現(xiàn)彈性模量的下降，損耗角正切值最大值也會(huì)更晚出現(xiàn)；DMA推薦使用1 K/min的升溫速率和1 mm的樣條厚度進(jìn)行彈性模量測試。同時(shí)，DMA的三點(diǎn)彎曲模式和拉伸模式測試的Tg基本相同，比TMA的Tg高6 ℃；DMA采用的三點(diǎn)彎曲模式得到的模量比拉伸模式的模量高出約50%。