填充剂中空洞和裂纹形成的热学与流变学研究：一个工业应用案例

《Materials Chemistry and Physics》：Thermal and Rheological Investigation of Void and Crack Formation in Underfill Encapsulants: A Case of Industrial Application

微电子封装中底填料气孔和裂纹问题与环氧树脂E2纯度相关，流变学分析显示高纯度E2导致125℃固化阶段早期凝胶和粘度激增，从而在后续高温固化（170-260℃）中加剧气孔和裂纹形成。通过DSC热分析和优化固化工艺可有效控制缺陷。

　　在微电子封装领域，随着技术的不断进步，对封装材料的要求也日益提高。其中，underfill（下填充）材料作为关键组成部分，广泛应用于Flip-chip（倒装芯片）封装工艺中。其主要功能包括减少由于热膨胀系数（CTE）不匹配所导致的焊球应力、提供封装结构的机械强度，以及对硅芯片提供物理和化学保护。然而，在实际生产过程中，underfill材料中出现的微小气泡（voids）或裂纹（cracks）可能会对最终产品的可靠性和性能产生严重影响，甚至导致严重故障。因此，如何有效识别并解决这些缺陷，成为工业界关注的重点问题。

本研究通过热分析和流变分析技术，探讨了underfill材料中气泡和裂纹形成的潜在原因。研究发现，underfill材料中某个关键组分——环氧树脂2（E2）的纯度提升，可能是导致这一问题的重要因素。尽管在常规的材料测试中，如热膨胀系数、储能模量和损耗模量等指标并未显示出明显差异，但通过DSC（差示扫描量热法）和流变学分析，研究人员发现了E2纯度变化对材料固化行为的微妙影响。具体而言，当E2的纯度提高时，其在固化过程的第一阶段（125°C）表现出更快的凝胶化（gelation）速度和更高的粘度，这可能导致在后续高温处理过程中（如第二阶段固化温度约170°C，以及高温回流焊约260°C）水分和其他挥发性物质更容易被包裹在材料中，从而形成气泡或裂纹。

为了进一步验证这一假设，研究人员对不同批次的underfill材料进行了详细的对比分析。这些材料包括使用正常纯度E2的“好”批次和使用低纯度E2的“坏”批次。通过对这些材料在固化过程中的行为进行监测，研究人员发现，使用低纯度E2的材料在固化过程中表现出不同的特性。尤其是在第一阶段的恒温阶段，其凝胶化时间明显提前，粘度迅速上升，这可能导致材料在后续加工过程中难以充分流动，从而在填充过程中无法完全排除空气或水分，最终形成缺陷。

值得注意的是，这一问题并非局限于某一特定供应商的基板，而是在多个制造工厂中反复出现，无论基板表面能高低。这表明，问题的根源可能在于underfill材料本身，而非基板或环境因素。此外，对工厂环境湿度、烘箱温度梯度等其他可能影响因素的调查并未发现与缺陷形成有直接关联的证据，进一步支持了E2纯度变化作为潜在原因的假设。

为了应对这一问题，研究团队开发了一种基于等温DSC技术的快速检测方法，用于评估underfill材料的固化行为和凝胶化特性。这种方法不仅可以帮助识别材料中可能存在的问题，还可以作为质量控制工具，使供应商能够在材料出厂前进行有效检测，从而减少或避免缺陷的发生。该检测方法已被成功应用于供应商现场和多个制造工厂，作为质量控制的一部分，确保材料符合所需的性能标准。

在材料制备过程中，研究团队采用了一种标准的两步固化流程。首先，将underfill材料在125°C下恒温30分钟，然后在168°C下继续固化2小时。这种流程的设计旨在确保材料在固化过程中能够充分反应，同时避免因固化速度过快而导致的缺陷。然而，当E2的纯度提升后，材料的固化行为发生了变化，特别是在第一阶段的恒温阶段，其凝胶化时间明显缩短，粘度迅速增加。这种变化可能导致材料在填充过程中无法充分流动，从而在基板与芯片之间留下空隙，形成气泡或裂纹。

为了进一步探究这一现象，研究人员还对不同批次的underfill材料进行了详细的流变学测试。流变学测试能够提供关于材料粘弹性特性的信息，包括其在不同温度下的粘度变化、固化过程中的剪切行为等。测试结果表明，使用低纯度E2的材料在固化过程中表现出不同的流变特性，尤其是在第一阶段的恒温阶段，其粘度增加的速度更快，固化行为更加剧烈。这种变化可能与E2中某些微量杂质的存在有关，这些杂质可能在固化过程中影响了材料的反应动力学，导致固化行为的改变。

此外，研究团队还对不同批次的underfill材料进行了热分析，以评估其固化程度。热分析能够提供关于材料反应过程的详细信息，包括反应热、凝胶化温度等。通过比较不同批次材料的热分析结果，研究人员发现，使用低纯度E2的材料在固化过程中表现出更高的反应活性，尤其是在高温阶段。这种反应活性的增加可能导致材料在固化过程中更容易产生气泡或裂纹，尤其是在高温回流焊阶段，当材料受到高温影响时，水分和其他挥发性物质可能更容易被释放出来，形成缺陷。

在实际应用中，underfill材料的缺陷不仅影响产品的外观质量，还可能对产品的长期可靠性产生重大影响。例如，气泡或裂纹可能导致焊球之间的短路，影响电路的正常工作。此外，这些缺陷还可能成为应力集中点，导致在后续使用过程中出现裂纹扩展，从而降低产品的整体性能和寿命。因此，识别并解决这些缺陷对于提高电子封装产品的质量至关重要。

为了进一步验证这一发现，研究人员还对实际生产中的缺陷进行了分析。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员确认了气泡和裂纹的存在，并进一步分析了它们的形成机制。研究发现，气泡的形成主要与材料在固化过程中水分的释放有关，而裂纹的形成则与材料在固化过程中应力的积累有关。这两种现象在高温回流焊阶段尤为明显，因为此时材料受到高温和剪切力的共同作用，容易产生缺陷。

基于上述研究结果，研究人员提出了一种改进的固化工艺，以减少气泡和裂纹的形成。这一改进包括调整固化温度曲线，以延长第一阶段的固化时间，使材料能够充分流动并排除空气和水分。此外，研究人员还建议在材料配方中添加适量的挥发性物质，以帮助在固化过程中释放水分，从而减少气泡的形成。这些改进措施在实际生产中得到了应用，并有效降低了underfill材料中的缺陷率。

综上所述，本研究通过热分析和流变学分析技术，揭示了underfill材料中气泡和裂纹形成的潜在原因，并提出了有效的解决方案。这一研究不仅为电子封装行业提供了重要的理论支持，也为实际生产中的质量控制提供了实用的工具。未来，随着材料科学和工艺技术的不断发展，类似的分析方法将在更多领域得到应用，帮助解决复杂材料体系中的问题，提高产品质量和可靠性。