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点胶工艺介绍之Underfill胶量评估方案
  2024-04-01      388

点胶工艺介绍之Underfill胶量评估方案

薛广辉

1 Underfill胶水简介

业界同仁都非常清楚Underfill胶水在消费电子,医疗,车载,军工等产品上的应用十分广泛,其主要成分为环氧基的热固型材料。点Underfill胶的主要作用是改善产品的冷热冲击和抗跌落性能,目前业内常用的Underfill的化学成分组成主要为以下11种材料:

充当固化剂酸酐材料

可降低体系CTE的球形硅微粉

可消除胶水内气泡的消泡剂

可促进填料均匀分散的分散剂

对胶水着色的碳黑色浆

调节胶水反应速度的促进剂

调节体系粘度的环氧稀释剂

调节体系流平效果的流平剂

调节荧光效果的荧光剂

调节体系韧性的橡胶

可提供本体强度和高Tg的高纯环氧树脂

以上11种材料在经过特定配比后混合搅拌就组成了Underfill胶水,这些材料决定了胶水的主要功能特性,是胶水选型应用时需关注的要素。具体胶水评估选型需关注的要点,请参考笔者文章《点胶工艺介绍之Underfill胶水评估》,此处不再赘述。

2 Underfill胶量异常带来的困扰

当产品在研发设计阶段完成胶水选型以后,在生产施胶应用过程中,如何在拿到产品堆叠效果图后,就可以快速预估出芯片所需胶水用量,并评估出对应的点胶所需的路径及空间,是长期困扰生产现场一线工程人员的难题。当胶量不足时导致的胶水未渗透,气泡空洞,屏蔽盖爬胶不良,当胶水过多时导致的浪费及屏蔽盖爬胶等不良,都会给后工序生产带来不必要的负担,如下图所示,

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图1胶量不足导致胶未渗透对角

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图2 点胶工艺异常导致的胶洞异常

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图3胶量过多导致的屏蔽盖爬胶异常     

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 图4胶量不足导致的芯片少胶气泡

此类异常多为目视无法有效快速拦截,且在SMT后工序组装上机以后才能发现的品质异常,因此这些异常会导致维修成本高,耗费巨大的财力、物力、人力用于不良品处理,可以讲一线工程人员苦Underfill胶量定义问题良久矣。

基于以上业内困扰问题,笔者以手机主板Underfill芯片点胶为例,为大家提供一种依据芯片零件规格书,钢网开孔规格,焊接后切片量测的数据等已知的数据,通过一定的数理运算公式,即可得出芯片点胶所需理论胶量,希望可以给各位同仁一定的帮助。

3芯片点Underfill后部件构成及各自体积组成介绍

对点完胶的芯片组成进行拆解分析,可以发现其主要组成可以划分为:

芯片本体

焊球

底部胶水

芯片四周爬胶

PCB周围小零件吸胶

点胶后的芯片切片图及3D拆解示意图如下:

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图5点Underfill后芯片切片图 

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 图6点完胶的芯片组成部件拆解图

3.1对芯片点Underfill胶时有胶区域介绍

拆解发现,对于芯片点胶所需胶量预估有影响的组成部分有三个,

芯片底部填充的胶水

芯片四周爬胶胶水

芯片周边小料吸附胶水(预估为总胶量的10%)

芯片底部填充胶水和四周爬胶胶水组成示意图如下:

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图7芯片底部填充胶水图示

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图8 芯片四周爬胶胶水图示

3.2  芯片点Underfill的体积部分介绍

为了计算以上芯片底部填充的胶水、芯片四周爬胶胶水、芯片周边小料吸附胶水三部分胶水用量,我们将所需的Underfill胶体积分为以下六个部分:

芯片本体至PCB之间的空间总体积V1

芯片来料锡球的总体积V2

焊接时印刷锡膏固化后焊锡总体积V3

印刷的锡膏固化后的助焊剂残留的体积V4

芯片四周爬胶的体积V5

芯片周围小零件吸附的胶水体积V6(预估为总胶量的10%)

若以上6点体积可计算得出,理论上芯片所用Underfill胶的体积V=V1-V2-V3-V4+V5+V6,

再结合体积密度换算即可得到Underfill胶量M=V*P

3.2.1  芯片本体到PCB之间的空间体积V1计算

V1即为芯片本体到PCB之间的空间体积,此部分可以看做是正方体,其体积=芯片长度*芯片宽度*切片焊点平均高度,芯片规格书可以查询到芯片的长度和宽度,切片焊点平均高度是在NPI阶段切片验证必须测试的项目,可在点胶前拿到,也可当做已知数据。

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图9 芯片本体到PCB之间的空间体积示意图

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图10 BGA芯片锡球高度量测图示例

例如:芯片长度14.5mm,宽度10mm,焊接后切片量测焊点高度均值0.16mm则芯片本体到PCB的体积V1=14.5*10*0.16=23.2mm³。

3.2.2  芯片来料锡球的总体积V2的计算

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图11 芯片来料时的单个锡球体积计算图示

3.2.3印刷锡膏固化后焊锡的总体积V3计算

焊接时印刷锡膏固化后焊锡的总体积V3是依钢网开孔面积乘于钢网厚度再乘 于锡膏内焊球所占的体积比例得到的固化后的焊锡总体积,业内常见的芯片钢网开孔有方形和圆形两种,如下图所示,故固化后的焊锡总体积V3也有两种计算方式:

a 方形开孔时锡的总体积V3-1=锡球总数*钢网厚度*锡占比*开孔长度*开孔宽度

b 圆形开孔时锡的总体积V3-2=锡球总数*钢网厚度*锡占比*3.14*球径²

依手机常用的0.07mm钢网,方形开孔长度0.2mm,宽度0.2mm,

计算单个印刷焊点的体积为=0.07*50%*0.2*0.2=0.0.0014mm²,

50%为锡膏内锡球占比的均值(粗略计算),

故200个锡球的总体积V3=0.0014*200=0.28mm³。

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图12 方形&圆形钢网开孔印刷效果图示

3.2.4印刷锡膏固化后的助焊剂残留的体积V4的计算

印刷的锡膏固化后的助焊剂残留的体积V4的计算就比较简单,粗略估计印刷的锡膏内助焊剂与锡球的体积为1:1关系(为了方便预估比例),需计算印刷的锡膏焊接后的助焊剂残留的体积V4时,考虑到回流过程中助焊剂会挥发,挥发后也依50%余量残留计算,即可得出V4=50%*V3,仍依上述手机常用的0.07mm钢网,方形开孔长度0.2mm,宽度0.2mm为例,焊接后印刷的锡膏固化后的助焊剂残留的体积V4=0.14 mm³。

3.2.5芯片四周爬胶的体积V5的计算

前期已完成了芯片与PCB板之间的体积V1,锡球体积V2,SMT印刷锡膏内的锡含量体积V3,SMT印刷的锡膏焊接后的助焊剂残留量V4,共计四个体积的计算,接下来完成芯片四周爬胶体积V5及芯片周边的小料吸胶体积V6,再通过各体积间的简单加减运算即可完成芯片点胶所需胶水体积的估算。

考虑到手机芯片的Underfill后溢胶宽度一般为0.3-0.5mm,且爬胶高度为芯片本体1/4以上为佳,手机芯片厚度多为0.7-0.9mm左右,但是为了方便计算胶量,爬胶高度及溢胶宽度均依约等于焊点高度计算,依等腰三角形为模型计算爬胶所需胶水截面积,此数据计算比实际情况偏小,再结合芯片四周小料吸附胶水,可与此相抵,故采用此方案计算(以上方案为粗略计算)爬胶的面积为:正方形的面积减去扇形面积,即h²-1/4πh²。

因爬胶为芯片四周均有爬胶,爬胶体积为面积*周长即(h²-1/4πh²)*2(L+W)。

依上述手机芯片长度14.5mm,宽度10mm,焊接后切片量测焊点高度均值0.16mm为例,芯片四周爬胶体积V5=0.16²-1/4*π*0.16²*2(14.5+10)=0.2370375 mm³。

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图13芯片四周爬胶的体积图示

3.2.6芯片周围小零件吸附的胶水体积V6

考虑到手机芯片空间小零件分布密集的特点,芯片四周会溢胶尺寸范围内(距芯片边缘0.3-0.5mm以内),一般会排布上英制0201,01005等小零件,在点Underfill过程中因毛细现象,小零件四周会吸附一定量的胶水,并且因各家产品零件分布及数量的不同,施胶工艺不同,Underfill胶也会溢出到芯片附近的主板区域,故此项胶水体积无法有效的建立模型计算所需胶水量,依笔者粗略的估计,所需胶水的体积V6预估为总胶量的10%,即V6=V*10%。

3.3芯片点Underfill胶量理论计算公式介绍

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若仍依上述汉高3812胶水,手机芯片长度14.5mm,宽度10mm,焊接后切片量测焊点高度均值0.16mm,点Underfill所需胶量为29.17mg。

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3.4 理论胶理与实际胶量对比结论

再将理论胶量与生产时的SOP实际做比较,可互相佐证生产工艺边界是否清晰以及芯片点胶用量是否合理,实际验证结果如下图,由此可见SOP胶量与理论胶量相差不大(考虑到生产过程中的气压波动,胶水均匀性及点阀体的出胶差异,Underfill胶总量在5-10%上下波动即认为工艺稳定)。

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4结语

结合以上胶量计算公式和验证结果,表明此逻辑是可行的,当然要想预估的更加精确,可放大摸底样本数据,笔者在此仅抛砖引玉,条条大路通罗马,希望以上公式可以为业界同仁在Underfill使用过程中对所需芯片总胶的胶量预估有所启发,后续笔者会分享更多点胶工艺相关知识,欢迎业界同仁一起参与,大家共同探讨学习。

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