導(dǎo)熱絕緣膠BGA底部微空間填充工藝研究

摘要：通過對(duì)導(dǎo)熱絕緣膠本征性能、組成配方、印制板組件實(shí)際空間位置關(guān)系和主要球柵陣列（BGA）器件封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)制作工藝試驗(yàn)件，進(jìn)行了導(dǎo)熱絕緣膠填充模型理論研究，探究了黏度、預(yù)熱溫度、填充方式和真空度等因素對(duì)填充效果的影響。經(jīng)過導(dǎo)熱絕緣膠填充系列工藝試驗(yàn)研究和填充圍堰工裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲取了影響填充的較佳工藝參數(shù)、填充方式及工藝流程。制作的驗(yàn)證樣件經(jīng)過斷層掃描（CT）設(shè)備檢測，填充空洞率小于 10%。采用玻璃基 BGA 工藝器件實(shí)現(xiàn)了可視化填充工藝驗(yàn)證，工藝方法簡便，合理可行。關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱絕緣膠；BGA器件；圍堰工裝；底部填充；空洞率；可視化

0前言

星載、彈載、無人機(jī)平臺(tái)上的空間有限，要求電子設(shè)備端機(jī)空間占用小、重量輕、散熱能力強(qiáng)及逐步微小型化，以此降低平臺(tái)空間占用率，減輕配裝設(shè)備重量，提升散熱能力，因此這些都是電子裝備研制亟需解決的難題。采用微電子和芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、核心模塊芯片化，使得端機(jī)的載體空間占用小、重量輕、散熱能力強(qiáng)，提升裝備的適裝能力，已成為其必由之路。

球柵陣列（BGA）器件以其高密度、高輸入/輸出（I/O）接口的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)可以適應(yīng)現(xiàn)有表面組裝技術(shù)（SMT）工藝和設(shè)備，保證了良好的電子裝聯(lián)電氣特性，因此BGA器件成為現(xiàn)在的主流應(yīng)用，在電子產(chǎn)品組裝中應(yīng)用越來越廣泛。在端機(jī)核心模塊中，BGA 封裝的大功率核心器件利用回流焊接工藝裝配至印制基板。為了滿足印制板組件在較高環(huán)境溫度下的使用要求及抗高載荷的能力，需對(duì)印制板組件大功率 BGA 器件使用高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣膠進(jìn)行底部填充，以提供高效的散熱通路，解決產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)需求；同時(shí)利用絕緣膠的高強(qiáng)性進(jìn)行BGA 器件加固處理，獲得更高的機(jī)械可靠性，提升BGA器件高振動(dòng)環(huán)境下電子產(chǎn)品的適應(yīng)能力。

底部填充工藝就是對(duì)印制板組件上的 BGA 封裝器件底部進(jìn)行導(dǎo)熱絕緣膠填充。將 BGA 器件底部的大面積微孔隙填滿（一般填充 80% 以上），采用加熱固化方式，使導(dǎo)熱絕緣膠徹底固化從而達(dá)到散熱的目的。這既增強(qiáng)了 BGA 器件和印制電路板（PCB）之間的機(jī)械可靠性，也提高了 BGA 器件的散熱能力。導(dǎo)熱絕緣膠也面臨一些還未解決的問題。目前填充的某型導(dǎo)熱絕緣膠為一款國產(chǎn)新研制的雙組分環(huán)氧樹脂體系膠粘劑，導(dǎo)熱絕緣膠內(nèi)部添加有大量高導(dǎo)熱因子的無機(jī)填充顆粒，提高了膠體的熱導(dǎo)率，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、剪切強(qiáng)度、絕緣以及較低的膨脹系數(shù)。

某產(chǎn)品印制板組件由多個(gè) BGA 封裝形式的高集成度防輻照芯片及其他功率器件等組成，如圖 1所示。其主要器件 BGA1#、BGA2#、BGA3#封裝規(guī)格如表1和圖2所示。

圖1 某產(chǎn)品印制板組件圖圖2器件封裝圖表13種典型BGA器件封裝結(jié)構(gòu)

基于印制板組件的高散熱要求，需要在 BGA 器件與印制板之間狹小的空間內(nèi)填充導(dǎo)熱絕緣膠，以提高模塊自然散熱能力及抗震能力。但 BGA 器件封裝結(jié)構(gòu)和回流焊接后的印制板空間結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來很多問題。

常規(guī)的環(huán)氧底填膠一般沒有導(dǎo)熱填料，黏度很小，在 1000 mPa·s 以下，比重在 1.1~1.2 范圍內(nèi)，利用毛細(xì)現(xiàn)象作用原理，可以完成底部填充。如某型進(jìn)口的底部填充膠水，黏度為 375 mPa·s（25℃），比重為 1.13，模量系數(shù)為 3080 MPa，固化條件為 130℃/8 min。這些性能參數(shù)非常適合常規(guī) BGA/CSP 器件的填充要求。但是，該膠水無導(dǎo)熱因子，不具備導(dǎo)熱性能，粘接強(qiáng)度較低，僅適合于商用電子產(chǎn)品，無法滿足星載等高荷載電子裝備使用。

某型國產(chǎn)新研制的導(dǎo)熱絕緣膠內(nèi)部添加有大量高導(dǎo)熱因子的無機(jī)填充顆粒，提高了膠體的導(dǎo)熱率，但是會(huì)引起絕緣膠的黏度增加，流動(dòng)性降低，造成 BGA 底部無法完全填充，填充空洞增加，從而導(dǎo)致 BGA 器件散熱性能下降；同時(shí)空洞會(huì)受熱膨脹，甚至引起 BGA 焊點(diǎn)開裂，導(dǎo)致印制板組件可靠性下降的情況發(fā)生。

為此，研究人員需要進(jìn)行新的填充工藝研究，開展導(dǎo)熱絕緣膠填充方式、填充圍堰工裝設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化以及抽真空系統(tǒng)的研究，以實(shí)現(xiàn)新研制的導(dǎo)熱絕緣膠對(duì) BGA 器件微孔隙復(fù)雜路徑的完滿填充。

1試驗(yàn)部分1.1試驗(yàn)原料

導(dǎo)熱絕緣膠，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院；BGA 器件，美國 Topline公司；丙酮，分析純，西安福晨化學(xué)試劑有限公司。

1.2試驗(yàn)儀器

FF85型CT斷層掃描系統(tǒng)，德國YXLON公司。

1.3試驗(yàn)制備

以圖1產(chǎn)品印制板組件上的1#、2#、3#BGA器件為典型研究對(duì)象，采用與其封裝形式及規(guī)格尺寸一致的工藝器件，如表 1所示。按照印制板設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)獨(dú)立的印制板試驗(yàn)件，采用表面貼裝回流焊接工藝將工藝器件電裝在印制板試驗(yàn)件上。完成絕緣膠填充 BGA 的 1#、2#、3#工藝試驗(yàn)件制作，如圖 3 所示。結(jié)合新研制的導(dǎo)熱絕緣膠的性能特點(diǎn)，以此工藝試驗(yàn)件開展導(dǎo)熱絕緣膠填充理論分析、填充圍堰工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化、填充工藝參數(shù)關(guān)系及工藝流程優(yōu)化等研究。

圖3BGA1#~3#試驗(yàn)件2填充工藝探究2.1導(dǎo)熱絕緣膠填充理論分析

依據(jù)國產(chǎn)導(dǎo)熱絕緣膠的雙組分環(huán)氧樹脂體系，結(jié)合印制板與 BGA 器件封裝基板小縫隙結(jié)構(gòu)形式，為了確保導(dǎo)熱絕緣膠在 BGA 器件和印制板之間的微縫隙內(nèi)均勻地流動(dòng)擴(kuò)散，形成完全填充，以研究影響導(dǎo)熱膠流動(dòng)填充的影響因素，采用 Lucas-Washburn 模型來研究底部填充膠體的流動(dòng)情況。

該模型假設(shè)填充材料在器件和印制板之間的流動(dòng)為穩(wěn)定的二維層流流動(dòng)，并且填充材料為充分發(fā)展段的不可壓縮的牛頓流體。在上述條件下，由 Navier-Stokes 方程可以得出填充膠流動(dòng)時(shí)間 t（s）和流動(dòng)距離之間的關(guān)系，如式（1）所示。

? ?（1）

式中：σ 為填充膠流動(dòng)前端與空氣之間的表面張力（N）；xf為填充膠流動(dòng)前端所走過的距離（mm）；θ為填充膠流動(dòng)過程中與芯片所形成的接觸角（°）；μ為牛頓流體的填充膠的黏度（mPa·s）；h為芯片與印制板之間的縫隙高度（mm）。

當(dāng)填充完成時(shí)，填充膠流動(dòng)的距離即為方形芯片的長度。在不考慮焊球的影響和假設(shè)填充膠是牛頓流體的情況下，上述因素都會(huì)影響填充膠的流動(dòng)。

填充膠在流動(dòng)時(shí)，表面張力σ與壓力差ΔP和接觸角θ之間的關(guān)系如式（2）所示。

（2）

由式（2）可知：σ 越大，填充膠前沿界面與空氣之間的壓力差也越大，即填充膠所受的推力也越大，流動(dòng)也就越快。將 Navier-Stokes 方程整理，可計(jì)算出充滿空隙的時(shí)間，如式（3）所示。

? （3）

式中：L為封裝尺寸（mm）；σ為填充膠流動(dòng)前端與空氣之間的表面張力（N）；θ為填充膠流動(dòng)過程中與芯片所形成的接觸角（°）；μ 為牛頓流體的填充膠的黏度（mPa·s）；h 為芯片與印制板之間的縫隙高度（mm）。

由上式可以看出，填充時(shí)間與芯片尺寸的平方及液體黏度成正比，與空隙大小、表面張力及接觸角余弦成反比。

隨著器件尺寸不斷增大，間隙不斷變小，當(dāng)器件按照這一趨勢(shì)發(fā)展到一定程度，由于絕緣膠自然固化的時(shí)間限制，絕緣膠無法在限定時(shí)間內(nèi)完成填充而堵塞在器件內(nèi)部形成空洞。

為了阻止矛盾擴(kuò)大，宜選用高流動(dòng)性、低黏度材料進(jìn)行填充。上述公式?jīng)]有直接顯示出溫度項(xiàng)，但表面張力、接觸角，尤其是黏度都與溫度有很大關(guān)系。一般隨著溫度升高，填充時(shí)間縮短，但是填充溫度不能超過填充膠的固化溫度。

2.2填充圍堰工裝設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

通過對(duì)3種典型BGA器件外形封裝規(guī)格及結(jié)構(gòu)形式、底部細(xì)節(jié)、陣列焊球、填充空間狹?。ǜ叨?.35~0.4 mm）、路徑復(fù)雜的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，同時(shí)針對(duì)導(dǎo)熱絕緣膠的黏度較大、流動(dòng)填充路徑復(fù)雜、阻力大、四周溢膠難以控制等因素，開展了導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝試驗(yàn)研究。

采用四周圍堵、“L”形雙邊注膠工藝方式，共完成了鋁合金、聚四氟乙烯、不銹鋼材質(zhì)及單邊 4 代圍堰工裝設(shè)計(jì)，如圖 4 所示。

圖44套圍堰工裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化

并不斷迭代優(yōu)化改進(jìn)，形成了定型的單邊卡扣式圍堰工裝設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5單邊填充圍堰工裝設(shè)計(jì)

采用該不銹鋼單邊卡扣式圍堰工裝設(shè)計(jì)，通過“I”形單邊注膠方式，解決了實(shí)際印制板組件 BGA 器件周圍電阻、電容等器件對(duì)填充空間尺寸限制的問題。完成了填充工裝裝配、密封，實(shí)現(xiàn)了高黏度導(dǎo)熱絕緣膠的 BGA1#（900 個(gè)焊球）器件底部微孔隙復(fù)雜路徑的填充，如圖 6所示。

圖6不銹鋼工裝填充2.3填充溫度、填充方式與填充時(shí)間的關(guān)系研究

以 BGA1#、BGA2#、BGA3#工藝試驗(yàn)件為試驗(yàn)對(duì)象，通過對(duì)器件底部丙酮沖洗、印制板表面擦拭、圍堰工裝表面處理、導(dǎo)熱膠配制脫泡、導(dǎo)熱膠填充、抽真空處理、加熱固化等一系列試驗(yàn)操作，對(duì)填充溫度、填充方式與填充時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖 7 所示（注：填充時(shí)間>30 min 表示在該溫度下可以完成填充，但填充時(shí)間很長，不具備工藝性）。

圖7填充溫度、填充方式與填充時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖 7可知：溫度較低時(shí)，單邊填充時(shí)間明顯長于雙邊填充時(shí)間；但在溫度較高時(shí)，兩種填充方式的填充時(shí)間相差不大。對(duì)于 3 種 BGA 的不同器件、不同路徑，填充時(shí)間均隨著溫度的升高而降低，因?yàn)轭A(yù)熱溫度升高，膠體的黏度會(huì)降低，流動(dòng)性增加，因而填充時(shí)間降低。在 60~70 ℃預(yù)熱溫度時(shí)，BGA器件可以完成導(dǎo)熱絕緣膠填充。

3 種不同規(guī)格的 BGA 器件，填充時(shí)間由短到長分別為：BGA2#

綜合考慮，導(dǎo)熱絕緣膠采用單邊圍堰工裝，預(yù)熱溫度 60~70 ℃，單邊填充的方式可以完成 BGA 器件底部填充，但填充時(shí)間較長（10 min左右）。

2.4導(dǎo)熱絕緣膠稀釋、填充溫度與填充時(shí)間的關(guān)系研究

因?yàn)閷?dǎo)熱絕緣膠的黏度較大，難以完全滿足填充需要，所以需用丙酮進(jìn)行稀釋后再填充。BGA1#號(hào)器件封裝尺寸大、重量大、底部間隙最小，最難完成填充，因此只選擇 BGA1#號(hào)試驗(yàn)件開展研究?？紤]到填充過程在數(shù)據(jù)鏈模塊上的最終實(shí)際應(yīng)用，填充均選擇單邊 I 型小型化工裝預(yù)熱填充方式。試驗(yàn)過程如圖8~9所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖 10所示。

圖8單邊預(yù)熱填充圖9填充剝離效果

由圖 10 可知：丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 15% 以下時(shí)，對(duì)導(dǎo)熱膠填充沒有太大的效果，填充時(shí)間大于 25 min，基本上沒有工藝性操作期。丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%時(shí)，預(yù)熱溫度為 50℃以下，對(duì)導(dǎo)熱膠填充效果影響不大；在 60、70 和 80℃時(shí)，丙酮含量對(duì)填充時(shí)間影響很大，15% 丙酮可以完全填充。因此，導(dǎo)熱絕緣膠的填充配制比例優(yōu)化為：丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，導(dǎo)熱膠配制比例為 m（樹脂A）∶m（固化劑B）∶m（丙酮）=100∶（12~15）∶15，采用單邊圍堰工裝在 60~80℃預(yù)熱溫度，常壓狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)完全填充。

圖10導(dǎo)熱膠稀釋預(yù)熱填充關(guān)系圖2.5填充工藝優(yōu)化

通過導(dǎo)熱絕緣膠填充影響因素的理論模型公式的分析研究，以3種BGA器件填充試驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過導(dǎo)熱膠迭代填充工藝改進(jìn)研究，圍堰工裝迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，以突破微空隙復(fù)雜路徑填充關(guān)鍵技術(shù)。填充工藝流程如圖 11所示。

具體途徑如下：對(duì) BGA 器件底部用丙酮進(jìn)行沖洗 3 遍，印制板表面擦拭 2 遍，以改善其與導(dǎo)熱絕緣膠的潤濕性；導(dǎo)熱絕緣膠配制質(zhì)量比為，m（樹脂A）∶m（固化劑B）∶m（丙酮）=100∶（12~15）∶15；填充圍堰工裝采用第四代不銹鋼材質(zhì)的單邊卡扣薄型工裝，以適應(yīng)數(shù)據(jù)鏈模擬件實(shí)際 BGA 器件空間位置要求；采用單邊注膠填充方式，預(yù)熱溫度控制在 60~70℃，減小填充溫度對(duì)印制板及其他器件的熱沖擊；抽氣真空度達(dá)到 3000 Pa 平衡，抽氣處理 10 min，排除填充膠體中空氣及其他小分子揮發(fā)物；導(dǎo)熱絕緣膠填充后，放入烘箱進(jìn)行（80±2）℃、4 h 加熱固化；空洞率檢測，滿足小于10%要求。

圖11導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝流程3結(jié)果與討論3.1斷層掃描（CT）設(shè)備檢測驗(yàn)證

對(duì) BGA 器件底部填充工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選取BGA1#器件、BGA2#器件、BGA3#器件各 2 件，嚴(yán)格按照導(dǎo)熱絕緣膠的填充工藝流程，分別進(jìn)行導(dǎo)熱絕緣膠填充試驗(yàn)研制，如圖12所示。

圖12BGA1#~3#填充樣件

由圖 12 可知：外觀上看，三種樣件均全部完成了導(dǎo)熱絕緣膠的填充。CT 設(shè)備的 BGA 器件空洞率檢測結(jié)果如表 2所示，CT掃描圖如圖 13所示。

表2CT設(shè)備的BGA器件空洞率檢測結(jié)果圖13CT掃描圖

由表 2 可知：BGA1#、BGA2#、BGA3#導(dǎo)熱絕緣膠填充空洞率均滿足小于 10% 要求，證明該導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝路線合理，技術(shù)參數(shù)控制可行，測試結(jié)果符合要求。

3.2性能指標(biāo)測試

經(jīng)過第三方 CNAS 資質(zhì)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)，對(duì)新研制的導(dǎo)熱絕緣膠性能指標(biāo)和工藝性指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表 3所示。

表3導(dǎo)熱絕緣膠主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

通過對(duì)產(chǎn)品印制板組件中3種重要BGA器件的導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝研究，得到了能夠?qū)崿F(xiàn)完全填充的系列工藝參數(shù)。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，證明該導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝路線合理，技術(shù)參數(shù)控制可行，測試結(jié)果符合要求，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)導(dǎo)熱絕緣膠的工程化填充應(yīng)用。

3.3可視化填充驗(yàn)證

由于 BGA 器件為黑色環(huán)氧樹脂封裝，或被封裝體金屬屏蔽蓋掩蓋，黑色導(dǎo)熱絕緣膠在對(duì)其填充時(shí)，無法觀察到 BGA 器件底部的填充過程，填充效果難以判斷。為了驗(yàn)證導(dǎo)熱絕緣膠是否達(dá)到完全填充，設(shè)計(jì)制作了透明玻璃基 BGA 器件，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絕緣膠全程可視化填充過程的觀察和研判。

采用耐溫高于 300℃、厚度 1 mm 的高透明玻璃，在其一面進(jìn)行沉銅處理，按照表 1 中典型 BGA器件焊球排列規(guī)格尺寸制作植球焊盤。焊盤表面經(jīng)過錫鉛鍍層處理，通過植球?qū)Ｓ霉ぱb將 BGA 錫鉛焊球置放于玻璃焊盤上，經(jīng)過回流焊接，完成玻璃基 BGA 器件制作。最后，采用表面貼裝設(shè)備將玻璃 BGA 器件貼裝在印制板上，通過回流焊接，完成玻璃 BGA1#、BGA3#工藝試驗(yàn)件的制作，如圖 14所示。

圖14玻璃BGA1#和3#工藝器件

選取玻璃基 BGA3#器件，嚴(yán)格按照導(dǎo)熱絕緣膠填充工藝流程及工藝參數(shù)要求，裝夾不銹鋼單邊卡扣薄型工裝，進(jìn)行導(dǎo)熱膠預(yù)熱填充工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。拍攝填充全過程的視頻，視頻截圖如圖 15所示。填充過程中導(dǎo)熱絕緣膠流動(dòng)順暢，BGA 器件底部完全填滿，無明顯氣泡，邊緣清晰，無溢膠現(xiàn)象，填充時(shí)間小于 3 min，驗(yàn)證了 BGA 器件可視化導(dǎo)熱絕緣膠的底部填充工藝合理可行。

圖15 玻璃BGA3#器件導(dǎo)熱絕緣膠填充過程視頻截圖4結(jié)語

通過對(duì)國產(chǎn)雙組分高導(dǎo)熱絕緣膠填充理論分析、填充工藝優(yōu)化研究、圍堰工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化制作研究以及空洞率 CT 掃描檢測、玻璃 BGA 工藝器件可視化填充工藝驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）影響導(dǎo)熱絕緣膠 BGA 器件底部填充效果的主要因素有導(dǎo)熱絕緣膠的黏度、填充預(yù)熱溫度、工裝夾具及真空度等。

（2）導(dǎo)熱絕緣膠經(jīng)過 15% 丙酮稀釋，60~70℃預(yù)熱溫度，裝夾不銹鋼單邊卡扣薄型工裝，采用單邊注膠填充方式，可以實(shí)現(xiàn) BGA 器件底部微孔隙復(fù)雜路徑填充。

（3）真空度在 3000 Pa 平衡抽氣處理 10 min，導(dǎo)熱絕緣膠完全填充。加熱固化后，經(jīng)過工業(yè)CT設(shè)備掃描檢測，填充空洞率低于 10%，優(yōu)于空洞率≤15%的指標(biāo)要求。

（4）采用玻璃基 BGA 工藝器件可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱絕緣膠可視化填充過程驗(yàn)證，工藝方法簡便，合理可行。

來源：中國粘膠劑

作者：張晟，張晨暉，劉志丹，金星 西安導(dǎo)航技術(shù)研究所

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