用于微電子封裝的電子膠粘劑及其涂覆工藝

前言

目前，微電子產業已經逐步演變為設計、制造和封裝三個相對獨立的產業。微電子封裝技術即半導體封裝技術，又稱先進集成電路封裝。半導體封裝包括組裝（Assembly）和封裝（Packing）兩個方面，它是將數萬計的半導體元器件組裝成一個緊湊的封裝體，與外界進行信息交流，它的基本功能包括電源供給、信息交流、散熱、芯片保護和機械支撐。半導體封裝一般可分為4個主要層次：

零級封裝———芯片層次上的互連

一級封裝———芯片（單芯片或者多芯片）上的I/O與基板互連

二級封裝———封裝體連入印刷電路板或其它板卡

三級封裝———電路板或其它板卡連在整機母版上

在半導體封裝和其他微電子工業裝配領域，膠粘劑涂覆是其中的一道重要工藝，其性能的好壞決定著電子產品品質的優良。隨著微電子封裝技術不斷發展，器件尺寸越來越小，安裝密度越來越高，新型封裝技術不斷涌現，對電子膠粘劑的涂覆工藝的精度、速度和靈活性提出了更高的求。

電子膠粘劑

1. 電子膠粘劑分類

微電子封裝用電子膠粘劑按封裝形式可分為半導體IC封裝膠粘劑和PCB板級組裝膠粘劑兩大類。半導體IC封裝膠粘劑有環氧模塑料（EMC），LED包封膠水（LEDEncapsulant），芯片膠（DieAttachAdhesives），倒裝芯片底部填充材料（FlipChipUnderfills），圍堰與填充材料（DamandFillEncapsulant）。PCB板級組裝膠粘劑有：貼片膠（SMTAdhesives），圓頂包封材料（COBEncapsu-lant），FPC補強膠水（FPCReinforcementAdhe-sives），板級底部填充材料（CSP/BGAUnderfills），攝像頭模組組裝用膠（ImageSensorAssemblyAd-hesives），敷型涂覆材料（conformalcoating），導熱膠水（Thermallyconductiveadhesive）。

電子膠粘劑按固化方式可分為熱固化，UV固化，厭氧固化，濕氣固化，UV固化+熱固化，UV固化+濕氣固化等。按材料體系可分為環氧樹脂類，丙烯酸酯類及其它。

電子制造上常用的膠粘劑有環氧樹脂，UV（紫外）膠水，熱熔膠，錫膏，厭氧膠，雙組膠等。環氧樹脂一般通過高溫固化，固化后粘接力大，廣泛應用在功能器件的粘接，底部填充Underfill等工藝上。在電子制造業中環氧膠的生產廠家有美國漢高旗下的樂泰，日本富士，華海誠科，回天等。UV膠通過紫外光固化，其污染小固化快，在一些包封點膠，表面點膠等領域應用最廣，目前UV膠制造廠家有漢高樂泰，信友，德邦，華海誠科，海斯迪克等。芯片封裝中固晶膠其對膠水的粘接能力，導熱率，熱阻等都有要求，在芯片封裝中特別是LED芯片封裝中，美國道康寧膠水應用最為廣泛，國內華海誠科，回天，長信，德邦，鑫東邦等公司也在投入研發生產專用芯片固定的膠水來代替國外產品。熱熔膠是結構PUR膠水，其有低溫自然水汽固化等特點，固化快，無毒無污染，由于其獨特優點正在逐漸代替其他類型膠水，目前推廣較好的熱熔膠有3M，漢高樂泰，富樂，威兒邦等。

2. 選擇膠粘劑需考慮的因素

膠粘劑的重要特性包括流變特性(黏度、觸變性、抗塌陷性及拖尾性、儲存期/條件及有效壽命)和機械特性(黏滯性、機械強度和耐熱性、固化周期、電性穩定性等。

（1）選擇膠粘劑時首先要保證符合環保要求，然后再綜合考慮膠粘劑三方面的性能：固化前性能、固化性能及固化后性能。

（2）因雙組份膠粘劑需要在適當時間混合到適當的比例，增加了工藝難度，因而應優先選用單組份系統。

（3）優選便于與綠油及電路板材料區分的有色膠粘劑，因為可以很快發現是否缺件、膠量多少、是否污染了焊盤/元件、空膠等，便于工藝控制；膠粘劑顏色通常有紅色、白色和黃色。

（4）膠粘劑應有足夠的黏滯性及濕度，以保證膠粘劑固化前元器件與電路板粘接牢固。兩者通常隨黏度而增加，高黏滯性材料可防止元器件在電路板貼裝及傳送過程中發生活動。

（5）對印刷工藝，膠粘劑涂覆后應有良好的抗塌陷性，以保證元器件與電路板良好接觸，這對于較大支撐高度元器件如SOIC及芯片載體而言尤為重要。觸變性好的膠粘劑，其黏度范圍通常為60～500Pa·s，高觸變率有助于保證良好的可印刷性及一致的模板印膠質量。

（6）對印刷工藝，膠粘劑應選擇能夠在較長時間暴露于空氣中而對溫濕度不敏感的膠粘劑，如某些新型膠粘劑的印刷壽命可達5天以上，且印刷工藝中將剩余的膠粘劑材料存入在容器中，可以再次使用。

（7）應優選那些可以在較短時間及較低溫度達到適當連接強度的膠粘劑。較好的膠粘劑其固化時間及固化溫度一般都在30～40s，120～130℃。焊接前后的強度應足以保證元器件粘結牢靠并有良好的耐熱性，有足夠的粘結力承受焊料波的剪切作用。溫度應低于電路板基材及元器件可能發生損傷的溫度，通常應低于基材的玻璃化轉變溫度，此溫度以75～95℃為宜。連接強度太大會造成返修困難，而太小則起不到固定作用。

（8）應盡可能首次完全固化。固化期間不應有明顯收縮，以減小元器件的應力。固化時不應有氣體冒溢，以免氣孔吸取助焊劑及其它污染物，降低電路板的可靠性。

（9）固化方式比較對于較寬大元器件，應選擇UV-熱固化方式，以保證涂膠的充分固化。典型的固化工藝是UV加IR輻射固化，某些膠粘劑用IR固化的時間可達到3min以下。同時，某些膠粘劑在低溫加熱時并不能很好地固化，因而也需要聯合式固化工藝。

（10）膠粘劑在固化后便不再起作用，但應不影響后續工序如清洗、維修等的可靠性。

（11）固化后應具有良好的絕緣性、耐潮性和抗腐蝕性，尤其是在潮濕環境下的耐潮性，否則有可能發生電遷移而導致短路。

膠粘劑的涂覆工藝技術

微電子封裝工業中包含許多的膠體涂覆技術，一般用來完成點的點膠，線的點膠，面（涂覆）的點膠。根據膠粘劑涂覆技術的特征常用的涂覆技術可分為大量式點膠（MassDispensing），接觸式點膠（ContactDispensing），非接觸式點膠（Non-ContactDispensing），每一類又有衍生出幾種方式，如圖1所示。

1. 大量式點膠(MassDispensing)

大量式點膠又分為針轉移和印刷法兩大類。

（1）針轉移

針轉移采用特制組合針頭吸取膠液后可一次完成整塊基板的布膠涂敷工作，是大批量生產時最簡單的涂覆工藝。首先根據基板上需要點膠的位置定制專門的針陣列，需要涂覆膠粘劑時，將針陣列的針頭上沾取適量的膠粘劑，轉移到基板上，針頭下移，膠粘劑涂到基板上，這樣一塊印刷電路板所需的膠滴一次全部滴涂完成。

針轉移技術適用于大批量生產的場合，點膠速度快，操作容易。缺點是，針移法因工裝夾具昂貴，換產緩慢；材料易受環境影響；點膠精度不高，涂覆一致性差，質量難以控制。不適合高精度及大膠點高度等，在實際生產中應用不多。

（2）印刷法

印刷法利用專門制作的絲網或模版一次完成整塊基板的布膠操作。印刷法一般可分為絲印法及模板印刷法，絲印法因涂覆質量等原因在實際生產中應用不多，主要是模板印刷法。主要應用在印制電路板大批量進行表面貼裝(SMT)，不需要經常修改的場合，所分配膠體一般為焊膏、漿料等高黏度材料。

近年來模板印刷逐漸成為一種可靠而廉價的涂膠工藝，而膠粘劑新材料/新特性的開發使印膠工藝更為可行，模板印刷法正逐漸成為高產量組裝需要的首選工藝之一。印刷可以同時涂覆所有的膠滴，但基板表面必須平坦，一定不能有突起，因為突起將阻礙絲網同基板的接觸。印刷工藝不能用于已經裝有插裝器件的混裝板。模板印刷通過控制模板的厚度和開口尺寸也可獲得理想的涂覆直徑和高度。由于印刷工藝的缺點，分別是膠粘劑暴露于空氣中、需要頻繁清理絲網掩模或漏板及容易在PCB上形成污點，難以印出最理想的膠滴。

2. 接觸式點膠工藝(ContactDispensing)

接觸式分配技術是通過針頭在z向運動使粘附在針頭端部的液滴與基板接觸，依靠液體黏滯性和界面力作用實現液滴向基板的轉移。接觸式點膠根據其驅動源不同又可分為：氣壓驅動的時間壓力型，電機驅動的螺桿泵式和電動微注射式兩種。接觸式分配技術可操作液體種類廣泛，尤其適合分配膏狀、漿料類等中高黏度的液體材料。

（1）時間-壓力型接觸式分配技術，該技術目前使用最廣泛，它是隨著SMT的發展最先引入的技術而且被業界廣泛接受，使用歷史較長。早期時間-壓力型液體分配系統基于氣壓直接驅動原理工作，即壓縮空氣直接施加在注射筒內液體材料上部，并驅使液體從針頭內流出。其主要的優點有：結構及原理簡單，使用及維護成本較低；料桶和針頭更換方便，通過更換零部件可滴出不同量的膠液；設備清洗和維修方便；系統靈活，可用點涂不同黏度的膠液。

基于氣壓直接驅動原理的液體分配過程是一個時變參數動態系統，隨著分配過程的進行，注射筒內原材料將不斷減小，氣體體積不斷增大，這導致在同樣的動作時間和壓力下，分配材料體積呈現減小趨勢，增大了控制難度，難于點出一致性良好的微小膠點。此外，空氣的可壓縮性、控閥的響應特性等嚴重限制了分配精度和工作效率的提高。該種方法多用于分配高黏度材料，當流體黏度降低后，面臨脈沖式氣壓直接擊穿液體造成針頭虛噴的問題。

為了避免氣壓直接驅動式的缺點，產品制造商開發了一系列氣壓活塞操控型液體分配閥，其原理是用恒壓空氣將液體材料擠壓進分配閥內，用另一路脈沖氣壓控制活塞的往復振動，當活塞抬起時將打開流動通道，液體在壓力作用下從針頭內流出，當活塞落下時將切斷液路，已擠出液體可在基板上形成點、線或圖案。和氣壓直接驅動型相比，該種方法分配效率較高，液滴體積較小，可分配液體黏度范圍較大。如EFD公司的隔膜閥式膠頭點膠速度可達500點/min；滑閥式膠頭在大壓力驅動下，能夠對粘合劑、銀漿的高黏度膠體實現分配；針閥式膠頭適用于中低黏度膠體，可點出0.18mm直徑的微滴，在微電子制造等需要精密微量分配場合得到重要應用。

時間壓力型點膠具有結構簡單，操作方便，價格低廉，在普通點膠行業廣為應用。目前國內自動化公司都推出自已公司的點膠控制器，而且價格低廉。時間壓力型點膠機全球應用最廣的是日本武藏時間壓力型系列產品，MS-1(基礎型用于廉價點膠)，ML-5000XⅡ（MS-1基礎上增加數顯），ME-5000VT(ML-5000XⅡ基礎上增加氣壓，流量反饋功能)。

（2）螺桿泵式點膠：又叫阿基米德螺栓法。螺桿泵式點膠分液技術，它是通過螺桿旋轉帶動膠液往針嘴處流動，并擠出完成點膠。螺桿泵式點膠在結構上利用伺服電機提供驅動壓力，可以在保持一致性的情況下對黏度較高的膠液進行分液。該膠液分配技術是目前發展最快的技術之一，在市場上的份額不斷增加，而且在很多應用上正替代時間壓力式。

這種點膠方式的優點是：適應范圍廣，可以用來點涂不同黏度的膠液，該技術驅動力大，適于分配如焊膏、銀漿等特高黏度的膠體類材料；膠點受螺桿旋轉和針頭直徑的影響，因而可以通過調節這些參數，產生不同大小的膠點以適應不同的需要；螺桿泵不但可以用來產生一系列均勻的膠點，還可以畫線和畫出不同輪廓的圖案。該技術不但可以用于滴涂貼片膠，也可以應用在諸如圍壩、填充、底填料、粘結劑和焊膏涂布等具有高精密要求的大批量工業化生產當中。缺點是：螺桿泵式點膠分配過程對溫度變化、膠內氣泡敏感，較時間壓力法需要更多的清洗，設備投資較大。

在點膠市場上主要有兩種類型螺桿泵點膠閥，一種是含定子螺桿泵，另一種是無定子螺桿泵。含定子螺桿泵優點是可以對全黏度膠液進行點膠，點膠體積幾乎只受螺桿轉動角度控制，可以實現非常高精度點膠作業。由于設備加工精度高，含定子螺桿泵德國Viscotec公司生產的Preflow系列最好。無定子螺桿泵其結構簡單，對中高黏度點膠精度控制高，特別適合焊膏點膠、銀漿點膠和高黏度硅膠點膠。最常見的無定子螺桿泵廠家有美國諾信，日本武藏，美國泰康，韓國世宗和國內高凱精密機械等。

（3）活塞式點膠。活塞式點膠基于直線位移原理，是一種正向位移的點膠方式。采用類似活塞-氣缸的機構來點膠，通過活塞擠壓針管內膠體使其流出，特別適合中、高黏度的膠體。點膠量主要由活塞位移大小決定，對膠體黏度、溫度、和壓力不敏感，在高速時有很好的一致性，重復性高，特別適合小體積連續點膠。缺點是：設備需要經常清洗，而且清洗流程較復雜；每一點膠系統所滴膠點的尺寸固定，點較量大小不好調節，靈活性稍差；對針管容腔內氣體敏感，對密封性要求很高；點膠頻率難以提高；膠液中包含較大的微粉時不適用，只適用于滴點，不適合于畫線或繪制輪廓圖案。目前活塞式點膠閥應用最廣的為日本武藏MPP-1型柱塞泵。在LED燈珠熒光粉點膠作業中以打點為主，對精度要求高，而且點膠過程中不能污染熒光粉，國內LED熒光粉點膠大多采用MPP-1柱塞泵或者與其相似的產品。

3. 非接觸式噴射滴膠

目前非接觸式噴射滴膠按其驅動方式不同可分為：氣動驅動式噴射點膠和壓電驅動式噴射點膠。噴射點膠技術，通過動量使膠水高速噴射至基板上并形成微點，由于不再需要針頭點膠中用于克服膠水附著實現點膠的z軸運動，噴射技術大幅度提高了點膠速度。當從一個點膠位置轉移到另一個位置的時候，噴射是在飛行中完成，可以在非常緊湊的區域和非粘膠區域很小的地方等苛刻工況下完成的點膠操作。由于噴射式點膠技術具有分配速度快，一致性好，液滴微小的特點。目前在小批量高精度的半導體裝配上得到了應用。例如：非接觸式點膠在電子行業如linebar燈條上應用非常廣泛。Linebar行業的用膠點在PC透鏡與PCB的粘接，快速定位點膠，單個點點膠速度可以在5ms完成。

由于高頻電磁閥結構原理的限制，氣動驅動式噴射閥最大工作頻率為333Hz。國際上推出氣動噴射點膠閥的公司及相應型號有武藏的Aero-Jet、美國諾信Asymtek的DJ9500、美國泰康公司的9000、深圳軸心自控有限公司的Jet-6000、Jet-7000等。隨后上海力橋自動化有限公司，常州高凱精密機械有限公司等陸續推出相應產品。壓電驅動式噴射點膠具有響應速度快、輸出位移精度高等特點，點膠一致性在±2%，最高頻率可達40kHz，主要應用于油墨噴印、UV膠噴印、銀漿噴印中。

不同膠黏劑涂覆工藝的比較

目前，各種膠粘劑涂覆工藝技術在適用黏度范圍、分配速度、微滴體積等方面均各有優勢，在不同場合得到應用。對比不同分配技術，可得出如下結論：

(1)分配膠粘劑黏度適應情況不同。

液體驅動方法的差異，導致各種分配技術適用黏度范圍不同。如螺桿泵式分配技術驅動力大，適合分配焊膏、含微粒漿料等特高黏度的膠體類材料；而非接觸式分配技術分配高黏度液體的能力較差，僅適合分配低中等黏度類液體材料。

(2)可分配液滴體積不同。

接觸式分配技術一般獲取的液滴體積較大，實際應用中，多用于大劑量液體材料需求場合。非接觸式分配技術可獲取更微小的液滴。另外，現有技術在分配更高黏度液體時，可分配的最小微滴體積往往呈現增大趨勢。

(3)分配速度情況不同。

非接觸式分配技術不需要噴嘴在z向移動，省略了液體與基板接觸后的停滯時間，因此具有更高的分配效率。一般，低黏度液體材料更容易實現高速分配，隨著液體黏度的增大，需要的驅動力、單滴分配時間都將增大，從而影響了分配速度的提高。

(4)工作可靠性不同。

基于接觸式分配技術的液體分配過程更容易受到如針頭位置、基板表面質量、物理空間障礙等外界因素的影響，其工作可靠性低于非接觸式分配技術。另外，非接觸式分配技術和系統對物理空間環境要求低，更適合在緊密空間、高密度分配場合應用。但非接觸式噴射系統復雜，控制麻煩，維護費用及設備成本高。

可見，不同液體分配技術在工作特性方面差異很大，微量液體配場合眾多，要求不一，使用液體材料類型廣泛。因此，充分考慮具體應用環境，結合流體類型及經濟條件等因素，選擇合適的微量液體分配方法顯得至關重要。

結論

本文介紹了目前電子膠粘劑涂覆工藝發展及應用現狀，總結了各種涂覆工藝的優缺點，指出了不同分配技術的適用情況。如今膠粘接技術為了適應更加苛刻的工作環境，滿足更加精密的技術要求，提出了新的發展方向。膠滴的微小化、系統的自動化，點膠閥的非接觸化以及膠粘劑黏度兼容化成了精密點膠技術新的研究方向。

(1)膠滴微小化

隨著微電子技術的發展，微裝配面對的零件也變得越來越小，就要求點膠系統得到的膠滴要向微小化方向發展。

(2)點膠系統自動化

我國許多行業中自動化程度并不高，在微小裝配中絕大多數是利用工人的技術和工作經驗來完成粘接的，因此，點膠量的波動很大，一致性難以保證，提高點膠系統的自動化程度有重要意義的。

(3)點膠閥非接觸化

傳統的點膠系統一般采用的是時間/壓力式、螺桿泵式以及活塞式點膠閥。接觸式的點膠閥除有一致性難以保證、難以維護等缺點之外，還很難實現狹小空間中的點膠操作，噴射點膠技術不但克服了空間的局限性而且消除了z軸方向上的移動，并具有點膠速度快、生產效率高、一致性好、響應速度快等優點，因此點膠分液技術正在經歷一場由接觸式向非接觸式的轉變。

(4)膠粘劑黏度的兼容化

膠粘劑的黏度是影響點膠質量的一項重要因素，黏度過低時，在噴射點膠過程中很容易發生飛濺；黏度太高，表面張力過大，又很難形成較小的膠滴，也容易發生拉絲、堵塞噴頭、噴頭邊緣黏滯等問題。一種點膠系統如果能夠適用于多種黏度膠粘劑，不僅可以降低設備成本，而且可以縮短生產周期。

審核編輯：湯梓紅