沒有人喜歡壓力。壓力不僅僅是讓人不愉快；它還會對日益復雜的芯片封裝產生負面影響，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備中。毛細管填充、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，不容易給部件帶來壓力，延長了封裝的使用壽命，并簡化了返工的過程。

幾乎沒有任何設備可以離開半導體芯片；這遠遠超出了消費電子產品的范疇。無論是在智能手機、汽車、廚房電器還是數據中心，這些復雜的所謂 "微型計算機 "無處不在。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過程中通過回流焊連接。為了保護它們不受環境影響，它們通常還用環氧樹脂材料進行包封。

跟隨智能設備和物聯網的趨勢，這些微型計算機的功能越來越強大，封裝本身也越來越大。這提出了一個新的挑戰，電路板上封裝的無應力加固。

先是 "摩爾定律"，現在是 "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量大約每兩年翻一番，被稱為 "摩爾定律"，并在一段時間內一直是標準。然而，隨著單位面積晶體管數量的增加，該法則現在已經達到了極限。這解釋了關于 "超摩爾"（More than Moore）的話題越來越多，這種方法不僅提高了芯片的計算能力，而且還能在相同的空間內同時容納更多的功能。在技術實施方面，采用了異構集成的概念。也就是說，幾個具有不同功能的芯片通常被組合在一起，被稱為系統級封裝（SiP）。

01功能密度增加的大型組件

與單個芯片相比，集成多個芯片會令封裝變得更大。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，一個封裝的內部結構相應地由復雜的、多層材料組合而成，包括半導體芯片、銅片、電介質和環氧化合物。

由此，再加上外部尺寸的增加，給焊點帶來了更大的壓力，因為焊點既要負責將封裝與基材直接按電路接通，也要將其機械地連接起來。此外，受到環境溫度的變化，球柵陣列的每個角落也容易受到壓力。

這就是為什么組裝好的板子經常要經過嚴格的測試，作為其鑒定過程的一部分，以確保有更長的使用壽命。例如，在數據中心使用的封裝要接受從-40℃到100℃的溫度測試。在這些溫度循環測試中，隨著封裝尺寸的增大，即使熱膨脹系數保持不變，這些尺寸變化的影響也變得越來越明顯。可以分析所產生的封裝的翹曲，見圖1。在低溫下，保護半導體芯片的環氧樹脂收縮，而在室溫下，這些材料處于平衡狀態。在高溫下，環氧樹脂的膨脹程度比BGA上的芯片要大。

圖1: 由于不同材料的熱膨脹系數不同，導致包裝的翹曲。

動態彎曲給外部焊點帶來巨大的壓力，隨著時間的推移，會令連接斷開，從而導致電氣故障。跌落和振動測試還表明，由于質量增加，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，更多強大的焊料被開發出來。同時，焊好的封裝也用反應性粘合劑進行了額外的加固。對于粘合劑，這種加固可以遵循許多不同的方法。最常見的是完全的底部填充過程，也稱為毛細底部填充（CUF）。

02CUF 毛細底部填充：

通過全表面下填充的方式強化BGA

粘合劑在焊接封裝的一側進行點膠，，然后通過毛細管效應，在整個部件的下方流動，隨后再通過加熱使粘合劑固化。伴隨CUF帶來的一個挑戰是要確保粘合劑完全流到底部，且在這個過程中沒有產生任何氣泡。否則，一旦發生溫度變化，氣泡就會向后擠壓封裝，導致焊點脫落。不過，正確使用的CUF提供了最大限度的加固，因為封裝的整個表面可被用來連接到電路板上。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（作為硬度的衡量標準）、熱膨脹系數（最好該系數等于所用焊料的熱膨脹系數）和粘稠度（粘稠度低則可在底部實現快速流動）。

然而，隨著封裝越來越大，粘合劑完全流淌到每個封裝所需的時間也在增加。如果在生產中或在現場由于連接錯誤而發生故障，個別封裝需要被返工。在這種情況下，返工過程是一個相當普遍的解決方案，通過對局部加熱來液化焊點，以便能夠拆除元件。然而，對于像整個底部填充CUF這樣具有高玻璃轉化率的連接來說，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：

無應力加固，易于返工

在邊角進行加固（圖2a）--與整個底部填充封裝不同--只在最外側的四個角上點膠和固化。在這種情況下，粘合劑不會流到元件底部，也不會接觸到任何焊點（圖2b），因此可以在返工之前去除。邊角固定工藝，操作簡單、速度快，只需點膠和固化，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到底部。此外，可以通過調整粘合劑的用量來優化成本效益因素，這在CUF中通常是不可能的，因為總是需要相同數量的粘合劑來填充整個空間。

圖2: a) 測試部件上的紫外線固化邊緣粘接，b) 顯微照片：邊角固定，只濕潤了側面，沒有流到封裝下面。沒有焊點被粘住，這大大簡化了返工過程。

通過使用測試元件，使膠粘劑制造商能夠分析與之非常相近的實際應用的功能組件。包括用原始材料和準確的目標幾何形狀（包裝尺寸、間隙寬度等）對粘合劑進行評估，隨后直接在部件上進行驗證。在所示的測試裝置中（圖3），一個17 x 17毫米的封裝元件被焊接到一個電路板上，連接處受到反復的熱應力沖擊。持續測量通過封裝和印刷電路板的電阻（圖3a）（圖3b），發現電阻的增加超過預定的限度（例如20%），表明焊點以及組件的失效。

圖3: 3a) 測量電阻的測試用電路示意圖。3b)幾個測試設置在壓力下(在這個例子中，熱沖擊)記錄的測量電阻。

邊角固定通常是熱固化的；回流焊之后，還需要另一個烘烤過程。紫外線固化是一個更好的選擇，因為它可以在室溫（RT）下完成，這樣可以避免產生熱應力。隨著使用環境溫度的變化，工件會逐漸離開室溫時的無應力狀態，但只有大約一半的比例。因此，例如，在使用溫度下限-40℃時，溫差僅為ΔT≈63℃，在使用溫度上限 100℃時，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的最大溫差將達到ΔTmax ≈140°C。圖4說明了固化過程中的應力分布。

圖4: 在熱固化（a）的情況下，粘合劑在固化溫度（如100℃）下為無應力狀態，這意味著在室溫下便會形成應力。紫外線固化（b）則可實現室溫下的無應力狀態。

紫外線固化的邊角固定在工藝速度和減少碳排放方面也有優勢。一個典型的熱固化過程在100℃下需要大約10分鐘，而紫外線固化在室溫下可以在幾秒鐘內完成。選擇紫外線固化可以減少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，并與焊點接觸。因此，考慮到對資源的精心利，邊角固定不但可以強化加固，從包封角度看也是一項容易返工的工藝。整體而言，整個粘合過程節省了能源，降低了碳排放。

04Cornerfill邊角填充：

加固復雜包封的另一種選擇

除了毛細底部填充CUF和紫外線邊角固定Edge bond，根據不同的應用優勢，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工藝將角部也進行填充包封，以實現更大的加固。然而，邊角填充材料通常是熱固化的，在可持續性方面存在短板，而且比較難以返工。圖5示意性地說明了邊角加固、邊角填充和毛細底部填充之間的區別。對于每個具體的應用，需選擇最合適的工藝，以滿足要求。

圖5：邊角固定、邊角填充和毛細底部填充（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。粉紅色為點膠區域。

05總結

毛細管填充、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越大和越來越復雜的封裝。紫外線固化邊角固定Edgebond是一個操作簡便、成本效益高的解決方案，在許多應用中可以延長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程更簡單。焊點的加固仍然是持續研究和開發的要點--無論是在粘合劑和焊料的制造商之間，還是在終端用戶之間，以獲得更智能、更有效的解決方案。

審核編輯：湯梓紅