摘要：

介紹了一種提升表面貼裝元件粘膠加固工藝質量的方法。歸納了表征表面貼裝元件粘膠加固工藝質量的關鍵指標，通過正交試驗優化了膠體固化工藝，大幅度提升了片式元件粘膠加固的工藝質量一致性。觀察了改進前后膠體分布情況，以及膠體流淌對于周邊元器件的影響，簡要分析了膠體固化工藝對于粘膠加固質量的影響機理。

0 引言

混合集成電路（HIC）作為微電子領域的一個重要分支，它的發展得益于軍用電子裝備的高性能、多功能、小型化和高可靠性的要求。為應對軍事用途中的惡劣使用環境，混合集成電路通常對內部的表面貼裝元件（SMD）進行加固處理，以提升電路的抗振性能及整體可靠性。

底部填充技術（Underfill Process）多用于倒裝芯片封裝技術（Flip Chip）。由于工藝過程及作用機理類似，其同樣適用于混合集成電路內部的元件粘膠加固。元件粘膠加固工藝的原理是通過粘接劑對元件進行底部填充，消除元件下方的鏤空區域，改善元件安裝結構，從而提升元件的牢固性及質量可靠性。

對于底部填充及元件粘膠加固工藝的研究工作，主要集中于元件組裝結構設計、粘接劑選型、粘接劑施加等方面。粘接劑固化工藝，各應用單位一般套用粘接劑廠家提供的固化溫度及固化時間，相關研究工作開展較少。本文通過優化粘接劑固化工藝，大幅度提升了元件粘膠加固質量。

1 粘膠加固質量評價標準

1.1 國軍標評價標準

為評價軍用混合集成電路內部的元件牢固性，“GJB548B-2005 微電子器件試驗方法和程序”中“方法2019.2 芯片剪切強度”規定了片式元件剪切強度的測量方法，并根據殘留模式，規定了不同的失效判據，如圖 1（a）所示。本文所有關于剪切強度的測量，均執行該方法。

該方法規定符合以下任一條判據的器件均應視為失效：

a) 達不到圖 1 中 1 倍曲線所表示的剪切強度要求。

b) 達不到圖 1 中 1.25 倍曲線所表示的剪切強度要求，同時元器件在附著材料上的殘留小于附著區面積的50%。

c) 達不到圖 1 中 2 倍曲線所表示的剪切強度要求，同時元器件在附著材料上的殘留小于附著區面積的10%。

為簡化試驗，本文將達到 2 倍曲線作為元件剪切強度的最低要求。本文以 0603 片式元件為試驗樣本，其剪切強度計算以《火炬牌軍用電容器選項指南》提供的尺寸為依據。根據 2 倍曲線，計算 0603 片式元件剪切強度下限約為 15.4 牛頓。

1.2 企業評價標準

GJB548 僅明確了元件剪切強度的下限，并未對剪切強度的一致性做出規定，不利于控制底部填充工藝的質量一致性。對于高可靠性應用，一般要求同一只電路中，相同封裝的元件的剪切強度的極商小于 3。現代企業常采用統計過程控制技術（SPC）及制程能力指數（CPK 值）評估制程能力，本文以剪切強度均值的 0.5 倍和 1.5 倍為上下限，計算 CPK 值。CPK 值越高，代表剪切強度一致性越高，企業一般要求 CPK 值大于 1.33。

2 固化條件優化

2.1 影響因素確定

粘接劑固化工藝，采用電熱鼓風烘箱進行，多采用隨爐升溫的固化方式。為改善粘接劑在元件底部的流動性能，提高填充率從而提升剪切強度，本文采用預固化工藝。即在烘箱穩定于預固化溫度后，再放入電路進行預固化，完成預固化時間后，再隨爐升溫到固化溫度并按固化時間進行固化。

固化工藝的影響因素包括：預固化溫度、預固化時間、固化溫度、固化時間。本文選用的粘接劑廠家推薦的固化條件為 150℃固化 30 分鐘。由于固化溫度由材料特性確定，不宜變更，故重點研究其余三個因素：預固化溫度、預固化時間、固化時間。

2.2 首次正交試驗

按表 1 選定因素水平。按表 2 進行正交試驗并記錄試驗數據。按表 3、表 4 進行試驗數據處理。試驗結果見圖 1（b）、圖 2（a）、圖 2（b）、圖 3（a）。

其中：L 1 ~ L 4 是某一實驗分組獲得的所有剪切強度值的平均值。C 1 ~C 4 是某一實驗分組獲得的所有剪切強度值的 CPK 值。K 1 ~ K 2 是某一因素某一水平對應的剪切強度平均值，代表其它因素綜合作用相同時，該因素在該水平時的綜合剪切強度平均值。K 是某一因素對剪切強度平均值的影響因子，代表該因素對于剪切強度平均值影響的顯著性。k 1 ~ k 2 是某一因素某一水平對應的剪切強度 CPK 值，代表其它因素綜合作用相同時，該因素在該水平時的綜合剪切強度 CPK 值。k 是某一因素對剪切強度 CPK 值的影響因子，代表該因素對于剪切強度 CPK 值影響的顯著性。

在本次試驗所選取的因素和水平范圍內：對于剪切強度平均值，預固化溫度的影響≈預固化時間的影響<固化時間的影響；對于剪切強度 cpk="">預固化時間的影響>固化時間的影響。當預固化溫度升高，預固化時間延長，固化時間延長時，剪切強度的平均值及 CPK 值均程上升態勢。因此，在第二次正交試驗中，選擇更高的預固化溫度、更長的預固化時間、更長的固化時間進行試驗。

2.3 第二次正交試驗

按表 5 選定因素水平。按表 6 進行正交試驗并記錄試驗數據。按表 7、表 8 進行試驗數據處理。試驗結果見圖 3（b）、圖 4（a）、圖 4（b）、圖 5（a）。

在本次試驗所選取的因素和水平范圍內：對于剪切強度平均值，預固化溫度的影響>固化時間的影響,預固化時間的影響較小可忽略；對于剪切強度 CPK 值，預固化溫度的影響>預固化時間的影響>固化時間的影響。當預固化溫度升高，預固化時間延長，固化時間延長時，剪切強度平均值及 CPK 值均程上升態勢。因此，選擇與固化溫度相同的預固化溫度，如此則將預固化時間并入固化時間一并考慮，重點研究固化時間對剪切強度的影響。

2.4 固化時間對剪切強度的影響

固化時間對剪切強度的影響，如表 9、圖 5（b）、圖 6（a）所示。隨固化時間的延長，剪切強度均值和剪切強度 CPK 值均程上升趨勢，當固化時間大于 150 分鐘時，上升趨勢明顯放緩，考慮到固化周期及產能因素，確定固化時間為 150 分鐘。

2.5 改進前后對比

通過優化固化工藝，大幅度提升了元件剪切強度平均值及 CPK 值，大幅度超過 GJB548 要求的 15.4牛頓，見表 10。

3 粘膠加固后質量檢驗

試驗樣品均采用自動點膠機進行粘膠加固工藝，以保證膠體施加的質量一致性，如圖 6（b）所示。剪切力測試完畢后，收集剪切脫落的片式元件和基板，觀察片式元件底部和基板上的膠體殘留情況，如圖 7、圖 8 所示。改進前，片式元件底部與基板之間的縫隙存在較大空洞，未被膠體填充，影響了片式元件的剪切強度。改進后，片式元件底部與基板之間的縫隙完全被膠體填充，片式元件剪切強度平均值和 CPK 值均明顯提升。

4 膠體流散的影響

元件加固膠的主要成分為環氧樹脂，在高溫下粘度降低、流淌性增加。膠體一旦流動并沾污其他元器件，可能造成電路返工甚至報廢。元件粘膠加固工藝，必須減少膠體流散對于周邊元器件的影響。由于膠體邊界不易測量，且常規的平面點膠試驗無法驗證電路內部三維結構的影響，因此，本文模擬電路實際結構，設計了一種用于衡量膠體流散程度的試驗，如圖 9（a）所示。元件組裝、粘膠加固、金絲鍵合均采用自動設備，保證與正式生產過程一致，將膠體邊界設計為緊貼鍵合金絲壓焊點，并觀察改進前后膠體邊界與壓焊點的位置關系。如圖 10 所示，改進前后，膠體邊界與壓焊點的位置關系沒有明顯變化，說明改進措施在

改善了元件底部膠體填充的同時，不會導致膠體流散及沾污。

如圖 9（b）所示，膠體在片式元件底部與基板之間間隙的填充，存在毛細作用，膠體粘度的降低可以顯著改善填充效果。在膠體外邊界位置，不存在毛細作用，因此膠體粘度降低對于膠體流淌的影響不大。

5 機理分析

元器件剪切強度平均值及 CPK 值，取決于粘接劑在元件底部的填充率及粘接劑的固化度。

粘接劑在元件底部的填充率取決于粘接劑的粘度及流動時間。生產過程表明，本文所使用的粘接劑在固化過程中，其粘度發生顯著變化所需的時間，遠遠大于粘接劑在該粘度下填充元件底部所需的時間，因此，填充率主要取決于粘接劑所能夠達到的最低粘度，而不是粘接劑在最低粘度維持的時間。即粘接劑所能達到的最低粘度越低，粘接劑就能夠填充更多的元件底部面積，獲得更高的填充率。

對于聚合物體系，一般具有固化度越低，粘度越低的特性。在圖 11（a）中，“溫度-時間曲線”下方的面積反映了粘接劑的固化度。樣品溫度剛達到 150℃時，“150℃預固化曲線”下方的面積 B 小于“隨爐升溫曲線”下方的面積 A。因此，此時“150℃預固化樣品”與“隨爐升溫樣品”相比，固化度更低，粘度更低。圖 11（b）中的“粘度-時間曲線”表明，樣品在溫度剛達到 150℃時，獲得最低粘度。“150℃預固化樣品”與“隨爐升溫樣品”相比，最低粘度更低，因此能夠獲得更高的填充率、剪切強度平均值及 CPK值。

延長粘接劑固化時間，有助于提升粘接劑的固化度，增加粘接劑在分子尺度上的交聯固化，可以有效消除內部缺陷，提升元件剪切強度的平均值及 CPK 值。

6 結論

本文通過正交試驗優化粘接劑固化工藝，顯著提升了片式元件粘膠加固質量，大幅度提升了元件剪切強度平均值及 CPK 值。主要措施是：通過提升粘接劑的預固化溫度，降低粘接劑在固化過程中的最低粘度，提升粘接劑在元件底部的填充率；通過延長粘接劑的固化時間，提升粘接劑的固化度。同時，正交試驗的采用有效減少了試驗次數，提升了試驗效率。

本文提出的優化固化工藝的方法成本低、見效快，對于片式元件粘膠加固工藝優化具有一定借鑒意義。但是，固化工藝對于元件底部填充質量的影響，很大程度上取決于粘接劑的材料特性，對于不同的粘接劑，還必須開展針對性的試驗驗證。