BGA芯片封装器件清洗剂合明科技分享：灌封工艺在BGA装联中的应用
合明科技专注精密电子清洗技术20多年，是SMT贴装/DIP封装，功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品，精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端，包括有水基和半水基清洗剂，碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在，在同等的清洗力的情况下，合明科技的兼容性较佳. 先进封装包括倒装芯片、WLCSP晶圆级芯片封装、3D IC集成电路封装、SiP系统级封装、细间距封装等等。
摘要：：
随着Flip-Chip，BGA等封装形式的器件越来越多，该种类器件的球形引脚数增加，迫使电路互连的焊点尺寸缩小，虽然使我们生产的电子产品体积越来越小，重量越来越轻，但器件和印制电路板的联接强度和引脚之间的绝缘变得越来越脆弱，。因此对BGA封装形式的器件底部进行灌胶或填胶对倒装芯片装配的长期可靠性是必须的。器件底部的灌胶或填胶可以减少焊接点的应力，将应力均匀地分散在倒装芯片的封装面上、同时可以增加器件的机械和电气性能绝缘强度。
关键词：灌封工艺；BGA；可靠性；湿气敏感；应力；液体环氧封装料；热膨胀系数
在当今信息时代，随着电子工业的迅猛发展，计算机、移动电话等产品日益普及。人们对电子产品的功能要求越来越多、对性能要求越来越强，而体积要求却越来越小、重量要求越来越轻。这就促使电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向发展。为实现这一目标，IC芯片的特征尺寸就要越来越小，复杂程度不断增加，于是，电路的I／O数就会越来越多，封装的I／O密度就会不断增加。为了适应这一发展要求，一些先进的高密度封装技术就应运而生，BGA封装技术就是其中之一。集成电路的封装发展趋势如图所示。从图中可以看出，目前BGA封装技术在小、轻、高性能封装中占据主要地位。
BGA封装出现于90年代初期，现已发展成为一项成熟的高密度封装技术。在半导体IC的所有封装类型中，1996-2001年这5年期间，BGA封装的增长速度最快。在1999年，BGA的产量约为10亿只，在2008年预计可达80多亿只。但是，到目前为止该技术仅限于高密度、高性能器件的封装，而且该技术仍朝着细节距、高I／O端数方向发展。BGA封装技术主要适用于PC芯片组、微处理器／控制器、ASIC、门阵、存储器、DSP、PDA、PLD等器件的封装。
BGA封装虽然具有良好的性能和近乎理想的封装密度，但仍然存在一系列的问题长期未能很好解决的问题，如芯片贴装后的芯片焊球和焊盘联接的脆弱性、焊点应力、机械强度、防潮、返修等问题。
80年代IBM公司发明了底层填充技术，采用底层填充料充芯片和衬底之间的间隙，从而大大地增加了由芯片和衬底膨胀系数失配所产生的热疲劳焊点寿命。因此本文就是借鉴了芯片底部填充技术的思路，提出BGA器件在贴装后，对BGA底部进行灌胶处理，以改善芯片贴装后的芯片存在的焊球和焊盘联接的脆弱性、焊点应力、机械强度、防潮、返修等问题。以下我们就从BGA封装的特点、BGA封装结构类型、底部灌胶材料的特点和要求、如何进行底部灌胶等几个方面来阐述灌封工艺在BGA器件底部灌胶的应用。
1 BGA封装的特点
BGA(Ball Grid Array)封装，即元器件引脚排列形式为球栅阵列封装，它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I／O端与印刷线路板(PCB)互接的引脚。与传统的脚形贴装器件(Leaded Divce如QFP、PLCC等)相比，BGA封装器件具有如下特点。
1) I／O数较多：通常，在引线数相同的情况下，封装体尺寸可减小30%以上。例如：CBGA-49、BGA-320(引脚间距1.27 mm)分别与PLCC-44(引脚间距为1.27 mm)和MQFP-304(节距为0．8 mm)相比，封装体尺寸分别缩小了84%和47%，如图所示。
2) 提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。
3) BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。
4) BGA阵列焊球引脚很短，缩短了信号传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。
5) 明显地改善了I／O端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。
6) BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。
7) BGA和CBGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。
2 BGA封装的结构类型
BGA的封装类型多种多样，其外形结构为方形或矩形。根据其焊料球的排布方式可分为周边型、交错型和全阵列型BGA等。根据其基板的不同，主要分为三类：PBGA(Plastic Ball GridArray塑料焊球阵列)、CBGA(Ceramic BallGrid Array陶瓷焊球阵列)、TBGA (TapeBall Grid Array载带型焊球阵列)。如下图所示。
通过对BGA封装特点和结构的分析和比较，BGA器件的优缺点如下：
1） 优点：体积小、重量轻、功能强。
2） 缺点：对湿度敏感度高、结构脆弱、焊点的抗疲劳能力差、焊点的剪切应力差、可靠性降低。
现阶段主流BGA封装结构示意图
随着Flip-Chip，BGA等封装形式的器件越来越多，该种类器件的球形引脚数增加，迫使电路互连的焊点尺寸缩小，虽然使我们生产的电子产品体积越来越小，重量越来越轻，但器件和印制电路板的联接强度和引脚之间的绝缘变得越来越脆弱，。因此对BGA封装形式的器件底部进行灌胶或填胶对倒装芯片装配的长期可靠性是必须的。器件底部的灌胶或填胶可以减少焊接点的应力，将应力均匀地分散在倒装芯片的封装面上、同时可以增加器件的机械和电气性能绝缘强度。
所以对焊接后的BGA器件进行底部灌胶，降低BGA器件对湿度的敏感度、增强BGA器件结构、提高焊点的抗疲劳能力、改善焊点的剪切应力、提高产品的可靠性，这项工艺是十分必要和必须的工作。
因此在选择底部灌胶材料也是一项很重要的工作，对于CSP和BGA的底部灌胶材料，应易于使用、储存和运输，同时应满足所需的可靠性要求。对生产工艺方面而言，如：胶水的储存条件、使用寿命、灌胶性、胶水在芯片底部的流动速度和固化时间都是应当考虑的参数。如果线路板的价值较高，则应使用可维修底部灌胶材料，因此在这种情况下，芯片灌胶后易维修性就显得尤其重要；就灌胶可靠性方面而言，无气泡、跌落寿命试验和热冲击寿命试验对于电子设备是很重要的几个因素。汽车和军事电子产品对抗冲击性、防震和剧烈的热冲击等要求更为苛刻。本文以下着重分析CSP/BGA的底部灌胶的材料选择和可操作工艺的实现。
3 底部灌胶封料
大多数底部灌封胶是单组分热固化的环氧胶。可快速固化，具有高粘接性能、低模量和可修复性强。耐温性佳，贮存稳定性好。
3.1 环氧树脂灌封料的主要组份及作用
环氧树脂灌封料的作用是强化电子器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高内部元件、线路间绝缘，有利于器件小型化、轻量化；避免元件、线路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。
单组分环氧树脂灌封料是一多组分的复合体系，它由树脂、固化剂、增韧剂、填充剂等组成，对于该体系的粘度、反应活性、使用期、放热量等都需要子配方、工艺、铸件尺寸结构等方面作全面的设计，做到综合平衡。
目前使用的灌胶封料种类繁多，有韩国产的DU901,DU902,DU986,DU902N，以及美国产品乐泰的3513等型号（山东烟台制造），德邦的部分产品（山东烟台制造）。以及部分JIAPAN的三箭，住友和北京联合钛得公司生产的CSP/BGA底部灌封胶3113等等。但目前使用量最大的应该还是乐泰的3513。
在实验过程中，我们选择了LOCTITE公司生产的CSP/BGA底部灌封胶3513做实验，下表为这种材料的性能表。
3513胶水材料性能表
化学类型
环氧树脂
外观
淡黄色液体
比重@25℃
1.15
粘度@25℃.mPa.s
4000
使用寿命@23℃
48小时
储存条件
2-10℃阴凉干潮处
标准条件：温度23 ℃±2 ℃ 相对湿度:50±5%
3.2 产品性能要求
环氧树脂灌封料应满足如下基本要求：性能好，适用期长，适合大批量自动生产线作业；粘度小，浸渗性强，可充满元件和线间；灌封和固化过程中，填充剂等粉体组分沉降小，不分层；固化放热峰低，固化收缩小；固化物电气性能和力学性能优异，耐热性好，对多种材料有良好的粘接性，吸水性和热膨胀系数小；某些场合还要求灌封料具有难燃、耐候、导热、耐高低温交变等性能。
3.3 储存条件
BGA/CSP的底部灌封胶如果能在±5℃下储存三个月，则只需一台低成本的冰箱，就可满足±5℃的要求。底部灌封胶在±5℃的最低储存条件下也可满足。
3.4 底部灌封胶的使用寿命
使用寿命是指底部填充剂从冷冻条件下取出后可有效使用的时间。有效使用是指在一定的点胶速度下可保证的点胶量的连续性及一致性，因此在整个使用寿命中其粘度必须稳定。
3.5 底部灌封胶的性能
底部灌封胶的灌封方式是否简便易操作，将对产品的产量和成本产生影响。低粘度低密度的胶水可以在较小压力下，便可以从针头出胶，速度也很快。倒装芯片的底部填充剂粘度有15 000 cps或更高，由于此类填充剂含有硅质填充物，比重达1.8，故在高速和高精度的点胶要求下，需要采用压力系统的设备，如螺旋泵和活塞泵。
许多CSP和所有BGA在尺寸上都大于倒装芯片，故需要胶水具有更高的流动速度，才能满足产量的要求。3513和北京联合钛得公司生产的CSP/BGA底部灌封胶3113底部灌封胶都是为CSP/BGA特别研发，其粘度低于4 000 cps，由于改型号的胶水未加填料，比重通常在1.17，故可使用较经济简易点胶机来实现。
3.6 流动速度
如上所述，CSP/BGA底部灌封胶相对于倒装芯片底部填充剂粘度和密度较低。这使得CSP／BGA底部灌封胶流动更快，对于灌封更大的面积来说更为理想。
在实验过程中，我们对3513胶的流动做了分析，如下图所示。
底部灌封胶的流速对胶水是否能够完全填满BGA芯片的底部是至关重要的一项性能参数指标，以下是我们通过对ZYMET公司的倒装芯片底部填充剂X6-82-5LV和LOCTITE公司生产的CSP/BGA底部灌封胶3513对芯片灌胶后的X光对比图例，可见底部灌封胶3513的流动性比倒装芯片底部填充剂要好。
倒装芯片底部填充剂X6-82-5LV 底部灌封胶3513
另外，CSP/BGA芯片的底部灌胶，一定要保证底部无气泡，才能够实现器件的高可靠性，如何避免在灌胶的过程中产生气泡，主要要避免：线路板或元器件湿气、灌胶时的流动形态、助焊剂是否影响灌封胶。
以下图示为使用3513底部灌封胶灌封BGA器件后X-RAY视图。
烘干后的器件和未烘干器件底部的灌胶。
未烘干灌胶后产生了很多气泡 烘干后灌胶
3.7 灌封胶的强度
BGA底部灌封一个很重要的目的就是增加其强度，这样灌封胶本身的强度变化对其灌封后的效果有很大的影响。3513胶的强度变化见下表。
热强度：在特定温度下测试
热老化：在特定条件下老化，在室温下测试
3.8 灌胶后的可维修性
灌胶后的产品在加热到200～220℃时，灌封材料应变软，粘接力也降低；灌封材料变软的温度应高于焊锡的熔点，此时元器件才很容易拆卸，以实现返修。在相同温度下，使用工具可刮掉芯片周边的胶。
3.9 实验用的3513材料特性
3513底部灌封材料为达到CSP／BGA底部灌胶的要求，材料性能有了一些变化，粘度和比重降低，从而使灌胶更容易，流动速度更快；CTE有一定增长，为78 ppm／℃。
3.10 在我们做实验中3513底部灌封材料使用方法
将胶从冰箱取出，室温放置1h～2 h，使胶液温度达到室温水平。
预热电路板，沿元器件边缘呈“I”或“L”形针头施胶，利用毛细现象让胶液自动填充满元件底部。
加温至工艺要求温度,加热固化。
未用尽的胶应密封保存于用冰箱中。
4 如何实施CSP/BGA底部灌封
1） 以下视图为BGA芯片焊接过程图
刚贴装后的BGA示意→焊接温度达到熔点时BGA示意图→回流后的BGA示意图
通过以上BGA焊接流程示意图我们可以发现，BGA芯片在焊接后，PCB和芯片的底部有足够的空间可以使液体流过其底部，也就是说我们可以通过使用灌胶的方式，去改善我们在前文中谈到的BGA芯片焊接后存在的对湿度敏感度高、结构脆弱、焊点的抗疲劳能力差、焊点的剪切应力差、可靠性降低等缺点，来提供我们生产的电子产品的可靠性。
2） 具体的实施方法
根据我们选择的底部灌封胶的特性，我建议使用以下几种方式：
*计量泵灌胶
计量泵能将计量好的灌封胶，定量灌注到CSP/BGA芯片和基板之间，计量泵可以保证连续一致的吐胶量。胶水是以灌注的方式在芯片四条边进行灌注，这样的方式可提供良好的圆角成型，而且比单边或L形灌注更快速。
对芯片四周进行灌注，如果产量较小，可用光学放大设备来定位涂胶头在芯片的每条边的位置，减少吐胶嘴不能准确地灌胶的机会；如果产量很大，可以使用三轴自动灌封设备来实现量产。
使用计量泵灌胶，前期的投入较大，一般投入为十几万到几十万之间，但是可以节约人力劳动成本和保证产品的一致性。
*手动点胶机灌胶
手动点胶机是通过控制时间和气压的大小，实现胶水的吐出，无法保证连续一致的吐胶量。如果对产品的吐胶的一致性不需要严格的控制和产量不大情况下，以及节约生产成本的角度出发，我建议使用手动点胶机来实现底部灌胶。因为一台手动点胶机的投入资金从一千多到三四千不等，前期投入相对较低。
特别事项：在正式生产前，我建议最好每只芯片底部需要灌注胶水的量进行仔细的评估，这样可以实现对产品的量化管理，既可避免胶水的浪费，又可避免对PCB的污染。不同的公司企业单位，可以根据自己的实际情况，选择不同的灌胶方式，已到达生产成本最优化。
5 思考和建议
面对世界蓬勃发展的电子装联技术，分析我国目前的电子装联产业现状，一些问题值得我们深思。
(1)电子装联技术与电子产品密不可分，已经成为电子产品乃至电子系统的制造的核心技术，是电子行业先进制造技术之一，谁掌握了它，谁就将掌握电子产品和电子系统制造的未来。
(2)电子装联技术与时俱进才能发展。国际上大的电子产品制造公司证明了这一点，国外生产的电子产品在稳定性和可靠性上领先于我国。我国电子装联技术如何与时俱进？尽管我国已经被国外冠以“世界工厂”的“美名”，但是我国现阶段还处在一个初级加工的阶段，因此当务之急是研究我国电子装联的发展战略，制订发展规划。二是优化我国电子装联工艺的科研生产体系。三是积极倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创技术。
(3)重视不同领域和学科技术的交叉和融合。重视研发、试制、工艺、生产等多科学多部门联合和协调，实现过去我们经常提到的产学研一体发展的思路。
(4)我们的观念、技术和管理必须与国际接轨，走国际合作之路，与世界溶为一体，共同发展。
我们坚信，中国是个充满希望的国家，中国可以成为电子装联的生产大国，也一定能够成为电子产品研发的技术强国，也一定能够制度出中国特色的《IPC标准》。
END
针对电子制程精密焊后清洗的不同要求，合明科技在水基清洗方面有比较丰富的经验，对于有着低表面张力、低离子残留、配合不同清洗工艺使用的情况，自主开发了较为完整的水基系列产品，精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端，包括有水基和半水基清洗剂，碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在，在同等的清洗力的情况下，合明科技的兼容性较佳，兼容的材料更为广泛；在同等的兼容性下，合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多（测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌；测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分），清洗速度更快，离子残留低、干净度更好。
合明科技摄像模组感光芯片CMOS晶片镜片清洗剂，LED芯片焊后助焊剂锡膏清洗剂、CMOS焊接后清洗剂、FPC电路板清洗剂、SMT元器件封装工艺清洗剂、微波组件助焊剂松香清洗剂、车用IGBT芯片封装水基清洗方案，SMT电子制程水基清洗全工艺解决方案,汽车用 IGBT芯片封装焊后清洗剂,IGBT芯片清洗剂,IGBT模块焊后锡膏清洗剂,IGBT功率半导体模块清洗,SMT锡膏回流焊后清洗剂,PCBA焊后水基清洗剂，系统封装CQFP器件焊后助焊剂清洗剂、SIP芯片焊后清洗剂、BMS电路板焊后清洗剂，半导体分立器件除助焊剂清洗液、半水基清洗剂、IGBT功率模块焊后锡膏水基清洗剂、PCB组件封装焊后水性环保清洗剂、SMT封装焊后清洗剂、精密电子清洗剂、半导体分立器件清洗剂、SMT焊接助焊剂清洗剂、锡嘴氧化物清洗剂、PCBA清洗剂、芯片封装焊后清洗剂、水性清洗剂、FPC清洗剂、BGA植球后清洗剂、球焊膏清洗剂、FPC电路板水基清洗剂、堆叠组装POP芯片清洗剂、油墨丝印网板水基清洗全工艺解决方案、BMS新能源汽车电池管理系统电路板制程工艺水基清洗解决方案、储能BMS电路板水基清洗剂、PCBA焊后助焊剂清洗剂、组件和基板除助焊剂中性水基清洗剂、功率电子除助焊剂水基清洗剂、功率模块/DCB、引线框架和分立器件除助焊剂水基清洗剂、封装及晶圆清洗水基清洗剂、倒装芯片水基清洗、SIP和CMOS芯片封装焊后清洗剂、SMT钢网、丝网和误印板清洗除锡膏、银浆、红胶，SMT印刷机网板底部擦拭水基清洗剂、焊接夹治具、回流焊冷凝器、过滤网、工具清洗除被焙烤后助焊剂和重油污垢清洗剂，电子组件制程水基清洗全工艺解决方案。
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以上为本公司一些经验的累积，因工艺问题内容广泛，没有面面俱到，只对常见问题作分析，随着电子产业的不断更新换代，新的工艺问题也不断出现，本公司自成立以来不断的追求产品的创新，做到与时俱进，熟悉各种生产复杂工艺，能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。
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