Улучшение сборки ПП: передовые технологии нижнего заполнения (Underfill)

Классификация технологий нижнего заполнения

Нижнее заполнение (underfill) классифицируется на текучее (на основе капиллярного течения) и нетекучее. На данный момент технологии, подходящие для чипов BGA, CSP и др., основы включают: капиллярное нижнее заполнение, технологию SMT горячеплавильных клеевых листов, технологию ACA (анизотропно-проводящие клеи) и ACF (анизотропно-проводящие пленки), технологию ESC (эпоксидная инкапсуляция паяных соединений) и другие. Для капиллярного заполнения и SMT горячеплавильных листов флюс и наполнитель независимы, а для ACA/ACF и ESC — объединены в одном материале.

Капиллярная технология нижнего заполнения

Теория капиллярного течения: жидкость с отличной текучестью (жидкая эпоксидная смола) капается вокруг чипа BGA/CSP, капиллярные силы всасывают смолу в зазор между дном чипа и ПП. Затем смола, припаянный чип и ПП фиксируются нагреванием или УФ-отверждением для защиты точек пайки, снижения напряжений и повышения надежности пайки.

Применяется в нижнем заполнении чипов ПП и флип-чип упаковке. Распределяет напряжения на шариках пайки у дна чипа, повышая надежность всей ПП. Процесс: поверхностный монтаж чипов BGA/CSP на ПП с напечатанной паяльной пастой, рефлоу-пайка для образования сплавного соединения. После пайки чипа технологией дозирования заполнитель вводится в 1-2 края дна чипа. Материал течет под чип и заполняет зазор между чипом и ПП. Хотя капиллярное заполнение сильно повышает надежность, требуются устройства для дозирования, достаточное производственное пространство и квалифицированные операторы. Более того, процесс возможен только после завершения сборки ПП и имеет недостатки: сложность операции, большой расход времени и энергии, сложность контроля количества заполнителя. Поэтому применяется только на ключевых чипах или при крайнем различии коэффициентов термического расширения чипа и подложки ПП, и не применяется массово.

Технология SMT горячеплавильных клеевых листов

Соответствует RoHS и WEEE: нетоксично, без галогена, без остатков тяжелых металлов, отличная изоляция, граничные размеры совместимы со стандартами и точны, удобны для оптического распознавания при монтаже. Лист можно монтировать между ПП и BGA/CSP и паять обычным свинцовым или безсвинцовым процессом. При плавлении лист не влияет на паяльню, отсутствие испарения растворителя и необходимости очистки делают его идеальным материалом заполнения. Процесс показан на рис. 1.

Рисунок 1

По рисунку 1, применение технологии — добавление этапа монтажа горячеплавильного листа перед монтажом IC-чипа: чипы BGA/CSP, требующие нижнего заполнения, монтируются с листом перед установкой IC. Финально пайка чипа и заполнение завершаются в рефлоу без этапа дозаправки. Подходит для нижнего заполнения ПП с малым объемом производства.

Технологии ACA и ACF

ACA и ACF снижают операции и затраты, одновременно выполняя пайку и нижнее заполнение. Оба — проводящие клеи, обычно из матричной смолы и проводящего наполнителя, делятся на ICA (изотропно-проводящий клей) и ACA (анизотропно-проводящий клей). ACA — заполняющий проводящий клей, способный завершить заполнение с электрическим соединением. По форме: желеобразный и тонкопленочный. Тонкопленочный ACA также называют анизотропно-проводящей пленкой (ACF). ACA проводит по оси Z, но не по осям X и Y. Изоляционный слой над проводящими частицами предотвращает их взаимную проводимость. Только под напряжением между выступом чипа и падом подложки ПП, когда изоляционный слой раздавливается, обеспечивается проводимость по Z.

Технология ESC

ESC (Epoxy Encapsulated Solder Connection) — новая технология с пастой «частицы паяльны + смола» вместо ACF. Процесс: капание паяльной пасты с смолой на пады ПП, выравнивание и установка выступов чипа на пады, затем пайка и отверждение смолы нагреванием и сжатием.

Ремонт (Rework) нижнего заполнения

Так как текущая технология не гарантирует качество поставляемых чипов, дефектные обнаруживаются только при тесте ПП, поэтому переделка и замена очень нужны. Если материал нижнего заполнения имеет отличную термическую стабильность и нерастворимость, возникают трудности с ремонтом, иногда приходится утилизировать всю ПП. Если в эпоксидную смолу ввести слабые химические связи, смола разложится при нагревании или добавлении реактива после отверждения, что сильно облегчит ремонт.

Применение технологий нижнего заполнения в ПП повышает прочность паяных соединений чипов BGA, CSP, улучшает устойчивость к падениям, термическим циклам и надежность ПП. Поэтому в будущем будет массово применяться в сборке ПП.

Полезные ресурсы:
• Design for Manufacture and Assembly of PCBs and General Rules it Conforms to
• Printed Circuit Boards Assembly Process
• Printed Circuit Board Assembly Inspection Methods
• Some Handy Methods in Evaluating SMT Assembler's Capabilities
• 6 Effective Ways to Cut PCB Assembly Cost Without Sacrificing Quality
• Full Feature PCB Manufacturing Service from PCBCart - Multiple Value-added options
• Advanced PCB Assembly Service from PCBCart - Start from 1 piece