在电子制造领域，底部填充材料对于保障电子设备的可靠性起着关键作用。今天，咱们就来深入解读 IPC J-STD-030A 这份标准文档，带你全面了解板级底部填充材料的选择与应用要点。

底部填充材料：电子设备的 “稳定器”

底部填充材料主要用于增强电子设备的可靠性，它有两大 “法宝”：一是缓解电子封装与组装基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配问题；二是提高机械强度。此外，它还能为设备提供环境保护、抵抗机械冲击和振动，甚至起到防篡改的作用。市场上的底部填充材料种类繁多，常见的有毛细管流动底部填充材料、不流动 / 助焊底部填充材料、可移除 / 可返工底部填充材料等 ，每种材料都有其独特的特性和适用场景。

选材前，先看设计要点

在选择底部填充材料之前，要充分考虑设计因素。比如，在 footprint 设计方面，要避免将被动或其他组件放置得离需要底部填充的设备过近，不然会影响材料的 dispensing 操作，还可能导致材料流入不需要的区域。同时，要确保测试点避开底部填充材料的流出区域，以免影响电路测试。

间隙大小也很关键，它是指组装后的封装与电路板之间的距离。选择合适的填充材料尺寸和维度要依据设备的间隙大小，一般来说，填充材料的尺寸应为最小间隙的三分之一 。此外，焊盘重新分布时，要保证在回流过程中芯片所受的力平衡。

未固化材料特性：影响使用的关键因素

1. 填料特性

   ：填料在底部填充材料中起着重要作用，常用的填料有二氧化硅和氧化铝等。填料的类型、粒径、分布、几何形状等都会影响材料的性能。比如，填料粒径应小于有效间隙尺寸，否则会限制材料的流动。同时，填料的含量也会影响材料缓解 CTE 不匹配的能力。

2. 预聚物特性

   ：预聚物的粘度会影响材料的流速和可分配性，而且粘度会随着材料的使用期限发生变化。凝胶时间是指液体开始呈现假弹性特性的时间，它会因固化系统和预热情况而有所不同。在使用过程中，要注意避免在填充过程中材料达到凝胶点。

3. 材料兼容性

   ：材料兼容性包括与助焊剂、电路板表面和组件表面的兼容性。助焊剂残留可能会阻碍底部填充材料的润湿，还可能与材料发生化学反应，影响最终性能。电路板表面的焊锡掩模如果吸收了水分或未完全固化，会导致底部填充材料出现空洞和分层。而组件表面需要底部填充材料有良好的附着力，以防止分层。

4. α 粒子发射

   ：某些水平的 α 粒子发射会导致内存设备出现软错误。底部填充材料中的填料是 α 粒子发射的主要来源，不过供应商通常会使用低 α 发射的填料来降低风险。

材料包装、处理与存储：细节决定成败

1. 包装与容器

   ：底部填充材料通常包装在密封的塑料注射器中，标签上会标明产品、批次、保质期等重要信息。要选择合适尺寸的注射器或墨盒，以匹配材料的适用期和生产单位的用量。同时，要注意防止包装内出现气泡，避免材料泄漏。

2. 存储条件

   ：大多数底部填充材料是预混合并冷冻的双组分环氧树脂，需要低温存储。不同材料的存储温度要求不同，高填料含量的材料通常需要在低温冰箱中存储，以保证其保质期和性能。

3. 预处理

   ：冷冻存储的底部填充材料在使用前需要预热到环境温度，并且要避免温度冲击，防止注射器内出现空洞。

4. 适用期

   ：底部填充材料的适用期可以通过粘度变化、流速变化和沉降测试来衡量。如果材料的粘度增加过多、流速明显下降或出现填料沉降现象，说明材料可能已经过期或接近过期，不适合继续使用。

应用过程：步步讲究，环环相扣

1. 应用前电路板准备

   ：为了防止底部填充材料在回流和固化过程中出现与水分相关的空洞，电路板必须保持干燥。对于暴露在环境空气中超过四小时的电路板，需要进行彻底干燥处理。

2. 毛细管流动底部填充材料的应用

   ：在应用毛细管流动底部填充材料时，首先要将待填充的设备固定好，然后通过特殊设备将材料分配到组件边缘，利用毛细管作用使材料流动并填充间隙。分配过程中要注意选择合适的分配模式和参数，以避免空气夹带、相分离等问题。

3. 不流动 / 助焊底部填充材料的应用

   ：不流动 / 助焊底部填充材料通常在组件放置前直接分配到电路板上，然后将组件放置在材料上进行回流。在应用过程中，要注意控制分配体积和图案，避免出现气泡和 “浮动” 现象。

4. 流速

   ：底部填充材料的流速包括分配流速和填充流速，它们对于评估材料的性能非常重要。可以通过特定的测试方法来测量流速，并且要根据实际应用需求确定合适的流速范围。

5. 扩展 / 塌陷

   ：扩展 / 塌陷是指底部填充材料在应用过程中的流动情况，如果材料扩展或塌陷过多，可能会影响相邻设备。可以通过特定的测试方法来评估材料的扩展 / 塌陷性能，确保其符合要求。

6. 评估方法

   ：为了确保底部填充材料的填充质量，可以采用声学显微成像、破坏性测试等多种评估方法。这些方法可以检测材料的填充完整性、是否存在空洞和裂缝等缺陷。

7. 适用期（在分配器中）

   ：在分配器中，底部填充材料的适用期可以通过分配流速的变化来评估。一般来说，当分配流速降低 50% 时，就认为材料的适用期已到。

固化过程：把握关键，确保质量

1. 应用寿命（分配后）

   ：底部填充材料在分配和流动后应尽快固化，否则可能会出现填料沉降、吸收大气水分等问题，影响固化质量。在固化前，要检查材料的凝胶时间，避免材料在未完全填充时就达到凝胶点。

2. 毛细管流动底部填充材料的固化过程

   ：固化过程的参数，如加热速率、冷却速率、最高温度和保温时间等，都会影响最终的固化性能。在选择固化参数时，要充分考虑材料的特性和设备的要求，确保达到最佳的固化效果。

3. 不流动底部填充材料的固化过程

   ：不流动底部填充材料通常在 IR 或对流表面贴装回流炉中固化，在固化过程中要确保焊锡接头在材料凝胶前完成回流，否则会导致焊接不良。同时，要注意避免材料在固化过程中出现空洞，可以通过预干燥等措施来减少水分的影响。

4. 空洞形成 / 排气

   ：在固化过程中，底部填充材料可能会出现空洞，这可能是由于溶剂、稀释剂或水分的存在导致的。要通过测试来评估空洞的形成情况，确保材料在实际应用中不会出现严重的空洞问题。

5. 固化验证

   ：固化验证可以通过比较圆角与已知固化样品、针探测试硬度、观察颜色变化等方法来进行。最准确的方法是使用热分析技术，如差示扫描量热法（DSC）和热机械分析（TMA），来确定固化程度和材料的性能。

固化后底部填充材料特性：性能指标大揭秘

1. 外观

   ：固化后的底部填充材料的外观包括圆角形成和颜色等方面。圆角可以分散应力，提高可靠性，但圆角不应覆盖封装顶部。大多数底部填充材料会添加颜色以便观察，选择时要注意颜色对材料性能的影响。

2. 附着力

   ：底部填充材料的附着力对其性能至关重要，可以通过 ASTM D1002 等测试方法来评估。不过，由于预期的现场失效是底部填充层的疲劳断裂，因此获得的剪切强度值可能无法很好地预测材料在实际使用中的行为。

3. 收缩和诱导应力

   ：收缩和诱导应力会影响设备的性能，可以通过干涉仪、轮廓仪等方法来测量。选择合适的底部填充材料可以减少收缩和诱导应力，提高设备的可靠性。

4. 杨氏模量

   ：杨氏模量反映了材料的刚度，对于 CTE 敏感的应用，通常希望材料具有较高的杨氏模量；而对于 CSP 等易受冲击、跌落或振动应力影响的设备，则可能需要较低模量的材料。

5. 热膨胀系数（CTE）

   ：传统观点认为，底部填充材料的 CTE 应与互连系统相匹配，但目前对于最佳 CTE 仍存在争议。同时，要注意材料在玻璃化转变温度以上和以下的 CTE 变化。

6. 玻璃化转变温度（Tg）

   ：Tg 通常由最大最终使用温度和 / 或鉴定最高温度暴露决定。如果材料在玻璃化转变区域上下的膨胀相似，那么 Tg 的影响就相对较小。

7. 化学稳定性

   ：底部填充材料应具有较高的化学稳定性，可以通过浸泡在溶剂中的测试方法来评估其耐溶剂性。同时，要测试材料对其他可能遇到的化学物质的耐受性。

8. 吸湿

   ：固化后的底部填充材料吸湿会影响设备性能，供应商通常会通过 24 小时沸水浸泡测试来测量吸湿率。一般来说，吸湿率应控制在一定范围内。

9. 水解稳定性

   ：水解稳定性是指材料在高温高湿条件下保持其结构的能力。虽然目前没有专门针对底部填充材料的水解稳定性测试标准，但可以参考相关的通用测试方法进行评估。

10. 非营养性

    ：为了防止生物生长对设备造成损害，底部填充材料应具有非营养性，可以通过 IPC - TM - 650, TM 2.6.1 测试方法来检测。

11. 表面绝缘电阻

    ：表面绝缘电阻用于衡量材料的绝缘特性，可以通过 IPC - 9201 等测试方法来评估。在测试时，要注意材料在潮湿条件下的电阻变化。

12. 抗电化学迁移性

    ：抗电化学迁移性与表面绝缘电阻测试类似，但测试时间更长。可以通过 IPC - TM - 650, TM 2.6.14.1 等测试方法来评估材料的抗电化学迁移性能。

13. 体积电阻率

    ：体积电阻率反映了材料的体电绝缘特性，可以通过 ASTM D257 测试方法来测量。材料的体积电阻率会受到温度、湿度、固化程度等因素的影响。

14. 介电常数（电容率）

    ：介电常数和耗散因子是聚合物材料的固有特性，对于在微波或其他射频信号路径附近使用的底部填充材料，需要考虑其介电特性。可以通过 ASTM D150 测试方法来测量介电常数和耗散因子。

工艺可靠性评估：多维度考量，保障质量

1. 离子含量

   ：离子含量过高，如氯离子和钠离子，会导致焊盘和印刷电路导体腐蚀。不同类型的底部填充材料对离子含量的限制不同，可以通过离子色谱法来检测离子含量。

2. 耐化学性

   ：底部填充材料在恶劣环境条件下能为封装和焊接互连提供一定程度的保护，但需要通过测试来确定其与预期环境条件的兼容性。

3. 机械完整性

   ：底部填充材料在电路板和封装之间提供机械连接，良好的附着力对于提高机械可靠性至关重要。同时，其他物理性质，如弹性模量，也会影响底部填充材料的性能。

4. 后焊接工艺（毛细管底部填充）

   ：毛细管底部填充通常在焊接 / 回流工艺之后进行，此时表面可能存在助焊剂残留，这就要求底部填充材料与助焊剂具有良好的兼容性。在某些情况下，如果焊接回流工艺在底部填充层应用和固化之后进行，需要选择能够承受高温的材料。

5. 温度循环

   ：温度循环测试是评估底部填充材料可靠性的重要方法之一，通过模拟产品在实际使用中的温度变化，观察设备的性能变化。在选择底部填充材料时，要考虑材料的 CTE、玻璃化转变温度等因素，以确保在温度循环过程中设备的可靠性。

其他注意事项：这些要点别忽视

1. 可返工性

   ：当返工成本合理时，可返工的底部填充材料是不错的选择。在返工过程中，要注意避免对电路板和周围设备造成损坏，同时要确保返工后的设备性能符合要求。

2. 固化判定

   ：确定底部填充材料的固化程度最好的方法是进行 DSC 分析。在固化过程中，要充分考虑部件、电路板和其他物品的热质量，确保材料达到完全固化所需的时间和温度。

3. 热管理

   ：虽然导热底部填充材料可用于散热，但由于焊点是有效的热传导通道，通常不会专门为热管理而使用底部填充材料。散热器是更常用的热管理方式。

4. BGA 和 CSP 板级底部填充材料的工艺标准

   ：对于 BGA 和 CSP 板级底部填充材料，有详细的工艺标准，包括视觉标准和底部填充空洞的可接受程度等。在生产过程中，要严格按照这些标准进行检测和控制。

5. 破坏性检查

   ：破坏性检查可以用于观察底部填充材料的流动和覆盖情况，以及检测是否存在空洞等缺陷。通过对暴露的焊点阵列进行检查，评估底部填充材料的质量。

6. 空洞情况和可靠性影响 / 因素概述

   ：不同类型的空洞对设备可靠性的影响不同，需要根据具体情况进行评估。如果发现未固化材料，要进行可靠性测试，以确定是否将其视为缺陷。

7. 角部或边缘粘结底部填充材料的工艺指南

   ：对于角部或边缘粘结底部填充材料，有明确的工艺指南，如角胶长度、填充高度、填充宽度和胶水形状等要求，遵循这些指南可以提高设备的可靠性。

常见问题排查：解决问题有妙招

1. 流动不足

   ：流动不足可能是由于粘度、润湿性或机械堵塞等原因导致的。可以通过测量粘度、检查表面污染情况和排除机械堵塞因素来解决。

2. 相分离

   ：相分离可能是由于堵塞或材料本身特性导致的。对于低粘度系统，相分离可能更容易发生，可以通过选择合适的材料或调整工艺来解决。

3. 空洞

   ：空洞在固化前和固化后都可能出现，原因包括空气夹带、材料中的气泡、水分挥发等。可以通过优化流动模式、检查材料包装、预干燥组件等方法来减少空洞的产生。

4. 固化不足

   ：固化不足通常是由于温度和 / 或时间不足导致的，可以通过插入热电偶测试实际温度、优化固化条件或评估材料兼容性来解决。

5. 附着力差

   ：附着力差可能是由于污染物、水分或材料不适合等原因导致的。可以通过清洁表面、预烘烤、选择合适的材料或提高固化温度来改善附着力。

6. 热循环失效

   ：热循环失效可能是由多种因素导致的，如附着力差、水分、空洞、模量不合适等。通过失效分析和材料表征，可以找出具体原因并采取相应的措施。

底部填充材料在电子制造中至关重要，从材料选择到应用、固化，再到后续的评估和问题排查，每一个环节都需要严格把控。希望通过这篇文章，能帮助大家更好地理解和应用底部填充材料，提升电子设备的可靠性。如果你在实际操作中还有其他问题，欢迎在留言区分享讨论！