沒(méi)有人喜歡壓力。壓力不僅僅是讓人不愉快；它還會(huì)對(duì)日益復(fù)雜的芯片封裝產(chǎn)生負(fù)面影響，這些芯片作為集成功能單元焊在電路板上并安裝在各種設(shè)備中。毛細(xì)管填充、邊角填充或邊角固定等工藝適合于將這些按照More than Moore定律制造的組件加固到板材上。特別是邊緣粘接，不容易給部件帶來(lái)壓力，延長(zhǎng)了封裝的使用壽命，并簡(jiǎn)化了返工的過(guò)程。

幾乎沒(méi)有任何設(shè)備可以離開(kāi)半導(dǎo)體芯片；這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了消費(fèi)電子產(chǎn)品的范疇。無(wú)論是在智能手機(jī)、汽車(chē)、廚房電器還是數(shù)據(jù)中心，這些復(fù)雜的所謂 "微型計(jì)算機(jī) "無(wú)處不在。芯片或芯片組件（球柵陣列、BGA或封裝）的底面裝有用于電氣接觸的焊球，然后在各自的電路板生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)回流焊連接。為了保護(hù)它們不受環(huán)境影響，它們通常還用環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行包封。

跟隨智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)，這些微型計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，封裝本身也越來(lái)越大。這提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，電路板上封裝的無(wú)應(yīng)力加固。

先是 "摩爾定律"，現(xiàn)在是 "超摩爾"。

戈登-摩爾在1965年提出的理論，即集成電路上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?，被稱(chēng)為 "摩爾定律"，并在一段時(shí)間內(nèi)一直是標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著單位面積晶體管數(shù)量的增加，該法則現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了極限。這解釋了關(guān)于 "超摩爾"（More than Moore）的話(huà)題越來(lái)越多，這種方法不僅提高了芯片的計(jì)算能力，而且還能在相同的空間內(nèi)同時(shí)容納更多的功能。在技術(shù)實(shí)施方面，采用了異構(gòu)集成的概念。也就是說(shuō)，幾個(gè)具有不同功能的芯片通常被組合在一起，被稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。

01功能密度增加的大型組件

與單個(gè)芯片相比，集成多個(gè)芯片會(huì)令封裝變得更大。不但如此，由于Z軸方向上的整合，所有功能所需的空間總體上卻大大縮小了。因此，一個(gè)封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相應(yīng)地由復(fù)雜的、多層材料組合而成，包括半導(dǎo)體芯片、銅片、電介質(zhì)和環(huán)氧化合物。

由此，再加上外部尺寸的增加，給焊點(diǎn)帶來(lái)了更大的壓力，因?yàn)楹更c(diǎn)既要負(fù)責(zé)將封裝與基材直接按電路接通，也要將其機(jī)械地連接起來(lái)。此外，受到環(huán)境溫度的變化，球柵陣列的每個(gè)角落也容易受到壓力。

這就是為什么組裝好的板子經(jīng)常要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，作為其鑒定過(guò)程的一部分，以確保有更長(zhǎng)的使用壽命。例如，在數(shù)據(jù)中心使用的封裝要接受從-40℃到100℃的溫度測(cè)試。在這些溫度循環(huán)測(cè)試中，隨著封裝尺寸的增大，即使熱膨脹系數(shù)保持不變，這些尺寸變化的影響也變得越來(lái)越明顯?？梢苑治鏊a(chǎn)生的封裝的翹曲，見(jiàn)圖1。在低溫下，保護(hù)半導(dǎo)體芯片的環(huán)氧樹(shù)脂收縮，而在室溫下，這些材料處于平衡狀態(tài)。在高溫下，環(huán)氧樹(shù)脂的膨脹程度比BGA上的芯片要大。

圖1: 由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致包裝的翹曲。

動(dòng)態(tài)彎曲給外部焊點(diǎn)帶來(lái)巨大的壓力，隨著時(shí)間的推移，會(huì)令連接斷開(kāi)，從而導(dǎo)致電氣故障。跌落和振動(dòng)測(cè)試還表明，由于質(zhì)量增加，在較大的組件中，封裝和電路板之間的連接不如小組件耐用。

為了更好地承受壓力，更多強(qiáng)大的焊料被開(kāi)發(fā)出來(lái)。同時(shí)，焊好的封裝也用反應(yīng)性粘合劑進(jìn)行了額外的加固。對(duì)于粘合劑，這種加固可以遵循許多不同的方法。最常見(jiàn)的是完全的底部填充過(guò)程，也稱(chēng)為毛細(xì)底部填充（CUF）。

02CUF 毛細(xì)底部填充：

通過(guò)全表面下填充的方式強(qiáng)化BGA

粘合劑在焊接封裝的一側(cè)進(jìn)行點(diǎn)膠，，然后通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)，在整個(gè)部件的下方流動(dòng)，隨后再通過(guò)加熱使粘合劑固化。伴隨CUF帶來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是要確保粘合劑完全流到底部，且在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生任何氣泡。否則，一旦發(fā)生溫度變化，氣泡就會(huì)向后擠壓封裝，導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落。不過(guò)，正確使用的CUF提供了最大限度的加固，因?yàn)榉庋b的整個(gè)表面可被用來(lái)連接到電路板上。CUF工藝的重要材料特性包括玻璃化溫度（最好高于使用溫度）、楊氏模量（作為硬度的衡量標(biāo)準(zhǔn)）、熱膨脹系數(shù)（最好該系數(shù)等于所用焊料的熱膨脹系數(shù)）和粘稠度（粘稠度低則可在底部實(shí)現(xiàn)快速流動(dòng)）。

然而，隨著封裝越來(lái)越大，粘合劑完全流淌到每個(gè)封裝所需的時(shí)間也在增加。如果在生產(chǎn)中或在現(xiàn)場(chǎng)由于連接錯(cuò)誤而發(fā)生故障，個(gè)別封裝需要被返工。在這種情況下，返工過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)普遍的解決方案，通過(guò)對(duì)局部加熱來(lái)液化焊點(diǎn)，以便能夠拆除元件。然而，對(duì)于像整個(gè)底部填充CUF這樣具有高玻璃轉(zhuǎn)化率的連接來(lái)說(shuō)，這一程序變得更加困難。就返工性而言，更適合的是edgebond，邊角固定工藝。

03Edgebond邊角固定：

無(wú)應(yīng)力加固，易于返工

在邊角進(jìn)行加固（圖2a）--與整個(gè)底部填充封裝不同--只在最外側(cè)的四個(gè)角上點(diǎn)膠和固化。在這種情況下，粘合劑不會(huì)流到元件底部，也不會(huì)接觸到任何焊點(diǎn)（圖2b），因此可以在返工之前去除。邊角固定工藝，操作簡(jiǎn)單、速度快，只需點(diǎn)膠和固化，相比CUF工藝，Edge bond邊角固定工藝在固化前不需要等待完全流動(dòng)到底部。此外，可以通過(guò)調(diào)整粘合劑的用量來(lái)優(yōu)化成本效益因素，這在CUF中通常是不可能的，因?yàn)榭偸切枰嗤瑪?shù)量的粘合劑來(lái)填充整個(gè)空間。

圖2: a) 測(cè)試部件上的紫外線(xiàn)固化邊緣粘接，b) 顯微照片：邊角固定，只濕潤(rùn)了側(cè)面，沒(méi)有流到封裝下面。沒(méi)有焊點(diǎn)被粘住，這大大簡(jiǎn)化了返工過(guò)程。

通過(guò)使用測(cè)試元件，使膠粘劑制造商能夠分析與之非常相近的實(shí)際應(yīng)用的功能組件。包括用原始材料和準(zhǔn)確的目標(biāo)幾何形狀（包裝尺寸、間隙寬度等）對(duì)粘合劑進(jìn)行評(píng)估，隨后直接在部件上進(jìn)行驗(yàn)證。在所示的測(cè)試裝置中（圖3），一個(gè)17 x 17毫米的封裝元件被焊接到一個(gè)電路板上，連接處受到反復(fù)的熱應(yīng)力沖擊。持續(xù)測(cè)量通過(guò)封裝和印刷電路板的電阻（圖3a）（圖3b），發(fā)現(xiàn)電阻的增加超過(guò)預(yù)定的限度（例如20%），表明焊點(diǎn)以及組件的失效。

圖3: 3a) 測(cè)量電阻的測(cè)試用電路示意圖。3b)幾個(gè)測(cè)試設(shè)置在壓力下(在這個(gè)例子中，熱沖擊)記錄的測(cè)量電阻。

邊角固定通常是熱固化的；回流焊之后，還需要另一個(gè)烘烤過(guò)程。紫外線(xiàn)固化是一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗梢栽谑覝兀≧T）下完成，這樣可以避免產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著使用環(huán)境溫度的變化，工件會(huì)逐漸離開(kāi)室溫時(shí)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，但只有大約一半的比例。因此，例如，在使用溫度下限-40℃時(shí)，溫差僅為ΔT≈63℃，在使用溫度上限 100℃時(shí)，溫差也僅為ΔT≈77℃。而如果工件在例如100°C下的熱固化，這意味著在使用溫度內(nèi)的最大溫差將達(dá)到ΔTmax ≈140°C。圖4說(shuō)明了固化過(guò)程中的應(yīng)力分布。

圖4: 在熱固化（a）的情況下，粘合劑在固化溫度（如100℃）下為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，這意味著在室溫下便會(huì)形成應(yīng)力。紫外線(xiàn)固化（b）則可實(shí)現(xiàn)室溫下的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。

紫外線(xiàn)固化的邊角固定在工藝速度和減少碳排放方面也有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)典型的熱固化過(guò)程在100℃下需要大約10分鐘，而紫外線(xiàn)固化在室溫下可以在幾秒鐘內(nèi)完成。選擇紫外線(xiàn)固化可以減少95%以上的能源消耗。而且熱固化膠粘劑在加熱階段會(huì)降低粘稠度。光固化可以安全地避免這種粘稠度降低，從而避免流到封裝底部，并與焊點(diǎn)接觸。因此，考慮到對(duì)資源的精心利，邊角固定不但可以強(qiáng)化加固，從包封角度看也是一項(xiàng)容易返工的工藝。整體而言，整個(gè)粘合過(guò)程節(jié)省了能源，降低了碳排放。

04Cornerfill邊角填充：

加固復(fù)雜包封的另一種選擇

除了毛細(xì)底部填充CUF和紫外線(xiàn)邊角固定Edge bond，根據(jù)不同的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，還有其他的加固方法，例如邊角填充Corner fill。與邊角固定不同的是，Corner fill工藝將角部也進(jìn)行填充包封，以實(shí)現(xiàn)更大的加固。然而，邊角填充材料通常是熱固化的，在可持續(xù)性方面存在短板，而且比較難以返工。圖5示意性地說(shuō)明了邊角加固、邊角填充和毛細(xì)底部填充之間的區(qū)別。對(duì)于每個(gè)具體的應(yīng)用，需選擇最合適的工藝，以滿(mǎn)足要求。

圖5：邊角固定、邊角填充和毛細(xì)底部填充（從左到右）。為電路板上的芯片包封提供三種不同的加固方案。粉紅色為點(diǎn)膠區(qū)域。

05總結(jié)

毛細(xì)管填充、邊角固定和邊角填充是不同的工藝方法，均能可靠地加固印刷電路板上越來(lái)越大和越來(lái)越復(fù)雜的封裝。紫外線(xiàn)固化邊角固定Edgebond是一個(gè)操作簡(jiǎn)便、成本效益高的解決方案，在許多應(yīng)用中可以延長(zhǎng)兼容組件的使用壽命并減少碳排放。此外，與其他方法相比，邊角固定能使返工過(guò)程更簡(jiǎn)單。焊點(diǎn)的加固仍然是持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)的要點(diǎn)--無(wú)論是在粘合劑和焊料的制造商之間，還是在終端用戶(hù)之間，以獲得更智能、更有效的解決方案。

審核編輯：湯梓紅