经过30多年对底部填充剂的持续开发，已使多 种新封装形式的应用成为可能，并为高度小型化及无铅的终端产品提供了所需的支持和可靠性。毫不夸张地说，没有这些基础材料，今天的许多革新和进步是不可能实现的。底部填充技术的持续发展，如填料补强技术、更好的流变性控制、新的固化机理、材料模量的改进以及可选择应用技术等，给整个市场带来了更具卓越性能的产品。但是，当整个行业继续向更高效、灵活和小型化设计和元件结构更优化方向大踏步前进时，将需要更强的底部填充剂体系。
到目前为止， 四种最常用的底部填充剂分别为毛细流动、非流动、边角绑定（cornerbond）和边框绑定（edgebond）体系。这四种底部填充剂分别对应于某种特定的封装应用，而一些新器件（甚至某些上一代的封装）可能从回流固化的底部填充剂技术中获益。一种新材料体系——被称为环氧助焊剂体系——正在逐步应用于半导体封装和印刷电路板组装以及一些类似堆叠封装（PoP）的新型器件应用中。
环氧助焊剂底部填充技术
该技术旨在提高工艺效率，环氧助焊剂底部填充材料既有助焊剂成分，可以帮助润湿，形成焊点，同时含有的环氧树脂成分，可对每个焊点形成包封，从而对器件提供保护。因为环氧助焊剂底部填充材料在回流焊时固化，可以成为其它底部填充工艺的替代方案，且无需单独的点胶设备，节省了点胶和固化所需的时间（图1）。
这些新型底部填充材料操作比较灵活，根据应用和工艺要求，可以采用丝网印刷、浸沾、喷涂或点涂。虽然其它类型的（流动或非流动型）底部填充剂材料也能实现在线工艺操作，但它们没有一种能具备环氧助焊剂底部填充材料的工艺性能。例如，非流动式底部填充剂已用于半导体封装和PCB组装；虽然具有工艺效率，但其性能和可靠性方面仍然存在疑问。非流动填充技术是将填充材料在元件贴装之前施加在基板上，然后在回流焊过程中固化，但是，如有水气从基板和器件中蒸发并渗入到非流动式底部填充材料中，将产生空洞，因此许多封装和组装专家已改用回流固化的边角绑定和边框绑定胶材料，或改用传统的毛细流动材料。然而，环氧助焊剂底部填充材料只包封焊球，因此在器件底部留下空隙，使挥发性气体从基板上溢出，同时仍具有保护焊点的作用。如前所述，这种多功能材料可适用于多种应用。
植球
从水洗型到免洗型，有无数的粘性助焊剂可用于植球，而且都具有各自的特点和益处。但从可靠性的角度来看，环氧助焊剂已被证实是用于植球的最有效的材料。
近期进行了一项通过剪切强度测试来评价四种类型的助焊剂形成最可靠焊点结构的研究。在该实验中，使用三种焊球合金：SAC-1、SAC-2和SAC-3。每种焊球合金均使用四种不同类型的助焊剂进行剪切强度测试：两种水洗型助焊剂（助焊剂A和助焊剂B），一种免洗型助焊剂（助焊剂C）和一种环氧助焊剂（助焊剂D）。将助焊剂按单滴方式点在铜试条上，焊球用植球机逐个放置；植球机以吸取的方式吸住焊球，将它放在已经点好的助焊剂上。最后进行单焊球剪切测试，剪切高度30um，剪切速度0.5mm/s，然后对每种材料进行评估。
实验证明，对任一种合金焊球，使用环氧助焊剂比其它三种助焊剂可获得最牢固的焊点（图2～4）。结果表明，使用环氧助焊剂比传统类型助焊剂进行植球，可实现更高的可靠性连接。
PoP组装
与植球工艺相似，环氧助焊剂在新型堆叠器件（PoP）组装中也占有优势。虽然PoP组装可使PCB或基板实际空间利用最大化而增加效率，但在第二层组装上还存在挑战。
底层封装组装是非常简单的，可遵照标准的表面贴装流程，但顶层封装的组装还有一些有待克服的组装困难。首先，许多堆叠封装都会出现翘曲问题，当底部封装向下翘曲，顶部封装向上翘曲，这可能会导致焊点的拉伸或断裂。但在大多数情况下，可通过使用低翘曲的模塑材料解决。其次，顶部封装的组装方式需要考虑到如何减少应力以及器件的长期可靠性问题。顶部封装最常用的组装方法是粘性助焊剂浸沾法，即在焊球贴装之前浸沾粘性助焊剂，在回流焊中对形成焊点起到必须的润湿作用，但对器件的支撑和保护作用不足。早期的评估表明，环氧助焊剂可加强顶部封装的支撑和可靠性。
在最近的一项PoP顶层封装结构的分析中研究了四种材料：粘性助焊剂A（免洗型），粘性助焊剂B（免洗型），一种SAC305焊膏（IV号粉，80%金属含量）和一种环氧助焊剂。其后对样品器件进行跌落试验，初步结果表明，环氧助焊剂可提供最好的性能及器件失效前的最多的抗跌落次数（图5）。表明这种材料的双重功能——即焊点润湿的助焊剂作用和环氧树脂包封焊球的补强保护作用——比单纯的助焊剂可使器件获得更好的可靠性。与粘性助焊剂工艺类似，制造商要在贴装前将顶层器件的底部焊球浸沾于环氧助焊剂中。当器件通过回流炉后形成焊点且每个焊点都被环氧树脂材料包裹并获得更好的保护（图6）。
随后采用染色法对上述样本进行失效分析，发现器件上下两层的焊点都存在失效，而只有下层存在电连接失效。采用粘性助焊剂的样本，只有上层器件焊点发现了较明显裂纹。
在图7的左侧，我们看到完整的裂纹（这些是上下两层都电失效的器件）；在图7的右侧，我们看到部分裂纹——我们仅在器件的下层检测到电失效。
在沾焊膏工艺中，上下层器件都检测到电失效，上层器件焊点发现裂纹（图8，左侧）。在环氧助焊剂工艺中我们发现，所测试两个样本中上层器件焊点均没有发现任何裂纹（图9）。
大尺寸BGA和CSP器件
对传统组装作业，特别是大尺寸BGA和CSP器件，环氧助焊剂也具有较高的成本效率。对更大尺寸的BGA——通常尺寸为23×23mm或以上——传统的底部填充技术需要增加点胶量，以便完全充满器件的底部；此外，对于标准的底部填充剂来说，由于流速和固化时间相对较长，会对产出和效率（UPH）产生负面影响。环氧助焊底部填充工艺使得生产技术人员能够处理好同时在线的较大器件，同时也免去了使用专用点胶设备和固化炉的必要，节省了这些附加工艺步骤所需的时间。
结论
新型封装结构、更小的间距以及不断提高产出需求，将现有底部填充剂体系的要求推向了极限，尽管传统的毛细流动型底部填充剂以及边角绑定胶和边框绑定胶仍将占有一席之地。但是，对堆叠封装、大尺寸球栅阵列器件和许多其它新工艺，旧的材料体系已无法满足与新产品所需的高可靠性相匹配的在线操作要求了。
下一代环氧助焊底部填充材料不仅可以满足大规模生产所需的UPH、性能和可靠性，而且可提供目前材料所不具备的多功能性。环氧助焊底部填充材料是将助焊剂和底部填充剂合二为一的双功能材料，在封装和电路板组装方面有更广的应用范围。因为可用于植球、PoP组装、大尺寸球栅阵列器件组装和包封保护等，制造商只需拥有一种材料，便可用于各种产品的生产。此外，由于材料可通过点涂、丝网印刷、喷涂或浸沾等方式进行操作，灵活性也是无以伦比的。
新型封装的开发进展神速，消费者不断要求性能更高、成本更低的产品，因此制造商必须与时俱进。大批量和高可靠性是优化制造环境的唯一解决方案，而新型底部填充材料技术正在其中强有力的推动者之一。
鸣谢:
作者在此要感谢L Titarenco进行样本制备。感谢H Wang、TD Chen和RayTsai提供焊球封装资料。 同时感谢D Maslyk、J Alonte和B Toleno提供PoP资料。
关于作者：
Bruce Chan 是汉高首席化学家，欲取得联系，请email至：bruce.chan@us.henkel.com。
参考文献：
[2009 IEEE. Reprinted, with permission, from the Electronic Components and Technology Conference (ECTC) May 2009]
