符安飞
珠海市华亚智能科技有限公司
摘要：随着电子技术的飞速发展，芯片针脚越来越密，越来越小，而对产品的可靠性要求则越来越高。尤其在汽车行业的应用，ADAS摄像头作为高级辅助驾驶的感知部件，产品的稳定则显得愈发重要。底部填充工艺就是增强产品可靠性,提高产品使用寿命一个重要的组成部分。本文会通过深入分析ADAS摄像头BGA芯片失效的机理着手，引入底部填充工艺，介绍工艺流程及技术knowhow，以及如何采用实验设计法DOE来获得最优的参数。
关键词：底部填充，CTE热膨胀系数，ADAS摄像头，耐候性，DOE
引言
随着智能驾驶、无人驾驶汽车行业的发展，实现ADAS（Advanced Driver Assistance System）高级驾驶辅助系统的摄像头就如汽车的眼睛，在无人驾驶上起感知识别的作用，其品质可靠性和稳定性关乎到人生命安全。汽车行驶的环境相对于消费型产品而言是非常苛刻的，如汽车电子零部件，其要求的工作温度是-40~+85℃,而消费型产品要求的工作温度是-10~+60℃；汽车零部件产品要求的使用寿命是10~15年，而消费型产品则要求能快速的更新换代，能用3~5年则已。除了这些硬性指标，汽车还需行驶在颠簸振动的道路，还需遭受风雪雨露的冲刷，这种种的严苛的使用条件无不使汽车零部件的品质必须过关。摄像头被应用在汽车上起智能驾驶辅助的作用，其耐候性和可靠性就必然成为重中之重的评价要点。
一、ADAS摄像头在无人驾驶中的作用
高级驾驶辅助系统（ADAS），定义为利用安装在车辆上的传感（如摄像头、雷达）、通信、 决策及执行等装置，监测驾驶员、车辆及其行驶环境并通过影像、灯光、 声音、触觉提示/警告或控制等方式辅助驾驶员执行驾驶任务或主动避免/减轻碰撞危害的各类系统的总称。利用ADAS摄像可以具体实现的功能有：
1.前向碰撞预警 forward collision warning（FCW）：实时监测车辆前方行驶环境，并在可能发生前向碰撞危险时发出警告信息。
2.车道偏离预警 lane departure warning（LDW）：实时监测车辆在本车道的行驶状态， 并在出现非驾驶意愿的车道偏离时发出警告信息。
3.交通标志识别 traffic sign recognition（TSR）：自动识别车辆行驶路段的交通标志（如红绿灯、限速标识）并发出提示信息。
4.驾驶员疲劳监测 driver fatigue monitoring（DFM）：实时监测驾驶员状态并在确认其疲劳时发出提示信息。
以上驾驶辅助功能大大提升了驾驶安全系数。但是人们日常使用的汽车有可能驾驶在-30℃~-40℃的西伯利亚地区，也有可能飞驰在+40℃~+50℃的非洲地区，可能驾驶在高海拔的青藏高原，也有可能驰骋在温差变化极大的沙漠地区。这些环境、温度、压力的变化极易导致ADAS摄像头的芯片失效，如芯片焊点锡裂导致无图像输出，此将会严重威胁到人生命安全。所以ADAS摄像头在设计、制造环节都必须做到充分的评价和测试。
二、ADAS摄像头芯片失效的模式和机理分析方法
ADAS摄像头的结构一般如下图1所示，主要由镜头，镜头Holder和影像PCB板组成。主要工作原理：外界物体通过镜头将光信号传到影像PCB板上，影像PCB板上有一块光电传感器芯片（CCD/CMOS）将光信号转换为电信号，信号处理器接收到电信号对电信号进行处理还原出物体图像，通过算法对图像进行识别判断。
针对ADAS摄像头失效的模式有很多种，本文重点介绍影像板主要芯片失效导致无图像或是图像黑画面的问题。影像板上主要芯片是CCD/CMOS，目前此类芯片主流的封装皆为BGA(球型阵列封装)。在BGA封装中，焊点作为表面贴装芯片与PCB基板之间的连接。主要承担着传递电信号，提供散热途径，结构保护与支撑等作用。但由于被连接的芯片与PCB基板的热膨胀系数（CTE）不匹配及焊点承受温度循环等问题，易引起焊点产生疲劳开裂并进而导致器件整体的失效。因此，BGA焊点的可靠性已经成为电子组装和封装领域中关键的热点问题之一。
针对ADAS摄像头产品在研发和评测阶段都会进行模拟严于使用环境下的寿命测试来评判BGA焊点的可靠性。在汽车行业常用评判测试是Thermal cycles可靠性测试。此测试的试验条件是：在产品通电情况下，在高温90℃下持续工作 35分钟，低温-40℃下工作35分钟，高低温度间切换速度为5℃/分钟，累计进行1000个循环测试（模拟满足15年的工作寿命）。在此项严苛的测试条件下，一般消费型电子产品是根本无法满足的，针对车规级电子产品也很经常发生在未达到测试时限就失效的问题。
对影像PCB板而言，BGA焊点失效导致的现象通常是无图像或图像黑画面。对车规级产品的分析都需要从问题发生的机理来剖析问题的根源。焊点的可靠性主要取决于焊点的内部质量、材料的匹配性、焊接材料的力学性能、焊点的几何形状等因素。然而，由于BGA封装器件的焊点都隐藏在器件底部，导致焊点缺陷的检测以及失效分析都比较困难。常用的分析方法有：
1.电信号测量法：常用的测量工具有万用表和示波器。通过对BGA焊点电信号电压、波形测量分析，可以找出没有正常输出信号的焊点。如下表所示，时钟信号PIXCLK_O、数字信号D0~D11、水平同步信号HSYNC均没有信号输出。
2.3D X-ray扫描分析法。3D X-ray扫描是一种非接触式无损分析的方法，它是将X光束聚焦到要分析的芯片位置，采用分层"切片"的方式逐层扫描，再组合成3D影像来分析裂纹。
3、研磨切片（Cross section）分析法，研磨切片属于破坏不可逆的分析方法。它是利用机械研磨设备将BGA芯片的焊点逐层研磨抛光，再用高清晰度显微镜来检查裂纹。
通过上述三种方法可以确认到BGA焊点开裂的具体位置。一般开裂发生的位置均位于芯片的边缘。通过有限元模型仿真分析，最大应力值出现在离中心最远的焊球上，拐角处焊点具有明显的应力集中现象，而且靠近PCB板的一侧。中间焊点应力最小，从中间焊点到边缘焊点应力变化呈逐渐增加的趋势。所以焊点的裂纹有可能从焊点与基板相接触的一侧开始萌生，并由外向内扩展。
4.热应力实验分析法，这是一种模拟高低温试验条件下热应力大小是否能导致BGA焊点开裂的量化分析方法。在自然界中，当一个物体加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果物体各部分之间膨胀收缩程度不同，且膨胀收缩受到限制不能自由伸缩，就会在物体内部产生热应力。
在实际试验中，常是将应变片传感器贴于CMOS芯片中间，在高低温变化的过程中通过应力测试仪观察应力的变化。一般在高温状态下，应力常常会超过规格值，大大增加了焊点开裂的风险。
应力的产生的机理主要是由于不同材料间的CTE热膨胀系数不同所致。世界上任何一种材料都会存在由于温度变化而有胀缩的现象，常用PPM/℃来表示，即温度每变化1度，材料的膨胀或收缩为百万分之几。在电子产品应用中，我们比较常关注的是CTE1和CTE2，CTE1是温度在Tg以下时的膨胀系数,CTE2是温度在Tg以上时的膨胀系数。(注：Tg为玻璃态转换点)
ADAS摄像头的影像PCB板常用材质是FR4，通常使用的原材料为IT180A，Tg温度为150℃，CTE1=40 PPM/℃,CTE2=240 PPM/℃,而CMOS芯片的CTE1为 3.8PPM/℃。两者之间相差很大，所以在高温-低温-高温交替冲击下，不同材质间膨胀收缩系数不同以致使CMOS芯片锡球被拉裂。
附：常用PCB材质、CMOS芯片、CMOS锡球的CTE表
三、Undefill底部填充技术解决方案
因为硅材料做成的芯片的热膨胀系数远比一般基板(PCB)材质低很多，因此在热循环测试(Thermal cycles)中常常会有相对位移产生，导致机械疲劳而引起焊点脱落或断裂的问题。为满足ADAS摄像头产品严苛的热循环测试要求，减少不同材料间热膨胀性不同的影响。底部填充（Underfill）技术的主要目的就是增强产品BGA焊点的可靠性。随着汽车电子产业对产品可靠性能要求越来越高，10~15年的使用寿命和恶劣的使用环境（-40~+85℃）需求，Underfill底部填充已然成为汽车电子行业中重要的工艺技术。
3.1 底部填充胶水的选用
Underfill底部填充通常是使用环氧树脂（Epoxy）做为粘接剂,它利用毛细作用原理将Epoxy涂布在芯片边缘让其自然渗透到BGA芯片底部，然后予以加热固化。所以此技术实施的第一步就是选择合适的环氧树脂粘接剂。针对粘接剂的选择有以下几个参数需要重点评估：
1、Tg点温度，ADAS摄像头由于是高清像素且是长时间连续工作，芯片底部温度可达到70~80℃，粘接剂Tg点要足够大才能确保不发生玻璃态转化现象，通常选用的Tg点要大于100℃。
2、粘接剂的热膨胀系数CTE，这个系数就要和芯片、PCB板材的CTE越接近越好。
3、粘接剂粘度，粘度影响流动性和填充时间，结合芯片的锡球布局来看，有些芯片中间有Die layer的话，粘度就要选择稍小一些。
4、其他一些参数主要就跟工艺应用相关了，主要有固化时间、固化温度、存储时间等。
3.2底部填充工艺流程及DOE应用
Underfill底部填充流程主要有五步：PCB预烘烤-PCB预热-点胶-固化-检验
第一步 PCB预烘烤
预烘烤主要是为了去除PCB板内的湿气。由于PCB基板在各生产环节中均是暴露在环境中的，暴露的时间长短，生产环境温湿度都会导致PCB基板产生湿气。实施底部填充胶之前，如果PCB板不干燥，容易在填充后有小气泡产生，此气泡又会在高温下膨胀爆破以致使锡球发生开裂。通常采用的方法是称重法来评价烘烤温度、时间和湿气的关系。
第二步 点胶前PCB预热
在点胶前，需对PCB板进行预热，由于环氧树脂胶水的特性，一定的预热可以提高Underfill底部填充胶的流动性。预热通常采用非接触式预热法，预热温度可参考胶水规格书粘度vs温度曲线的建议来定。如下图预热温度：50~60℃之间是最佳的。
第三步 点胶
点胶，则是此流程的核心步骤，通常采用实验设计DOE来验证最佳参数。首先是点胶量的控制，以填满芯片底部间隙和一定的爬高量来定。胶量的控制则要依赖于精密的自动点胶设备，常用有螺杆式或是喷射式，通过出胶时间、出胶速度和出胶点大小来定，DOE方法则可以帮助你来找出合适点胶参数。点胶形状主要有3种：一型，L型和U型，决不能采用方形，方形点胶会将空气堵在芯片底部，导致大面积空洞气泡现象。点胶除了确保胶水完全渗透填满芯片四个边外，还要关注胶水的爬高量，这往往是很多技术人员容易忽视的问题。因为如果爬高量不足，在芯片侧面又会形成胶水和芯片材质膨胀系数不同形成的位移拉扯现象。在高温下严重时可以导致芯片内部开裂。
Underfill底部填充胶涂胶方式：
DOE试验就是通过不同因子间的组合试验找出最优因子水准的方法。试验设计法前提条件是对识别出的因子进行分析与筛选，用假设检定的方法将非显著因子去除掉。在此试验中，点胶形状、点胶量、PCB预热温度、点胶头位置都是因子。可是因子这么多，哪些是显著的哪些是非显著的，就要先筛选出来，不然试验的周期和成本将会非常巨大。比如点胶形状，可以分别采用不同的一型、L型、U型来点胶，观察芯片填充后的胶型和爬胶高来判断。如果这3种胶型当中哪种的置信水平大于95%，则为非显著因子。相反则为非显著因子。
因子水准的选择通常采用以下四点原则：1.物料规格书建议的上下限；比如：胶水预热温度、盖子的上下限尺寸；2.设备规格上下限：如针头大孝气压、速度等；3.经验值或是平均值参考，加一些上下公差；4.逐步实验法得出，逐步加大或是逐步减校此试验中预热温度的水准选为：55℃和60℃，点胶针头的距离选为0.3mm和0.25mm，点胶针头高度选为1.5mm和2.0mm。所以此试验就是三因子二水准的因子组合，采用Minitab即产出为如下8组试验。
此试验以芯片渗胶宽度为响应结果来看，8组试验后测得的结果如下表。测量结果所用到的量具和量测设备均要做GRR分析,即测量系统的重复性和再现性分析，确保测量数据的准确性。
针对测试出来的结果，采用田口DOE或是传统DOE方法计算最优因子组合。这些计算都可以利用Minitab工具来算出。如下图所示，SN ratio值越大则表示因子相关性越强，针头距离>针头高度>预热温度。而最优组合的水准则为：针头距离0.3mm，针头高度1.5mm，预热温度55℃。
第四步 烘烤固化
底部填充胶需要经过高温烘烤以加速环氧树脂的固化速度。固化的温度和时间通常参考环氧树脂规格书定义。但这仅仅是参考，在汽车电子产品开发过程中，每一个参数的定义都需要有知所以然，所以在实际应用中要判断固化后的胶水是否真的固化完全，可使用DSC（Differential scanning calorimeter ） 差示扫描量热法来评价。差示扫描量热法(DSC)是一种热分析法。在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，以在需求的温度范围内样品吸热和放热速率曲线来判断胶水是否完全被固化。
第五步 检测检查
通常对于Underfill底部填充工艺的效果检验的方法有3种：
5.1外观检查，胶水需完全渗透并包围住整个芯片四边，且没有溢出到芯片表面。芯片侧面的胶水爬高量大于70%以上。使用显微镜和三次元测试仪测量。
5.2 C-SAM超声波扫描,主要是检测芯片底部是否填充完全，没有空洞，没有气泡。对于Underfill底部填充，芯片底部的空洞和气泡是致命的缺陷。C-SAM超声波扫描为非破坏性测试，它主要是利用超声波在介质中传播时，遇到不同密度物质时产生反射，反射的强度信号形成不同的图像颜色，通过图像颜色来判别是否有空洞。像芯片底部空洞即代表有空气，超声波遇到空气层就会100%反射，所以在图像上看到白色的区域即代表此区域位置有空洞或气泡。
5.3研磨切片，此为破坏性检查。可以在用C-SAM扫描到空洞位置后再用研磨切片来确定是否真为空洞。由于芯片底部的空洞或是气泡大孝位置不一，切片采用纵切方式，需要切3个位置（15%，50%,75%）分别取像在高倍显微镜下观察。
结论
Underfill底部填充技术属于一个系统性的技术开发过程，其涉及知识面非常广。从胶水材料的选型，点胶形状路径的研究、到检验检测的方法，每一个环节，每一道工序都需要谨慎推敲，反复琢磨。ADAS摄像头作为辅助安全驾驶的核心部件，为了克服严苛使用条件引起的热疲劳故障问题，底部填充技术的应用显得更为重要。在工艺的开发过程中，通过试验设计法DOE，能更有效、更科学的找出最优工艺参数，确保在制造环节的可靠性和稳定性。
参考文献
[1].吴卫华，肖勇.热循环条件下无铅焊点无靠性的有限分析[J].电子产品可靠性与环境试验.2010,28(6):42 45.
[2].邵将，崔海坡.基于子模型法的电子封装焊点热应力分析方法研究[J]
[3].张涛，孙忠新.底部填充工艺探讨[J].印刷电路信息.2011(6)
[4].梁凤梅.倒装芯片底部填充工艺[J].电子工艺技术.2000(21):252-254
[5].IPC-7095B BGA的设计及组装工艺的实施.国际电子工业联接协会出版.2008
[6].闵亚能.实验设计(DOE)应用指南[M].机械工业出版社.2011
[7].李志辉.MINITAB统计分析方法及应用[M].电子工业出版社.2017
[8].李双龙.CSP组装底部填充工艺[J].世界电子元器件.2003(1).76-77
[9]秦苏琼，王志，吴淑杰.芯片底部填充胶的应用探讨[J].电子工业专用设备.2017
论文作者:符安飞
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：芯片论文; 焊点论文; 温度论文; 摄像头论文; 胶水论文; 因子论文; 方法论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;