随着近30年技术的不断发展，业界用树脂基材料填 充元器件/芯片与基板之间缝隙的应用日益广泛。 业界元器件I/O数越来越多、间距越来越小及功 能日益复杂，这些需求都不断推动底部填充材料的填充物性 能、流动率、固化率、CTE（热膨胀系统）和模量性能的发 展改进。同时，尽管毛细管型底部填充技术仍是业界主流， 但提高制造效率、解决技术挑战的需求使其它的底部填充材 料（非流动型、预置型）不断发展。

当前技术

目前使用的底部填充系统可分为三类：毛细管型底部填 充（capillary underfill）、助焊（非流动）型底部填充 [fluxing （no-flow） underfill] 和四角或角点底部填充系统。每类底 部填充系统都有其优势和局限，但目前使用最为广泛的是毛 细管型底部填充材料。

尽管采用毛细管型底部填充可以大大地提高可靠性， 但完成这一工艺过程需要底部填充材料的点涂设备、足够的 厂房空间安装设备，以及熟悉专业技能的工人。由于这些投 资要求以及缩短生产时间的压力，业界开发出了助焊（非流 动）型底部填充技术。

非流动型底部填充技术是由前摩托罗拉公司的Robert Pennisi发明的[1]，并在底部填充市场占有一席之地。通过摩 托罗拉的授权，第一款商用材料是在上世纪九十年代后期面 世的。尽管有许多供应商都在销售非流动性底部填充材料， 但只有少数公司有官方的授权许可，所以选择材料时务必小 心。

相对于其它现有的底部填充系统来说，非流动型底部填 充的主要优点在于简化了组装工艺，在材料性能方面并没有 明显差异。为了让底部填充的填充过程与传统的表面组装工 艺实现更好的兼容，非流动型底部填充不需要使用专门的固 化炉。通过将助焊剂性能集成到底部填充材料中，CSP的焊 点焊接和材料固化两个工艺实现了合二为一。在组装过程 中，在元器件贴装之前先将非流动型底部填充材料点涂到焊 盘位置上。当单板进行回流焊时，底部填充材料可以作为助 焊剂，活化焊盘形成金属化焊点互连，并在回流炉中同时完 成填充材料的固化。因此，可以用常规的表面组装工艺实现 底部填充（如图2所示）。

从设备和人员投入的角度来讲，非流动型底部填充系统 节约了成本和时间，但使用这一技术也会受到一些限制。与 毛细管型底部填充不同，非流动型底部填充材料必然含有非 填充物，会造成底部填充不饱满。底部填充材料中的填充物 可能妨碍元器件焊球与单板焊盘之间良好接触。从设计上考 虑，为了让回流焊接形成良好的焊点，要求该系统内不能含 有微粒，然而，如果没有填充物又会存在问题。没有这些填 充颗粒，材料的热膨胀系数（CTE）会较高，经过温度循环 后其性能就不如毛细管型底部填充稳定。另外，由于采用的 是传统的回流工艺，如果不进行严格控制，其制造优势会变 成导致直通率下降的劣势。再有，回流时单板上吸附的湿气 也会被释放出来，在底部填充中形成空洞。（新的改进工艺 已经解决了上述问题和缺点，在本文后面的章节中会加以介 绍。）

对于带中间插入层或边角阵列的 CSP来说，采用毛细管型底部填充或非流 动型底部填充系统都不如角点底部填充方 法合适。这种方法是将底部填充材料事 先点涂到CSP的角落焊盘位置（如图3所 示）。与非流动型底部填充类似，角点底 部填充技术的主要优势在于可以使用现有 的组装设备，并与焊点回流同时完成材料 固化。角点底部填充的另一个优势在于这类底部填充是可以 返修的，这样制造商就可以避免因为一个器件缺陷就报废整 块单板。

新技术发展需要提高可靠性

应用底部填充技术，提高传统锡铅组装产品的可靠性的 应用已有数年。随着器件及其引脚间距变得越来越小、功能 要求越来越多，同时要切换到新的无铅工艺，这就使底部填 充技术的应用在下一代电子产品中变得越来越重要。

尤其对于无铅制造，底部填充可以提高CSP无铅焊点的 可靠性。与传统的锡铅焊点相比，这些封装的无铅焊点更容 易因CTE失配而造成失效。由于无铅工艺的回流温度较高， 基板的翘曲变得更为严重，同时无铅焊料本身的延展性又较 低，因此无铅焊点的失效率较高。虽然CSP这种封装本身并 不需要底部填充，但切换到无铅工艺后，焊点脆性较大，为 了提高焊点可靠性，需要对CSP进行底部填充，并采取最具 性价比而灵活的解决方案[2]。

当然，元器件小型化的趋势也使底部填充的应用日益广 泛，同时，如果业界向引脚间距为0.3mm的CSP、引脚间距 小于180um的倒装芯片封装以及更小尺寸发展，采用底部填 充可能是保证生产线直通率的唯一方法。

未来技术的发展

不但元器件的密度越来越高，制造商面临的成本压力 也越来越大，所以面对不断变化的技术发展的同时要确保 产品的高可靠性，电子产品制造商必须以具竞争力的成本 实现这些需求。为了解决这些问题，新一代的底部填充技 术应运而生，它们尽管仍处于一个产品初期，但已经显示 出很好的应用前景。

如前所述，非流动型底部填充的优势明显，其工艺效 率较高，并且减少了设备和人员成本，但在使用底部填充材 料时遇到的技术难题使这些优势都变得不重要了。不过，目 前市场上出现了新型的含有50％填充成分的非流动型底部 填充材料，这样的填充物比例，可以在保持非流动型底部填 充工艺流程的同时，改善填充材料的温度循环性能。

另一个备受关注的创新是预成型底部填充技术，该项 技术有望在后道组装中避免进行底部填充，而在CSP进行 板级组装之前预置底部填充材料，或者在晶圆级工艺中预 置底部填充材料。预成型底部填充的概念很好，但在目前 的制造工艺流程上还有一些问题需要解决。

预置晶圆级底部填充材料，可以在焊凸工艺之前或之 后预置预成型底部填充材料，但两种方法都需要进行严格 的工艺控制（如图4所示）。如果在焊凸工艺之前预置，必 须考虑工艺兼容问题。与之相反，如果在焊凸工艺之后预 置，则要求预成型底部填充材料不会覆盖或损坏焊凸。此 外还需考虑在晶圆分割过程中底部填充材料的完整性，并 评估产品的长期稳定性。尽管某些材料供应商对预成型底 部填充材料的研发的确先进，但将这一产品投入大规模应 用还有更多的工作要完成。

结论

经过业界对底部填充近30年的不断研究和实际应用， 目前已经成为电子制造的重要组成部分。如果没有底部填 充，可以肯定当今的细间距器件就无法解决可靠性问题。 此外，无铅制造的工艺和温度要求使无铅焊点柔韧性不如 锡铅焊点，元器件技术的微型化发展等都要求使用底部填 充材料，以解决无铅焊点互连体系的CTE不匹配问题，降 低焊点的失效率。

新工艺的要求、器件功能的不断增多和封装尺寸的 减小，这些因素都要求越来越多地使用坚固的底部填充系 统。尽管目前已有很多种不同类别的底部填充技术，但为 了更好地满足电子产品多功能、低成本的要求，还需要进 一步开发出下一代、高性价比，以及工艺流程简单的底部 填充材料技术。

参考资料

[1] R. Pennisi, M. Papageorge, “Adhesive and Encapsulant Material with Fluxing Properties,” U.S. Patent 5,128,746, July 7, 1992

[2] Toleno, B. Underfills in Pb-free Assemblies , Circuits Assembly, June 2005