Este artículo técnico trata del underfilling, un proceso esencial en la electrónica de semiconductores para la protección de BGA, flip chips y CSP.
El underfilling describe un proceso en el que el espacio entre un cuerpo y un sustrato subyacente se rellena utilizando un medio fluido. Dependiendo del comportamiento de flujo del material seleccionado, la presencia de un capilar, así como la influencia de los parámetros físicos pertinentes (presión hidrostática, viscosidad, tensión superficial) pueden favorecer la penetración o el underfilling. La distancia entre el cuerpo y el sustrato no debe ser demasiado grande, ya que un material de baja viscosidad sólo puede acumularse en altura hasta cierto punto antes de extenderse por la superficie. Una distancia demasiado grande entre el cuerpo y el sustrato es un factor insignificante en la electrónica de semiconductores debido a la miniaturización cada vez mayor de los conjuntos y componentes. Por el contrario, las distancias pequeñas plantean otros retos. Ajustar las propiedades deseadas del material de relleno requiere aditivos o cargas con un tamaño de partícula determinado. En consecuencia, sólo se puede conseguir un relleno interior satisfactorio si existe una distancia mínima que no impida un procesamiento económico debido a una viscosidad excesiva.
Fig. 1: BGA con relleno inferior
¿Qué es un material de relleno?
Los materiales a base de epoxi se utilizan como materiales de relleno. Están diseñados para rellenar el espacio libre bajo componentes sensibles sin dejar huecos y para unirlos firmemente al sustrato subyacente. Al mismo tiempo, proporcionan una capa de mediación entre los distintos materiales. Esto lo consiguen mediante cargas, que definen sus propiedades características (viscosidad, fuerza adhesiva, reticulación térmica, etc.).
Como ya se ha mencionado, esto supone un reto para el propio material de relleno, pero también hay algo que hay que tener en cuenta fuera del propio proceso de aplicación. Dado que los rellenos empiezan a sedimentar durante el periodo de almacenamiento, el almacenamiento en frío es un requisito básico para los materiales de relleno. Mediante técnicas especiales, la remezcla puede realizarse de forma limitada y debe evitarse en la medida de lo posible.
¿Por qué utilizar materiales de relleno?
Los materiales de relleno utilizados habitualmente para este fin garantizan la expulsión uniforme del aire, estabilizan eficazmente la zona inferior frente a influencias externas, reticulan sin variación y ofrecen la ventaja adicional de que unen firmemente el componente al sustrato. Gracias a su estabilización mecánica, ofrecen una protección eficaz contra la fatiga de las juntas de soldadura. Las vibraciones u oscilaciones son absorbidas por el material y absorbidas por todo el cuerpo en lugar de estresar los puntos débiles de la unión soldada. Además de minimizar las tensiones mecánicas, también se compensan las tensiones termomecánicas debidas a la desviación de los coeficientes de expansión térmica (CTE). El desarrollo uniforme de las propiedades físicas del material se consigue mediante la reticulación térmica a altas temperaturas (aprox. 120 °C). El underfilling es una tecnología óptima, especialmente para la protección de BGAs (ball grid arrays), flip chips o CSP, con sus bolas de soldadura muy juntas. Los huecos estrechos forman un capilar natural que favorece el subllenado de los componentes. Además del underfilling, existen otras opciones que se utilizan habitualmente para manipular estos componentes en relación con la protección básica de componentes:
- Sobrepintado
- Sellado
Sobrepintado
Por sobrepintado se entiende la aplicación de un revestimiento de conformación.
Debido a su baja viscosidad, los sistemas de curado con disolvente son ideales para el sobrebarnizado de un BGA. El disolvente contenido en el revestimiento puede escapar fácilmente por los bordes. Este proceso es más difícil para el fluido residual que se encuentra debajo del componente. La capa de polímero ya formada en el borde dificulta la volatilización de los disolventes y puede prevalecer un estado de reticulación indefinido durante mucho tiempo, lo que dificulta hacer una afirmación fiable sobre el efecto de cargas y/o cambios térmicos elevados. Por una parte, los coeficientes de dilatación térmica pueden variar en función del estado de reticulación y, por otra, una temperatura elevada somete a los componentes disolventes residuales a tensiones quimiotérmicas, lo que puede tener otros efectos indefinidos sobre el componente.
Sellado
Otra forma de proteger los componentes es sellar las zonas de los bordes con un material tixotrópico. El sellado protege las bolas de soldadura de influencias externas sin dejar un estado variable en el interior. A cambio, el aire presente queda atrapado allí. Sobre todo a bajas temperaturas, hay que tener en cuenta que podría formarse condensación en función del contenido de humedad de la atmósfera cerrada. Hay que definir y discutir claramente qué planteamiento cumple los requisitos del proyecto con mayor fiabilidad. Desde un punto de vista puramente técnico, el llenado por debajo ofrece el mayor nivel de seguridad. Independientemente de ello, la correcta aplicación del material es un factor clave para el desarrollo de las propiedades protectoras.
¿Cómo funciona el relleno?
El material de relleno puede aplicarse manualmente con un dispositivo manual a presión de aire o mediante una aguja dosificadora con un robot de 3 ejes. Se utiliza una combinación de portaherramientas calentados y programas de templado específicos del proyecto para optimizar la aplicación y el relleno posterior. Esto permite maximizar la velocidad de flujo y el nivel de llenado sin fisuras durante el proceso de aplicación y minimizar el tiempo de proceso. En los lados de aplicación se forma un menisco. Dependiendo de la superficie de relleno, puede ser suficiente una sola aplicación o la cantidad debe aplicarse en varias dosis de depósito. La cantidad de material aplicado debe seleccionarse de forma que no se humedezcan los componentes circundantes ni las superficies expuestas (superficies doradas, conectores, superficies para unión térmica). Si se aplica una pequeña cantidad de material, éste penetra gradualmente bajo el componente hasta que se agota el suministro. La frecuencia de dosificación viene determinada principalmente por el tamaño del componente y el caudal. Es precisamente en este punto donde entra en juego la ya mencionada influencia de la termodinámica aplicada. En teoría, la cantidad puede medirse con tanta precisión que no quede ningún menisco en el borde de aplicación. Para garantizar la calidad, se suele utilizar una mayor cantidad de material. Por último, se puede aplicar una pista de nivelación sobre los bordes sin aplicación, con lo que se obtiene una imagen uniforme de la circulación del material. Esta nivelación puramente óptica y los lados de dispensación seleccionados dependen de la distancia entre el componente y las zonas libres de material. Aquí se recomienda una distancia mínima de 2 mm para garantizar un trabajo limpio. Por lo tanto, es extremadamente importante definir de forma clara e inequívoca las expectativas exactas del llenado por debajo. Estas decisiones influyen además en la elección del "patrón de aplicación" óptimo. Dependiendo del tamaño y la orientación del componente en el montaje, el relleno se aplica en diferentes trayectorias a lo largo de los bordes del componente.
Patrón de aplicación
El método más común es la aplicación en forma de L (véase la Fig. 2, centro). El material de relleno se aplica sobre dos lados adyacentes en una línea. Esto permite que el material rebaje el componente en dos superficies de contacto y, al mismo tiempo, proporciona un alto grado de superficie de evacuación para el aire presente. Para componentes más pequeños, es más adecuada la dosificación múltiple sobre un borde (véase la imagen de la izquierda). En casos excepcionales o para componentes extremadamente grandes, es posible aplicar el producto en forma de U sobre tres lados (véase la imagen de la derecha). En este caso, debe prestarse especial atención a que haya tiempo suficiente para desplazar el aire.
Fig. 2: Patrón de aplicación para el relleno interior
Conclusión
En resumen, puede decirse que el underfilling es un proceso fundamental en la protección de BGAs, flip chips o CSP contra las influencias ambientales y las tensiones térmicas y mecánicas. Durante el procesado, la empresa InnoCoat, con sede en Núremberg, trabaja mediante vías de aplicación y procesos de soporte térmico definidos, que influyen significativamente en el comportamiento del flujo y, por tanto, en el tiempo de ciclo y el grado de relleno. Para minimizar las inclusiones de aire, el material se aplica en diferentes patrones a lo largo de los bordes de los componentes, en función de su tamaño y orientación en el conjunto. Esto requiere una definición precisa de los parámetros deseados para los requisitos ópticos y las tolerancias de las zonas circundantes y los componentes. Una vez aclaradas estas especificaciones, nada se opone a una protección duradera, sostenible y de alta calidad para componentes altamente sensibles.
Fuentes
Underfill Materials: All You Want To Know | Henkel Adhesives | Circuit Board Protection, video (youtube), www.youtube.com/watch?v=zSmr2Tv2NsU,(recuperado: 15/10/2024).
Underfill, Nordsom Corporation, www.nordson.com/de-de/divisions/electronics-solutions/your-process/fluid-types/underfill (recuperado: 15/10/2024).
Application dosing technology, AAT Aston GmbH, https://aston.de/wp-content/uploads/Applikation-Underfill.pdf (Recuperado: 15/10/2024).
