到目前為止， 四種最常用的底部填充劑分別為毛細流動、非流動、邊角綁定（cornerbond）和邊框綁定（edgebond）體系。這四種底部填充劑分別對應于某種特定的封裝應用，而一些新器件（甚至某些上一代的封裝）可能從回流固化的底部填充劑技術中獲益。一種新材料體系——被稱為環氧助焊劑體系——正在逐步應用于半導體封裝和印刷電路板組裝以及一些類似堆疊封裝（PoP）的新型器件應用中。
環氧助焊劑底部填充技術該技術旨在提高工藝效率，環氧助焊劑底部填充材料既有助焊劑成分，可以幫助潤濕，形成焊點，同時含有的環氧樹脂成分，可對每個焊點形成包封，從而對器件提供保護。因為環氧助焊劑底部填充材料在回流焊時固化，可以成為其它底部填充工藝的替代方案，且無需單獨的點膠設備，節省了點膠和固化所需的時間（圖1）。這些新型底部填充材料操作比較靈活，根據應用和工藝要求，可以采用絲網印刷、浸沾、噴涂或點涂。雖然其它類型的（流動或非流動型）底部填充劑材料也能實現在線工藝操作，但它們沒有一種能具備環氧助焊劑底部填充材料的工藝性能。例如，非流動式底部填充劑已用于半導體封裝和PCB組裝；雖然具有工藝效率，但其性能和可靠性方面仍然存在疑問。非流動填充技術是將填充材料在元件貼裝之前施加在基板上，然后在回流焊過程中固化，但是，如有水氣從基板和器件中蒸發并滲入到非流動式底部填充材料中，將產生空洞，因此許多封裝和組裝專家已改用回流固化的邊角綁定和邊框綁定膠材料，或改用傳統的毛細流動材料。然而，環氧助焊劑底部填充材料只包封焊球，因此在器件底部留下空隙，使揮發性氣體從基板上溢出，同時仍具有保護焊點的作用。如前所述，這種多功能材料可適用于多種應用。
植球從水洗型到免洗型，有無數的粘性助焊劑可用于植球，而且都具有各自的特點和益處。但從可靠性的角度來看，環氧助焊劑已被證實是用于植球的最有效的材料。
近期進行了一項通過剪切強度測試來評價四種類型的助焊劑形成最可靠焊點結構的研究。在該實驗中，使用三種焊球合金：SAC-1、SAC-2和SAC-3。每種焊球合金均使用四種不同類型的助焊劑進行剪切強度測試：兩種水洗型助焊劑（助焊劑A和助焊劑B），一種免洗型助焊劑（助焊劑C）和一種環氧助焊劑（助焊劑D）。將助焊劑按單滴方式點在銅試條上，焊球用植球機逐個放置；植球機以吸取的方式吸住焊球，將它放在已經點好的助焊劑上。最后進行單焊球剪切測試，剪切高度30um，剪切速度0.5mm/s，然后對每種材料進行評估。
實驗證明，對任一種合金焊球，使用環氧助焊劑比其它三種助焊劑可獲得最牢固的焊點（圖2～4）。結果表明，使用環氧助焊劑比傳統類型助焊劑進行植球，可實現更高的可靠性連接。
PoP組裝 與植球工藝相似，環氧助焊劑在新型堆疊器件（PoP）組裝中也占有優勢。雖然PoP組裝可使PCB或基板實際空間利用最大化而增加效率，但在第二層組裝上還存在挑戰。
底層封裝組裝是非常簡單的，可遵照標準的表面貼裝流程，但頂層封裝的組裝還有一些有待克服的組裝困難。首先，許多堆疊封裝都會出現翹曲問題，當底部封裝向下翹曲，頂部封裝向上翹曲，這可能會導致焊點的拉伸或斷裂。但在大多數情況下，可通過使用低翹曲的模塑材料解決。其次，頂部封裝的組裝方式需要考慮到如何減少應力以及器件的長期可靠性問題。頂部封裝最常用的組裝方法是粘性助焊劑浸沾法，即在焊球貼裝之前浸沾粘性助焊劑，在回流焊中對形成焊點起到必須的潤濕作用，但對器件的支撐和保護作用不足。早期的評估表明，環氧助焊劑可加強頂部封裝的支撐和可靠性。
在最近的一項PoP頂層封裝結構的分析中研究了四種材料：粘性助焊劑A（免洗型），粘性助焊劑B（免洗型），一種SAC305焊膏（IV號粉，80%金屬含量）和一種環氧助焊劑。其后對樣品器件進行跌落試驗，初步結果表明，環氧助焊劑可提供最好的性能及器件失效前的最多的抗跌落次數（圖5）。表明這種材料的雙重功能——即焊點潤濕的助焊劑作用和環氧樹脂包封焊球的補強保護作用——比單純的助焊劑可使器件獲得更好的可靠性。與粘性助焊劑工藝類似，制造商要在貼裝前將頂層器件的底部焊球浸沾于環氧助焊劑中。當器件通過回流爐后形成焊點且每個焊點都被環氧樹脂材料包裹并獲得更好的保護（圖6）。隨后采用染色法對上述樣本進行失效分析，發現器件上下兩層的焊點都存在失效，而只有下層存在電連接失效。采用粘性助焊劑的樣本，只有上層器件焊點發現了較明顯裂紋。
在圖7的左側，我們看到完整的裂紋（這些是上下兩層都電失效的器件）；在圖7的右側，我們看到部分裂紋——我們僅在器件的下層檢測到電失效。
在沾焊膏工藝中，上下層器件都檢測到電失效，上層器件焊點發現裂紋（圖8，左側）。在環氧助焊劑工藝中我們發現，所測試兩個樣本中上層器件焊點均沒有發現任何裂紋（圖9）。
大尺寸BGA和CSP器件 對傳統組裝作業，特別是大尺寸BGA和CSP器件，環氧助焊劑也具有較高的成本效率。對更大尺寸的BGA——通常尺寸為23×23mm或以上——傳統的底部填充技術需要增加點膠量，以便完全充滿器件的底部；此外，對于標準的底部填充劑來說，由于流速和固化時間相對較長，會對產出和效率（UPH）產生負面影響。環氧助焊底部填充工藝使得生產技術人員能夠處理好同時在線的較大器件，同時也免去了使用專用點膠設備和固化爐的必要，節省了這些附加工藝步驟所需的時間。
結論 新型封裝結構、更小的間距以及不斷提高產出需求，將現有底部填充劑體系的要求推向了極限，盡管傳統的毛細流動型底部填充劑以及邊角綁定膠和邊框綁定膠仍將占有一席之地。但是，對堆疊封裝、大尺寸球柵陣列器件和許多其它新工藝，舊的材料體系已無法滿足與新產品所需的高可靠性相匹配的在線操作要求了。
下一代環氧助焊底部填充材料不僅可以滿足大規模生產所需的UPH、性能和可靠性，而且可提供目前材料所不具備的多功能性。環氧助焊底部填充材料是將助焊劑和底部填充劑合二為一的雙功能材料，在封裝和電路板組裝方面有更廣的應用范圍。因為可用于植球、PoP組裝、大尺寸球柵陣列器件組裝和包封保護等，制造商只需擁有一種材料，便可用于各種產品的生產。此外，由于材料可通過點涂、絲網印刷、噴涂或浸沾等方式進行操作，靈活性也是無以倫比的。
新型封裝的開發進展神速，消費者不斷要求性能更高、成本更低的產品，因此制造商必須與時俱進。大批量和高可靠性是優化制造環境的唯一解決方案，而新型底部填充材料技術正在其中強有力的推動者之一。
鳴謝: 作者在此要感謝L Titarenco進行樣本制備。感謝H Wang、TD Chen和RayTsai提供焊球封裝資料。 同時感謝D Maslyk、J Alonte和B Toleno提供PoP資料。
關于作者：燘ruce Chan 是漢高首席化學家，欲取得聯系，請email至：bruce.chan@us.henkel.com。
參考文獻：?. B.Toleno, “Underfill Technology Developments”, SMT, May 20082. G. Carson and M. Todd, “Underfill Technology: From Current to Next-Generation Materials”, Advanced Packaging, June 20063. B. Toleno and D. Maslyk, “Process and Assembly Methods for Increased Yield of Package on Package Devices , APEX 20084. ISTFA 2005: Proceedings of the 31st International Symposium for Testing.
[2009 IEEE. Reprinted, with permission, from the Electronic Components and Technology Conference (ECTC) May 2009]
