底部填充的流动与热机械设计

Underfill Flow and Thermomechanical Design也称底填充材料设计

把颗粒通过、填充固化与温度依赖的载荷传递作为同一个设计问题。

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约 1 分钟

底填充既要进得去、排得出气，也要在固化与温度循环后提供适合该结构的约束；最低膨胀系数或最高模量不自动等于最好寿命。

系统理解

约 2 分钟

先用局部间隙和颗粒分布检查可填充性，再选择接合前或接合后的施胶流程。固化后的材料不能只用室温单一参数表示；跨越玻璃化转变时，膨胀与刚度的变化都会重分配接点载荷。

材料比较要区分几何、材料参数和试验判据。硅片之间没有宏观基板失配，也仍有金属、焊料和聚合物局部失配；仿真趋势应与对应结构的截面和测试相互核对。

在微凸点接合之后，进一步分析底填充如何形成并改变载荷路径。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
Tg	°C	所用测试方法下的玻璃化转变温度
α	K⁻¹	温度范围相关的线膨胀系数
E	Pa	温度与固化状态相关的弹性模量

常见误区

平均填料粒径小于间隙，就保证不会卡住或夹入接点。
硅对硅堆叠没有任何热失配。
低膨胀或高刚度在所有结构中都必然更可靠。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

材料状态与载荷路径

定义

底填充选材首先是结构和状态的匹配

底填充的作用取决于接点高度、芯片厚度、边缘形状与固化状态。模量、膨胀系数和玻璃化转变温度需要作为一组参数放回实际结构，不能按单个室温数值给所有封装排序。^{1, 2}

成立条件 材料参数还受测试温度、频率和固化历史影响；比较时先统一条件。

公式

跨越玻璃化转变时不能只用低温膨胀系数

对跨越玻璃化转变的温区，自由热应变应按温区积分。用两个常数近似转变前后膨胀系数时，应分别累计两段温差；把低温膨胀系数乘整个温差会漏掉高温段贡献。¹

\varepsilon_{\mathrm{free}}=\alpha_1(T_g-T_0)+\alpha_2(T_1-T_g),\quad T_0<T_g<T_1

$\varepsilon_{\mathrm{free}}$: 自由线热应变无量纲
$\alpha_1$: 转变温度以下线膨胀系数单位 K⁻¹
$\alpha_2$: 转变温度以上线膨胀系数单位 K⁻¹
$T_g$: 分段模型的转变温度单位 °C
$T_0$: 初始温度单位 °C
$T_1$: 终止温度单位 °C

成立条件 仅示范分段常数近似；忽略转变区宽度、黏弹性与固化收缩。自由热应变不是受约束结构中的实际应变或应力。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学材料取Tg=100 °C、α1=30 ppm/K、α2=90 ppm/K，从25 °C升至150 °C，自由热应变是多少？

已知

所有参数为教学假设，不代表某种底填充材料。
采用分段常数模型且温差1 °C等于1 K。

步骤

低温段 = 30×10⁻⁶×75 = 0.00225累计25至100 °C温段。
高温段 = 90×10⁻⁶×50 = 0.00450累计100至150 °C温段。
εfree = 0.00675 = 0.675%；若全程用α1则为0.375%比较分段积分与不合适的单一参数近似。

结果自由热应变为0.675%。

差值体现高温段膨胀贡献，不等于接点实际剪切应变。

适用边界 实际热应力还需几何约束、温度相关模量和固化残余状态。

机制

硅对硅仍然存在局部材料失配

上下两片都是硅，并不意味着接点周围所有材料的膨胀一致。铜、焊料、反应层和聚合物的局部失配仍可产生周期载荷，细接点不能只凭基板都是硅就免除热机械分析。^{1, 2}

成立条件 区分宏观芯片/基板失配与局部异质材料失配；应力大小仍依赖约束和温度。

边界

降低模量的收益不能跨结构直接推广

在一项超薄多层芯片模型中，降低底填充模量可降低关键接点的累积塑性应变；这不等于所有倒装结构都应选最软材料。芯片柔度、层数和变形约束改变后，载荷传递路径也会改变。²

成立条件 结论限定该论文的超薄堆叠几何、材料模型和热循环条件；属于参数扫描结果，不是通用最优配方。

流动与接合流程

机制

平均粒径不能代替粒径尾部与最窄间隙检查

细间隙填充要同时检查颗粒分布尾部、局部最窄通道和凸点附近接触区。平均粒径很小并不排除少数大颗粒堵塞通道，预涂材料也可能把颗粒夹在接合界面。^{1, 3}

成立条件 不把某种成功材料的平均或最大粒径提升为普遍配方；需结合实际分布与工艺验证。

机制

凸点分布会改变流动通道和排气路径

同一黏度的材料，在不同凸点排列和局部间隙中可能形成不同流动前沿。填充速度快不代表气体都能排出，局部绕流汇合仍可能留下空洞，因此可填充性不能只由室温黏度排序。^{1, 3}

成立条件 流动还受施胶、润湿、温度和填料影响；本条不提供无几何信息的统一填充时间。

边界

预施胶把问题从毛细进入转为接合协同

接合前预施胶可绕开接合后从边缘进入细间隙的一部分困难，但同时引入对准可见性、放置黏附、接点接触以及填料夹入的约束。预施胶不是消除所有空洞和接触问题的保证。^{2, 3}

成立条件 区分液态非导电材料与晶圆级薄膜；具体施胶顺序和黏附状态需分别验证。

机制

固化进程必须给金属接触留下时间窗口

预施胶材料若在金属接触形成之前已过度固化，可能妨碍接点到位；若接合后仍未达到所需固化状态，载荷传递又与目标材料参数不一致。接合温度时间与部分固化、后固化必须成套设计。^{2, 3}

成立条件 具体反应速率由配方和温度决定；不据此给所有材料指定统一加热曲线。

结构与失效解释

关联

周边虚设凸点也参与平整度和载荷控制

周边虚设凸点不一定承担有效信号，却可以改变底填充丰富区域的支撑和芯片共面状态。把它们当作无用位点删掉，可能改变接合均匀性及局部变形，电气功能图不能替代机械布局图。^{1, 2}

成立条件 是否设置虚设凸点取决于实际堆叠结构；不主张所有阵列都采用相同数量与位置。

机制

边角裂纹、体内裂纹和界面分层是不同路径

底填充边角裂纹可转入芯片钝化层界面，体内裂纹也可能改变接点局部载荷。检验时需要区分裂纹路径与接点断口，不能把声学图中的所有异常都统称为同一种焊点失效。^{1, 2}

成立条件 不同材料与界面的路径不必相同；需结合截面、声学与电气信息判定。

边界

多参数材料对比不能归因为一个参数

两种底填充若同时改变黏度、粒径、填料量、模量和热膨胀系数，观察到的空洞或寿命差别不能单独归因于其中某一项。控制变量的参数扫描可帮助分辨趋势，但仍需对应试验验证。^{1, 2}

成立条件 区分实测样本对比与仿真单参数扫描；有限样本的寿命拟合不保证排序具有高置信度。

边界

仿真的无应力参考态也是输入条件

热机械仿真需说明从哪个温度和状态开始累计热载荷。把室温设为无应力只是建模假设，不会自动包含装配冷却和固化收缩的真实残余应力；模型与实测差异应检查这一输入。²

成立条件 不凭本条反推某封装残余应力大小；需要实际装配、固化历史和材料状态。

出处

3 份资料 · 21 处引用

1
集成电路三维系统集成与封装工艺
- §5.3.4–5.3.6，表5.3，第 125–129 页 支持：底填充选材首先是结构和状态的匹配
- §5.3.4，表5.3，第 126 页 支持：跨越玻璃化转变时不能只用低温膨胀系数
- §5.3.4–5.3.5，第 125–127 页 支持：硅对硅仍然存在局部材料失配
- §5.2.7、§5.3.4、§5.4.5，第 120、125–126、137 页 支持：平均粒径不能代替粒径尾部与最窄间隙检查
- §5.3.4，图5.28–5.29、表5.3，第 125–126 页 支持：凸点分布会改变流动通道和排气路径
- §5.2.1，图5.2，第 110 页 支持：周边虚设凸点也参与平整度和载荷控制
- §5.3.4–5.3.5，图5.29–5.30，第 126–127 页 支持：边角裂纹、体内裂纹和界面分层是不同路径
- 表5.3、§5.3.6，表5.5，第 126、128–129 页 支持：多参数材料对比不能归因为一个参数
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2
Effect of Wafer Level Underfill on the Microbump Reliability of Ultrathin-Chip Stacking Type 3D-IC Assembly during Thermal Cycling Tests
Chang-Chun Lee · 2017
- §4.1–4.4，article pp.8–11/13 支持：底填充选材首先是结构和状态的匹配
- §3.2，表1，article pp.5–6/13 支持：硅对硅仍然存在局部材料失配
- §4.3，图11，article p.10/13 支持：降低模量的收益不能跨结构直接推广
- §2.1，图1–2，article pp.2–3/13 支持：预施胶把问题从毛细进入转为接合协同
- §2.1，图1，article p.2/13 支持：固化进程必须给金属接触留下时间窗口
- §4.1，图9，article pp.8–9/13 支持：周边虚设凸点也参与平整度和载荷控制
- §3.3，图8，article pp.7–8/13 支持：边角裂纹、体内裂纹和界面分层是不同路径
- §4.3–4.4，图11–12，article pp.10–11/13 支持：多参数材料对比不能归因为一个参数
- §3.2，article pp.5–6/13 支持：仿真的无应力参考态也是输入条件
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3
Small Pitch Micro-Bumping and Experimental Investigation for Under Filling 3D Stacking
Antonio La Manna; K. J. Rebibis; J. De Vos; L. Bogaerts; C. Gerets; E. Beyne · 2012
- §4，图14–18，第 000539–000541 页 支持：平均粒径不能代替粒径尾部与最窄间隙检查
- §4，图11–18，第 000538–000540 页 支持：凸点分布会改变流动通道和排气路径
- §4，图11–18，第 000538–000541 页 支持：预施胶把问题从毛细进入转为接合协同
- §4，电子版第 4、6 页，第 000538、000540 页 支持：固化进程必须给金属接触留下时间窗口
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关键参数

常见误区

材料状态与载荷路径

#底填充选材首先是结构和状态的匹配

#跨越玻璃化转变时不能只用低温膨胀系数

已知

步骤

#硅对硅仍然存在局部材料失配

#降低模量的收益不能跨结构直接推广

流动与接合流程

#平均粒径不能代替粒径尾部与最窄间隙检查

#凸点分布会改变流动通道和排气路径

#预施胶把问题从毛细进入转为接合协同

#固化进程必须给金属接触留下时间窗口

结构与失效解释

#周边虚设凸点也参与平整度和载荷控制

#边角裂纹、体内裂纹和界面分层是不同路径

#多参数材料对比不能归因为一个参数

#仿真的无应力参考态也是输入条件

集成电路三维系统集成与封装工艺

Effect of Wafer Level Underfill on the Microbump Reliability of Ultrathin-Chip Stacking Type 3D-IC Assembly during Thermal Cycling Tests

Small Pitch Micro-Bumping and Experimental Investigation for Under Filling 3D Stacking