在許多底部填充膠(underfill)的應用中，包括從柔性基板上的最小芯片到最大的BGA封裝，底部填充膠(underfill)中出現空洞和氣隙是很普遍的問題。這種在底部填充膠(underfill)部位出現空洞的后果與其封裝設計和使用模式相關，典型的空洞會導致可靠性的下降，本文將探討減少空洞問題的多種策略。
如果已經確定了空洞產生的位置，你可能就已經有了檢測空洞的方法，不同的方法對問題的解決都是有用的。其中最常用的三種檢測空洞的方法分別是：利用玻璃芯片或基板，超聲成像和制作芯片剖面或將芯片剝離的破壞性試驗。
采用玻璃芯片或基板會十分有效，這種方法能對測試結果提供即時反饋，并且能有助于理解何種流動類型能使下底部填充膠(underfill)的流動速率達到最優化，而采用不同顏色的底部填充膠(underfill)材料也可幫助實現流動直觀化。這種方法的缺點在于玻璃器件上底部填充膠(underfill)的流動和空洞的形成行與實際的器件相比可能有些細微的偏差。
超聲聲學成像是一種強有力的工具，它可以讓使用者在底部填充膠(underfill)無論是否固化的情況下，檢測實際產品器件存在于下底部填充膠(underfill)中的空洞。它的空洞尺寸的檢測限制取決于封裝的形式和所使用的儀器，所以與設備制造商進行聯系來了解儀器能夠檢測到何種空洞尺寸是十分必要的。這類儀器在檢測分層和互連失效的可靠性測試中也非常有用。
破壞性測試采用截面鋸斷，或將芯片或封裝從下底部填充膠(underfill)上剝離的方法，這些方法有助于更好地了解空洞的三維形狀和位置，但這種方法最主要的缺點在于它不適用于還未固化的器件。
空洞產生有一些潛在的根源，通過測試來了解空洞及其產生根源有助于進一步來減少空洞。產生空洞的原因包括：
● 流動型空洞——其中還存在著幾種子類型，但所有這些空洞都是在底部填充膠(underfill)流經芯片和封裝下方時產生，流動波陣面的前沿可能會包裹氣泡而形成空洞。
● 水氣空洞——這種類型的空洞是在底部填充膠(underfill)固化時遇上了基板除氣排出的水氣而產生。這種情況通常發生在有機基板中。
● 流體膠中氣泡產生空洞——在材料供應商包裝好的流體膠材料中很少出現氣泡，因為大部分的供應商都很注重封裝材料的無氣泡化。然而，對流體膠材料的處理不當或從供應商
處收到流體膠材料后又對它進行重新分裝就可能會引入氣泡。在有些情況下，供應商提供的
樣品或實驗性流體材料未經充分除氣。而一些自動施膠設備如果沒有設定好的話，也會在施膠時在其流動途徑上產生氣泡。
● 沾污空洞——助焊劑殘渣或其他污染源也可能通過多種途徑產生空洞。
空洞的特性
了解空洞的特性有助于將空洞與它們的產生原因相聯系，其中包括：
● 形狀——空洞是圓形的還是其他的形狀？
● 尺寸——通常描述成空洞在芯片平面的覆蓋面積。
● 產生頻率——是每10個器件中出現一個空洞，還是每個器件出現10個空洞？空洞是在特定的時期產生，還是一直產生，或者是任意時間產生？
● 定位——空洞出現在芯片的某個確定位置還是任意位置？空洞出現是否與互連凸點有關？空洞與施膠方式又有什么關系？
第一步先確定空洞是產生于固化前還是固化后，這對排除某些產生空洞的原因很有幫助。如果空洞不在施膠后出現，而在固化后出現，那么就可以不將流動型空洞或由流體氣泡引起的空洞作為這種空洞的產生根源，這樣將有助于尋找其他的水氣問題和沾污問題、固化過程中氣體釋放源問題或者固化曲線的問題。大部分下底部填充膠(underfill)材料都會在固化過程中產生收縮，從而在互連凸點上產生壓應力以提高其可靠性，這種收縮作用使得所有的氣體釋放源都有可能會產生空洞。如果空洞在固化前或固化后呈現出的特性完全一致，這將清晰地表明某些底部填充膠(underfill)在流動時會產生空洞，并可能不只具有一種產生源。在某些情況下，沾污可能會產生兩種不同類型的空洞：它們會形成一種流動阻塞效應，然后在固化過程中又會釋放氣體。
兩種或更多種類的流動波陣面交會時包裹的氣泡會形成流動型空洞，造成這種情況的一種原因可能與施膠的圖案有關。在一塊BGA板或芯片的多個側面進行施膠可以提高底部填充膠(underfill)流動的速度，但是這也增大了產生空洞的幾率。采用多種施膠圖案，或者采用石英芯片或透明基板進行試驗是了解空洞如何產生，并如何來消除空洞的最直接的方法。通過在多個施膠通道中采用不同顏色的下填充材料是使流動過程直觀化的理想方法
溫度會影響到底部填充膠(underfill)材料流動的波陣面。不同部件的溫度差也會影響到膠材料流動時的交叉結合特性和流動速度，因此在測試時應注意考慮溫度差的影響。
通常，往往采用多個施膠通道以降低每個通道的填充量，但如果未能仔細設定和控制好各個施膠通道間的時間同步，則會增大引入空洞的幾率。采用噴射技術來替代針滴施膠，控制好填充量的大小就可以減少施膠通道的數量1。膠體材料流向板上其他元件（無源元件或通孔）時，會造成下底部填充膠(underfill)材料缺失，這也會造成流動型空洞。采用噴射技術有助于對下底部填充膠(underfill)流動進行控制和定位。
存在于基板中的水氣在底部填充膠(underfill)固化時會釋放，從而在固化過程產生底部填充膠(underfill)空洞。這些空洞通常隨機分布，并具有指形－或蛇形的形狀，這種空洞在使用有機基板的封裝中經常會碰到。
要測試空洞是否由水氣引起，可將部件在100℃以上前烘幾小時，然后立刻在部件上施膠。一旦確定水氣是空洞的產生的根本原因，就要進行進一步試驗來確認最佳的前烘次數和溫度，并且確定相關的存放規定。一種較好的含水量測量方法是用精確分析天平來追蹤每個部件的重量變化。
需要注意的是，與水氣引發的問題相類似，一些助焊劑沾污產生的問題也可通過前烘工藝來進行補救，這兩類問題可以通過試驗很方便地加以區分。如果部件接觸到濕氣后,若是水氣引發的問題則會再次出現，而是助焊劑沾污所引發的問題將不再出現。
由過量助焊劑殘渣引起的沾污常常會造成不規則或隨機的膠流動的變化，特別是在互連凸點處。如果因膠流動而產生的空洞具有這種特性，那么需要慎重地對清潔處理或污染源進行研究。在某些情況下，在底部填充膠(underfill)固化后助焊劑沾污會在與施膠面相對的芯片面上以一連串小氣泡的形式出現。顯然，底部填充膠(underfill)流動時將會將助焊劑推送到芯片的遠端位置。
前文中已經提到，大部分的材料供應商對下封裝底部填充膠(underfill)中的氣泡問題都非常小心。處理不當、重新分裝或施膠技術不當都會引發氣泡問題。有一種直接的方法可以檢測底部填充膠(underfill)材料中是否存在著氣泡，可通過注射器一個極細的針頭施膠并劃出一條細長的膠線，然后研究所施的膠線是否存在縫隙。如果已經證實底部填充膠(underfill)材料中存在氣泡，就要與你的材料供應商聯系來如何正確處理和貯存這類底部填充膠(underfill)材料。
如果沒有發現氣泡，則用閥門、泵或連接上注射器的噴射頭重復進行這個測試。如果在這樣的測試中出現了空洞，而且當用注射器直接進行施膠時不出現空洞，那么就是設備問題造成了氣泡的產生。在這種情況下，就需要和你的設備供應商聯系來如何正確設置和使用設備。
下底部填充膠(underfill)的空洞是一個惱人的生產問題。了解空洞形成的不同起因的及其特性，以及如何對它們進行測試，將有助于工程師門來解決下底部填充膠(underfill)的空洞問題。
屹立芯創 · 除泡品類開創者
