一、Underfill工艺的定义

Underfill工艺是一种集成电路封装工艺，在倒装芯片边缘点涂环氧树脂胶水，通过毛细管效应完成底部填充过程，接着在加热条件下使胶水固化。此工艺旨在缓解芯片封装时不同材料间热膨胀系数不匹配带来的应力集中问题，是提高器件封装可靠性的重要手段。

在实际的芯片封装应用场景中，底部填充胶可分为倒装芯片底部填充胶（Flip - Chip Underfill）和（焊）球栅阵列底部填充胶（BGA Underfill）。其中，倒装芯片底部填充胶用于芯片与封装基板互连凸点之间间隙的填充，其精度能达到微米级，专为先进封装企业服务；而球栅阵列底部填充胶用于封装基板与PCB印制电路板之间互连的焊球之间的填充，焊球间隙精度为毫米级，对底部填充胶要求相对较低。

二、Underfill工艺的特点

（一）胶水特性方面

• 材料组成：底部填充胶主要由环氧树脂、固化剂、填料和其他成分组成。其中填料通常会使用60 - 70%重量的无定形熔融二氧化硅，该填料能够降低底部填充材料的热膨胀系数（CTE）。否则，固化聚合物若没有填料的话，会造成不可接受的焊点应变。

• 材料类型：底部填充胶被配制成热固性塑料而非热塑性塑料。这是因为无溶剂的高性能热塑性塑料的粘度太高，不利于封装工艺，而热固性的底部填充胶在封装后需要加热固化，完全固化对优化粘合力、玻璃化转变温度（Tg）和模量等性能意义非凡，多数底部填充胶会在150℃ - 180℃温度下采用真空压力烘箱进行固化以便除泡，过程为先抽真空把大气泡变成小气泡，再用大压力排出小气泡。

（二）工艺对封装的作用方面

• 缓解应力集中：在先进封装如2.5D、3D封装中，Underfill胶水能够有效缓解芯片封装时不同材料间热膨胀系数（CTE）不匹配造成的应力集中现象。它能够吸收温度循环过程中的CTE失配应力，避免焊点断裂而导致的开路或功能失效，从而保障芯片在温度变化较大环境中的正常运行，延长电子产品使用寿命，提高封装可靠性。

• 加固连接与提供保护：Underfill胶水可以大面积填充BGA（球栅阵列）底部空隙（一般覆盖面积达80%以上，甚至到95%以上），极大地加固了芯片与基板之间的连接，增强整体机械结构强度。同时，对底部电路具备良好的电性能保护作用，可防水、防尘、防腐蚀，提升电子产品整体可靠性，还具有优异的翻修性能使后续维修工作更加便利。

• 改善电气和热性能：在倒装芯片封装场景中，Underfill胶水有助于实现芯片和基板之间的密集互连，进而改善电气性能和热性能。虽然并非所有类型的底部填充胶都有良好导热性，但部分专门设计的材料能够帮助热量从芯片传导到PCB或散热器上，提高整个系统的散热效率。

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（三）工艺存在的问题方面

• 空洞问题：这是Underfill工艺在使用过程中面临的主要问题。具体分为流动型空洞，即底部填充胶流经芯片和封装下方时流动波阵面的前沿包裹气泡产生；水气空洞，通常发生在底部填充胶固化时遇到基板除气排出的水气情况（在有机基板中更常见）；流体胶中气泡产生空洞，由于对流体胶材料处理不当或者对收到的流体胶重新分装引入气泡；沾污空洞，助焊剂残渣或其他污染源通过多种途径产生空洞等情况。

• 影响因素多：Underfill工艺的可靠性受多种因素综合影响，像胶水的材料特性、工艺参数（如点胶量、温度、时间等）以及设备精度（例如点胶设备的精度影响胶水的点涂位置和量）等。

三、Underfill工艺的流程

（一）烘烤

烘烤操作人员需要确保主板处于干燥的状态。如果开始实施底部填充胶前主板存在水分，那么填充后容易生成小气泡。小气泡在最后的固化环节可能会爆炸，影响到焊盘与PCB之间的粘结性，还可能导致焊锡球与焊盘脱落。在制定烘烤工艺参数时，依据PCBA重量的变化执行，特殊情况可咨询相关材料厂商（如汉思新材料）。

（二）预热

对主板预热，可以提升Underfill底部填充胶的流动性。不过要注意，反复加热可能影响PCBA质量，所以建议预热的温度控制在40 - 60℃这一范围内即可。

（三）点胶

1. 点胶方式：底部填充胶的填充点胶可由操作人员手动填充或者使用机器自动填充。无论是手动还是自动填充，都需要借助胶水喷涂控制器，这个控制器的喷涂气压和喷涂时间设定是两大关键参数，不同产品和不同的PCBA布局，这两个参数也有所不同。

2. 点胶位置：确定点胶位置需要遵循两个原则，一方面要尽量避免对不需要填充的元件进行填充；另一方面禁止填充物影响抠屏蔽罩。喷涂位置通常要满足跌落试验结果合格以及满足企业质量要求的两大标准，之后底部填充胶就会因毛细管虹吸作用按箭头方向自动填充。

（四）固化

底部填充胶的固化需要经过高温烘烤，从而加速环氧树脂的固化时间。固化的条件需要根据填充物的特性挑选合适的底部填充胶产品。一般来说选择真空压力烘箱，设置150℃ - 180℃的温度，先抽真空把大气泡变成小气泡，再施加较大压力排出小气泡，以此实现更好的固化效果。

四、Underfill工艺的应用领域

（一）在半导体封装领域的应用

• 在一级封装中，涵盖传统半导体封装、先进半导体封装（例如倒装、圆精级封装和CST）等形式。在倒装工艺环节需要用到Underfill胶完成相应的封装工作。尤其在先进半导体中包含的Fan - in和Fan - out封装类型部分，Underfill工艺发挥着重要作用。例如，像一些高端芯片封装场景，底部填充工艺使用Underfill胶来保障芯片封装的稳定性和可靠性，其中还要关注芯片与基板之间的连接关系优化等方面的需求，这都是Underfill工艺能提供的技术支持的作用。

（二）在板级封装等二级封装领域的应用

在板级封装（PCB封装）过程中涉及到相关电子元件的封装加固等需求场景下，Underfill工艺可以用于对BGA和CSP等封装元件的处理。通过毛细作用让底填剂浸透到BGA和CSP底部再加热固化，牢固粘接CSP元件与板面，降低热或应力对焊点的影响，增强连接强度和稳定性，提高封装的可靠性和耐久性。在包含球栅阵列（BGA）或芯片规模封装（CSP）技术等的二级封装领域，Underfill对保障线路板上芯片等元件封装可靠性是不可或缺的工序 。

（三）在特定电子元件产品中的应用

1. 与汽车电子相关的芯片、元件封装：在汽车电子行业，芯片会面临较为复杂的工作环境（如振动、温度变化范围较大等），Underfill工艺加固芯片连接、缓解应力集中、保护电路的功能十分适合汽车电子产品中的芯片封装需求，提高产品可靠性，减少故障的发生概率，像是汽车的电子控制单元（ECU）芯片的封装等应用场景就非常适合采用Underfill工艺。

2. 消费电子中的应用：像手机、平板电脑、数码相机等电子产品内部包含的众多芯片和电子元件在封装时，Underfill工艺可确保这些芯片及元件的稳定性，满足产品轻薄化、高性能化下对封装技术可靠性的要求，例如手机芯片，在有限的空间内需保证各类芯片（如处理器、基带芯片等）固定稳定并且在温度变化、意外跌落等情况下均能正常工作，Underfill工艺能够提供必要的保障。

五、Underfill工艺的发展趋势

（一）材料性能持续提升

• 降低翘曲性与热膨胀系数（CTE）：随着芯片技术发展，FlipChip封装要求Underfill具备低翘曲性、低热膨胀系数等特性。为适应未来更加小型化、高性能化的芯片封装需求，Underfill的热膨胀系数需要进一步降低，确保在不同温度环境下，与芯片和基板材料之间的热膨胀相匹配性更好，降低因为热膨胀失配而产生的应力。例如，针对一些高强度运算芯片，其在不断提高运算速度的过程中，芯片产生的热量会引发自身及封装材料的热膨胀问题，这就要求Underfill有更加匹配的热膨胀系数。

• 提高导热性和电屏蔽能力：为满足高效散热需求和电磁兼容性要求，Underfill材料的导热性和电屏蔽能力还需提高。导热性的增强有助于及时将芯片工作产生的热量散发出去，保证芯片在安全的温度下工作从而提高芯片的性能和寿命；同时，优异的电屏蔽能力可避免电子元件之间的电磁干扰，在一些对电磁要求极高的电子产品如5G通信设备中的芯片封装中非常关键。

（二）精确控制工艺参数

• 设备智能化、精密化：依赖于设备朝着智能化、精密化方向发展，实现对Underfill工艺过程中的点胶量、点胶位置、固化温度、固化时间等多个工艺参数的精确控制。利用高精度的点胶设备确保胶水均匀且准确地分布在芯片底部，同时保证每个芯片之间的一致性。举个例子，在先进封装中，当芯片的尺寸不断缩小到纳米级别，对胶水点涂的精度要求会显著提高，只要有微小偏差就可能造成空洞等缺陷，所以设备精度就变得格外重要。

• 实时监测与反馈优化：在Underfill工艺过程中能实时监测各种参数，如胶水的流动状态、固化情况等，及时反馈到控制系统，并根据收集到的数据进行自动调整工艺参数。如果发现胶水流动过程中出现流速不均匀的情况，系统根据监测到的信号能够自动调整点胶压力或者温度等控制参数，使胶水流动恢复正常状态。

（三）应对新型封装需求

• 适应复杂3D、2.5D封装：面对先进的3D、2.5D封装技术需求，Underfill工艺需要做出相应调整。在这些复杂的封装结构中，芯片之间的堆叠、互联方式更加复杂多样，Underfill工艺必须能够保证在不同芯片层之间、芯片与基板之间形成可靠的填充和连接。例如在3D闪存芯片的封装里，多层芯片垂直堆叠，Underfill工艺需要满足复杂堆叠结构下芯片之间的应力释放、电气连接稳定等多种需求，为芯片在高级别的3D封装中运行稳定性提供保障。

• 与新型封装工艺融合：随着新的芯片封装工艺不断涌现，Underfill工艺将不断与之融合，例如与晶圆级封装（Wafer Level Packaging）技术的融合。在晶圆切割之前就在晶圆级别实施Underfill工艺，有助于提高整个封装流程的效率并提升产品性能，增强晶圆级封装芯片的可靠性和稳定性，开拓Underfill工艺在新型封装方式下的应用场景。

芯片封装清洗介绍

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