Underfill需要完全覆蓋元件底部區域，將CSP元件整個本體與板面緊密粘接在一起，降低熱或機械應力對焊點的影響。

      在實際應用過程中，Underfill會受到多種因素的影響，如點膠方式，固化溫度參數，錫球矩陣，錫膏助焊劑成分等。可能導致元件底部的膠水不能完全固化或不能完全覆蓋元件底部的錫球。這兩種情況將降低Underfill的保護效果，這是不允許的。本文將通過一個實際案例來對這兩個問題進行分析，找出根本原因并提出改善方法。

      在某手機產品NPI階段，發現CSP元件底部Underfill膠水并沒有完全固化或填充。0.8mm間距的CSP固化和填充效果良好， 但同一塊板上的0.5mm間距CSP的中心位置存在膠水半固化以及填充不足問題。

      從前面的案例中可以看到Underfill的問題存在于兩個方面，一是膠水半固化，二是膠水不能完全覆蓋包裹元件底部的錫球，這是兩個表征和原因都不相同的兩個問題，分析及改善也需要分開處理。

?  半固化分析

      從魚骨圖原因分析來看，對固化影響較大的可能有八大潛在因素：預熱溫度；固化時間不足；固化溫度過低；固化爐不穩定；錫膏助焊劑與膠水不兼容；錫膏助焊劑殘留過多；SMD和NSMD焊盤形式差異；回流焊接溫度曲線。

• 預熱溫度

  設定PCBA預熱溫度為30~40℃，半固化缺陷仍然存在，而且膠水填充效果非常糟糕。

• 不足的固化時間和溫度

  將固化溫度從120℃提高到150℃，仍然可發現填充膠水固化不充分的缺陷。

• 固化爐不穩定

  通過Cmk的測量，固化爐的Cmk在1.33以上，說明固化爐的穩定性不成問題。

• 錫膏助焊劑與膠水的兼容性

  膠水成分內除了環氧樹脂外還包含有其它各種固化元素，如固化劑，催化劑，交聯劑等等。助焊劑殘留可能與膠水中的固化劑發生反應而影響固化效果，助焊劑殘留物對底部充膠質量有非常顯著的影響。完成固化后的CSP錫球與Underfill材料間有明顯的分離間隙。但清洗后樣品錫球與填充材料的結合相當緊密，沒有任何的間隙存在。

• 錫膏助焊劑殘留

  撬開需要進行底部充膠的CSP發現錫球周邊覆蓋有許多助焊劑殘留。

      Underfill膠水半固化的樣品元件被確認是只經受過一次回流過程。四個經過二次回流的元件并沒有發現任何缺陷存在。可以確定二次回流的元件助焊劑殘留物要少于一次回流。

      為了更進一步確認驗證以上分析，將兩片需要做底部充膠的PCBA進行超聲波清洗并烘烤125℃，4小時后進行填充切片，填充固化良好，實驗結果證明助焊劑殘留對膠水固化存在影響。

• SMD和NSMD焊盤設計

  注意到有填充缺陷的CSP焊盤設計為SMD，但其它沒有缺陷的焊盤設計為NSMD。NSMD的焊盤與阻焊膜之間存在間隙，這道間隙可能容納了殘留的助焊劑從而減少了與Underfill材料在錫球上的接觸面積。NSMD的焊盤設計對半固化的缺陷也許有幫助，但還需要更進一步的研究，而且修改焊盤設計需要較長的周期才能實行。

• 回流焊接溫度曲線

  較長的預熱時間和回流時間可以降低PCBA助焊劑殘留并以此改善固化問題，但是實驗證明即使采用長的預熱和回流時間也只能稍微減輕而無法解決半固化陷。考慮到實際品質和生產要求：必須嚴格控制回流焊接曲線的工藝窗口，所以此方法無法有效實施。

• 固化溫度曲線

  膠水成分與助焊劑殘留之間的兼容問題是存在的，需要嘗試優化固化溫度曲線以改善結果：快速的上升斜率可能降低助焊劑對膠水固化劑的侵蝕速度，從而提升膠水的固化度。

  將一對混有助焊劑殘留物與Underfill膠水的樣品分別用慢速和快速兩種不同的上升斜率曲線進行固化實驗。兩種曲線的固化溫度都為120℃。慢速上升斜率為1.1~1.2℃/s，而快速上升斜率為1.94℃/s。

  實驗結果顯示：緩慢的上升固化斜率對膠水的固化不充分，膠水還處于柔軟狀態；但快速上升的固化斜率對膠水的固化效果良好，膠水已得到充分固化。

      提高固化溫度到150℃并保持慢速和快速兩種固化斜率重復實驗。所得實驗結果沒有變化；慢速上升斜率的實驗樣品仍然保持柔軟狀態，膠水固化不充分；但快速上升斜率的固化效果相當充分，膠水處于完全固化狀態。

• DSC測試分析

  外觀的硬和軟是一種主觀的判斷方式來斷定膠水處于固化或非固化。但是固化和非固化的環氧材料特性大不相同，通過DSC (Differential scanning calorimetry) 可有效的鑒定出膠水固化和半固化的不同特性。  

• 實驗－1，只有膠水材料，以30℃/分鐘的上升斜率從室溫升至120℃并保持60分鐘；根據膠水廠商的證實，此條件下的樣品可達到100％的固化率；此樣品被當作DSC的分析標本來計算固化度。另一種推薦條件為3分鐘保持120℃，相比上一固化條件，此固化條件可達到85％的固化率。

• 實驗－2，Underfill膠水和助焊劑殘留物3：1混合，以28.5℃/分鐘的上升斜率從室溫升至130℃并保持2分鐘。此條件為慢速的升溫斜率(0.475℃/s) ；

• 實驗－3，Underfill膠水和助焊劑殘留物3：1混合，以91.5℃/分鐘的上升斜率從室溫升至130℃并保持4分鐘， 此條件為快速的升溫斜率(1.58℃/s)。

      從DSC結果比較可以看出，快速的上升斜率可達到86.31％的平均固化率，可滿足膠水的基本固化要求。但是慢速的上升斜率卻只能達到68.67％的平均固化率，固化不完整。

      因此快速的固化上升斜率曲線 (> 1.5 ℃/秒) 可以作為解決Underfill膠水固化不足的有效途徑。

?  Underfill不足的工藝流程優化

      膠水的填充更多需要考慮膠水在元件底部的流動路徑問題，CSP錫球排列及其周邊其它元件的分布都可能影響膠水的流動。所以，需要考慮調整點膠參數以優化膠水的流動路徑。原始的點膠工藝參數如下表。

• 預熱溫度影響

  比較PCBA預熱和非預熱所帶來的不同膠水填充效果。兩組實驗的點膠工藝參數一樣，但實驗結果卻大不相同。A組樣品的預熱溫度為30－40℃，切片結果顯示有較大的空洞存在；B組樣品沒有進行預熱，雖然實驗結果優于A組樣品，但零星空洞仍然存在，無法達到100％填充效果。

• 玻璃板實驗

  為了研究空洞的形成過程，玻璃板被用來驗證和模擬實際CSP Underfill膠水的毛細管作用現象。實驗結果如下圖所示，膠水在CSP周邊的流動性要快于中間的錫球位置，這就是為什么所觀察到的空洞都集中在CSP的中間位置。

      優化點較膠參數，在保證相同膠量的前提下將點膠次數由3次增加到4次，實驗結果如下圖所示，中間錫球間的空氣被逐步排出，沒有形成空洞。

?  結果

      使用4次點膠和快速上升斜率的固化曲線。解決了膠水Underfill的半固化和填充不足等缺陷。