众所周知，在工业现代化和信息化的当今，半导体产业已经渗透到工业领域的各个方面。尤其是近年来人工智能(AI)、工业4.0、5G、高性能计算(HPC)、物联网(IoT)、 智能汽车和数据中心等一系列高科技技术的蓬勃发展，需要高计算能力、高速度、高带宽、低延迟、低功耗、更多功能的处理器和更多的内存、各种传感器以及高度的系统级集成作为硬件支撑，这些都给半导体行业提供了前所未有的发展机遇。
以手机为代表的消费类电子产品的不断高度集成化、多功能化和轻量化，使得电子产品结构日趋紧凑，功能日趋强大，相应的电路设计更加复杂，能耗管理更加严峻，这些都对半导体的封装技术提出了全新的要求和挑战。
后摩尔定律时代，业内还在进一步探索半导体集成电路的发展方向。使得先进封装技术的重要性迅速提升起来。基于以上林林总总的原因，先进封装必将成为未来一段时间内半导体封装的主流方向。
图1 胶水在先进封装中的不同作用
BGA带来的底填胶挑战
BGA是大尺寸半导体芯片先进封装较为常用的一种方式。它的特点是大大提高了互联封装效率以适应芯片的性能，可以大幅度减小封装尺寸，适合于高密度、高性能、多引脚的芯片封装。但是毕竟只有焊锡球作为对芯片的机械连接和支持，所以抗落摔能力不强。这时候Underfill胶水作为对BGA的加固和保护，就是一个非常好的选择。
Underfill胶，也叫底部填充胶，它的作用其实不仅仅是对BGA的加固，以提高芯片抗机械外力，尤其是振动和冲击的能力。它也可以对底部的电路部分进行充分的电性能保护，起到三防的作用。看似完美无缺的BGA封装方式，也常常出现信赖性测试无法通过的窘境。业内关于BGA失效分析的文章和相关讨论很多，但很多都是把注意力放在焊锡和焊球上，而从Underfill胶水本身的性能和选型方面的分析则较少见报道。以笔者粗浅的理解，如果底填胶选择不恰当，不但无法达到其预期的对芯片加固、保护的目的，反而会成为BGA失效的帮凶。
图2 典型的BGA封装及底填胶示意图
正确选择底填胶之CTE
在选择底填胶时，首先应该考虑的因素就是其热膨胀系数，即CTE的匹配问题。电子产品一般都要经受严苛的信赖性测试，包括温度冲击和温度循环等。在此过程中温度 可能会有超过100度以上的改变，这对组装以后的电路(系统)是一个很大的荷载。如果各原材料的CTE不匹配，则内部就会产生应力。如图2所示，一个典型的BGA芯片封 装系统主要包括PCB、BGA芯片，焊锡球和Underfill底填胶。PCB的CTE一般为14ppm/ K左右，硅芯片的CTE为7ppm/K左右，而锡的CET则为大概为23ppm/K。在没有底填胶的情况下，芯片是通过焊锡与PCB板相连。在温度变化时，芯片与PCB之间，尤其在PCB平面(二维)方向，就会产生应力。假若这个应力超过某处的焊锡的局部强度时，就会导致此处焊锡开裂，从而造成BGA失效。此时，如果有Unferfill底填胶，则有可能平衡这一应力。但现实情况下，底填胶的CTE一般在 40-50ppm/K，偶尔也有声称30ppm/K，即便是在这种情况下，其实对热应力的消除也是不利的。所以，低CTE一直是业内对Underfill胶水最直接、最迫切的期盼!
德国好乐集团旗下的知名工业胶水供应商Panacol公司就开发出了一款新型的可用于先进封装中的Underfill胶St8202，此胶水的CTE只有14.9ppm/K，这样的CTE就十分 接近PCB本身的CTE，非常有效地降低了额外的热应力的干扰，从而真正起到了对BGA的加固和保护。
正确选择底填胶之杨氏模量
杨氏模量也是一个十分重要，但很容易被忽视，甚至被错误解读的概念。其实，在底填胶的CTE如果能与芯片和PCB以及焊锡的CTE很好匹配的情况下，在选择底填胶的时候，参考杨氏模量的意义并不凸显。但如上所言，目前业内还很难做到它们的完全匹配。这时，杨氏模量反而显得尤为重要了。杨氏模量是物体抵抗变形的能力。当杨氏模量大时，物体抵抗变形的能力就强，反之，则抵抗变形的能力就弱。一般而言，底填胶对BGA的机械加固作用是十分明显的，往往会有几倍的强度冗余。在这种情况下，底填胶的粘接强度往往就没有那么重要。因此，对杨氏模量数值的要求，就没有那么高;另一方面，当CTE越不匹配的时候，胶水的杨氏模量越大，其对BGA焊锡产生的内应力反而越大，就成为焊球开裂的帮凶甚至是元凶!所以，并不是底填胶的杨氏模量越大越好，反而是要根据需求选择适当偏低的模量为佳。
图3 Panacol公司用于先进封装中的Underfill胶St 8202(案例一)
正确选择底填胶之Tg
还有一个值得考虑的因素是底填胶的玻璃化转变温度Tg。这个因素有点类似于杨氏模量，当各要素之间的CTE匹配度高时，Tg的意义也不凸显，当CTE不匹配时，Tg也十分重要。业内往往希望Tg越高越好，尤其是高于可靠性测试的最高温度点。这种考虑其实是比较片面的。当CTE不匹配时，往往胶水的CTE都高于其他材料，而这时杨氏模量和Tg如果也高，则胶水由于温度变化对系统产生的应力是很大的。反而较低的杨氏模量和适中的Tg会降低内部的总体应力。由于温度改变而产生的封装系统内部应力的问题，完全可以用现代的计算机模拟手段进行计算和分析，关于此方面的内容将另文讨论。
选择底填胶，还要考虑工艺方面的诸多影响因素，比如粘度。合适的粘度可以大大降低施胶时间，提升效率，避免BGA低下有气泡产生，也避免胶水溢流;固化温度也是一个很重要的工艺参数，较低的固化温度不但可以节省能耗，更重要的是可以相对降低系统的内部应力。大大降低失效的风险;另外，胶水的可重工性、可用时间、包装方式、存储和运输温度要求以及价格等等都是要综合考虑的因素，但因其相对直观，在此不再赘述。
综上所述，对于先进封装工艺中越来越流行的Underfill底填胶，在选型的时候CTE是一个十分关键的因素，在现有的胶水体系和供应商能力范围内，选择越低CTE的底填胶对信赖性越好。但当CTE无法低到与其他材料实现很好的匹配时，反而要把关注点放到底填胶的杨氏模量和Tg点上，一般而言，要选择偏低的杨氏模量和适中的Tg以减小 由于CTE不匹配而导致的内应力，从而提升BGA的整体可靠性。
图4 Panacol公司用于先进封装中的Underfill胶St 8202(案例二)
