在电子制造中，Underfill（底部填充）究竟是什么，又具备哪些关键特性与应用要点？

Underfill，即底部填充，在电子制造尤其是精密元器件封装领域扮演着至关重要的角色，但其具体定义、作用及应用细节，仍需从专业角度深入剖析。通过一问一答的结构化形式，我们将全面梳理 Underfill 的核心知识，为电子制造领域从业者提供清晰、系统的技术参考。

一、Underfill 的基础认知

什么是 Underfill（底部填充）？从电子制造的专业维度来看，Underfill 是一种专门设计的流体状高分子材料，主要应用于表面贴装技术（SMT）中，通过特定工艺填充在芯片（如 BGA、CSP 等球栅阵列封装元器件）与印刷电路板（PCB）之间的缝隙区域，经固化后形成稳定的机械连接与保护结构。它并非简单的填充介质，而是兼具机械支撑、环境防护与应力缓冲等多重功能的关键材料，其性能直接影响元器件的可靠性与使用寿命。

为什么在电子制造中需要使用 Underfill？这源于精密元器件封装的结构特性与应用环境需求。以 BGA（球栅阵列）封装芯片为例，其通过锡球与 PCB 基板实现电气连接，锡球本身直径小、承载能力有限，且芯片与 PCB 基板的热膨胀系数（CTE）存在差异 —— 在电子设备运行过程中，温度波动会导致两者产生不同程度的热胀冷缩，进而对锡球产生反复的拉伸、挤压应力，长期下来易造成锡球开裂、脱焊，引发电路故障。而 Underfill 填充后，能将芯片与 PCB 牢固结合，分散应力对锡球的集中作用，同时隔绝外界的湿气、灰尘与化学污染物，避免锡球被腐蚀，从根本上提升封装结构的稳定性与抗环境干扰能力。

Underfill 与普通灌封胶有本质区别吗？答案是肯定的，二者在设计目标、性能要求与应用场景上存在显著差异。普通灌封胶主要作用是对电子模块整体进行密封、绝缘与防护，侧重于大面积覆盖与环境隔离，对填充缝隙的精度、流动性及与元器件的匹配性要求较低；而 Underfill 是针对芯片与基板之间微小缝隙（通常仅几十至几百微米）设计的专用材料，首要要求是具备优异的流动性，能快速、均匀地填充狭窄空间，且固化后需具备与芯片、PCB 相近的热膨胀系数，避免因热应力导致二次损伤。此外，Underfill 还需满足低模量、高粘结强度等特性，在缓冲应力的同时确保连接牢固，这些都是普通灌封胶无法替代的。

二、Underfill 的核心特性与技术指标

优质的 Underfill 应具备哪些关键物理特性？从实际应用角度出发，核心物理特性主要包括四个方面：一是流动性，这是 Underfill 能否有效填充微小缝隙的基础，通常以黏度值衡量，需在室温或特定工艺温度下保持较低黏度，确保在毛细作用或外力推动下能快速渗透至芯片底部所有区域，且无气泡残留；二是固化特性，需满足快速固化需求以适配生产线节拍，同时固化收缩率要低（一般要求小于 2%），避免固化过程中因体积收缩产生内应力，导致芯片或 PCB 变形；三是机械性能，需具备适中的弹性模量与较高的粘结强度 —— 弹性模量过高会失去应力缓冲作用，过低则无法提供足够支撑，而粘结强度不足会导致芯片与 PCB 分离，通常要求对芯片基材（如硅、陶瓷）与 PCB 基板（如 FR-4）的粘结强度大于 15MPa；四是热稳定性，需在电子设备的工作温度范围（通常为 – 40℃至 125℃，部分工业设备要求更高）内保持性能稳定，不发生软化、开裂或降解，确保长期可靠性。

热膨胀系数（CTE）对 Underfill 的性能有何影响？热膨胀系数是决定 Underfill 能否有效缓解热应力的关键指标，直接关系到封装结构的长期稳定性。如前所述，芯片（硅的 CTE 约为 3ppm/℃）与 PCB 基板（FR-4 的 CTE 约为 15-20ppm/℃）的热膨胀系数差异较大，若 Underfill 的 CTE 与两者不匹配 —— 比如 CTE 过高，在温度升高时会比芯片和 PCB 膨胀更明显，对锡球产生额外的拉伸应力；若 CTE 过低，则会限制芯片与 PCB 的正常热膨胀，产生挤压应力。因此，优质 Underfill 需通过配方设计（如添加无机填料）将自身 CTE 调控在 8-12ppm/℃之间，使其介于芯片与 PCB 之间，形成 “过渡缓冲层”，最大限度缩小三者的热膨胀差异，减少热应力对锡球的冲击。

Underfill 的电气性能指标有哪些，为何重要？虽然 Underfill 的主要功能是机械支撑与防护，但其电气性能同样不可忽视，核心指标包括体积电阻率、介电常数与介电损耗。体积电阻率需大于 10¹⁴Ω・cm，确保在芯片与 PCB 之间形成良好的绝缘屏障，避免因材料导电导致电路短路；介电常数应控制在较低水平（通常小于 4），尤其是在高频电子设备中，低介电常数能减少信号传输过程中的电容损耗，避免信号延迟或失真；介电损耗则需小于 0.01，以降低材料在高频电场下的能量损耗，防止因发热影响设备运行稳定性。这些电气性能指标直接决定了 Underfill 能否适配高频率、高集成度的电子元器件，避免对电路性能产生负面影响。

三、Underfill 的应用工艺与操作要点

Underfill 的典型应用工艺流程是怎样的？完整的 Underfill 应用流程需遵循严格的工艺逻辑，主要包括五个步骤：第一步是预处理，需对 PCB 基板与芯片表面进行清洁，去除油污、灰尘及氧化层（可采用等离子清洗或酒精擦拭），确保 Underfill 能与基材良好粘结；第二步是点胶，通过高精度点胶机将 Underfill 材料点涂在芯片边缘或特定位置，利用毛细作用使材料自然渗透至芯片与 PCB 之间的缝隙，或通过压力点胶方式主动填充（适用于缝隙较大的场景），点胶量需精确控制 —— 过少会导致填充不完整，过多则会溢出芯片表面，影响周边元器件；第三步是预固化（可选），对于部分双组分或需分步固化的 Underfill，需在低温（如 60-80℃）下进行预固化，初步固定材料形态，防止后续操作中材料流动；第四步是主固化，将点胶后的组件放入烤箱或固化炉，按照材料要求的温度（通常为 120-150℃）与时间（30-60 分钟）进行固化，使 Underfill 形成稳定的固态结构；第五步是检测，通过 X 射线检测（X-Ray）检查填充是否完整、有无气泡或空洞，通过推力测试检测粘结强度，确保符合质量标准。

在 Underfill 点胶过程中，哪些参数会影响填充效果？点胶过程是 Underfill 应用的关键环节，核心影响参数包括三个方面：一是点胶压力，压力过小会导致材料流动速度慢、填充不充分，压力过大则易产生气泡或材料溢出，需根据 Underfill 黏度与缝隙大小调整，通常控制在 0.1-0.5MPa；二是点胶速度与时间，点胶速度过快会导致材料无法充分渗透，速度过慢则降低生产效率，点胶时间需与材料流动性匹配，确保在材料开始固化前完成填充；三是点胶位置与路径，对于小型芯片（如 CSP），可在单侧边点胶，利用毛细作用全填充；对于大型 BGA 芯片，需在相对两侧或多侧边点胶，避免因填充路径过长导致局部缺胶，点胶位置需距离芯片边缘 0.5-1mm，防止材料直接接触锡球影响焊接质量。

Underfill 固化过程中需要注意哪些问题，以避免质量缺陷？固化过程的控制直接决定 Underfill 的最终性能，需重点关注三个要点：一是温度曲线，必须严格遵循材料供应商提供的温度曲线，避免固化温度过高或升温过快 —— 过高温度会导致材料降解、收缩率增大，甚至损伤芯片；升温过快则会使材料内部水分或溶剂快速挥发，形成气泡或空洞，通常要求升温速率不超过 5℃/ 分钟；二是固化时间，时间过短会导致 Underfill 固化不完全，机械性能与粘结强度不足，易出现开裂或脱落；时间过长则会造成材料老化，性能下降，需通过实验验证最佳固化时间（如通过差示扫描量热法 DSC 监测固化程度）；三是环境控制，固化环境需保持清洁、干燥，避免灰尘落入未固化的材料中，同时确保烤箱内温度均匀，防止因局部温度差异导致固化不均，影响整体性能。

四、Underfill 的应用场景与常见问题

Underfill 主要应用于哪些类型的电子元器件封装？从市场应用来看，Underfill 的核心应用场景集中在高精度、高可靠性要求的元器件封装，主要包括三类：一是球栅阵列封装（BGA），如 CPU、GPU、内存芯片（DDR）等，这类芯片引脚数量多、锡球间距小，对可靠性要求极高，是 Underfill 的主要应用对象；二是芯片级封装（CSP），如智能手机中的射频芯片、图像传感器（CMOS），其体积小、厚度薄，在受到冲击或温度变化时易出现封装失效，需 Underfill 提供保护；三是倒装芯片（Flip Chip），这类芯片直接将有源面朝下与 PCB 连接，芯片与基板之间的缝隙更小，且无外壳保护，对 Underfill 的流动性与防护性能要求更高，广泛应用于高端通信设备、汽车电子等领域。此外，在汽车电子（如车载 MCU、传感器）、工业控制设备等处于恶劣环境（高温、振动、湿度大）的场景中，Underfill 的应用也极为普遍。

在汽车电子领域，Underfill 的应用有哪些特殊要求？汽车电子对 Underfill 的要求远高于消费电子，主要源于汽车运行环境的严苛性：一是宽温性能，需在 – 40℃至 150℃甚至更高的温度范围内保持稳定性能，能承受长期冷热循环冲击（如 – 40℃→125℃循环 1000 次以上），不发生开裂或粘结失效；二是耐振动性，汽车行驶过程中会产生持续振动（尤其是发动机周边元器件），Underfill 需具备优异的抗振动疲劳性能，避免因振动导致锡球与 Underfill 界面分离；三是耐化学性，需能抵抗汽车内部的油污、冷却液、制动液等化学物质的侵蚀，防止材料被溶解或性能降解；四是环保性，需符合汽车行业的环保标准（如 RoHS、ELV），不含铅、汞等有害物质，同时具备良好的阻燃性（通常要求达到 UL94 V-0 级别），确保汽车运行安全。

使用 Underfill 后，常见的质量缺陷有哪些，如何预防？实际生产中，Underfill 应用易出现三类质量缺陷：一是填充不完整，表现为芯片底部存在空洞或未填充区域，主要原因是点胶量不足、材料流动性差或基材表面污染，预防措施包括优化点胶参数（增加点胶量、调整点胶路径）、选择高流动性 Underfill、加强基材预处理清洁；二是气泡或空洞，产生原因是点胶过程中带入空气、固化升温过快或材料中含有挥发性成分，预防措施包括采用真空点胶工艺（去除材料中的气泡）、控制固化升温速率、选择低挥发性的 Underfill 材料；三是粘结失效，表现为芯片与 PCB 之间的粘结强度不足，易出现分离，主要原因是基材清洁不彻底、固化不完全或 Underfill 与基材兼容性差，预防措施包括严格执行预处理清洁步骤、验证固化工艺参数、在批量应用前进行基材兼容性测试（如粘结强度测试）。

五、Underfill 的材料类型与选择依据

Underfill 主要有哪些材料类型，各有什么特点？根据化学成分与固化机制，Underfill 可分为三大类：一是环氧树脂型 Underfill，这是目前市场上应用最广泛的类型，以环氧树脂为基体，添加固化剂、填料、偶联剂等成分，具有粘结强度高、热稳定性好、耐化学性强的特点，固化方式多为热固化，适用于大多数电子元器件封装，但存在黏度相对较高、固化时间较长的不足；二是丙烯酸酯型 Underfill，以丙烯酸酯为基体，可通过紫外线（UV）固化或 UV – 热双固化，具有固化速度快（UV 固化仅需几秒至几十秒）、流动性好的优势，适用于对生产效率要求高的场景，但热稳定性与耐湿热性略逊于环氧树脂型，多用于消费电子等中低可靠性要求的产品；三是硅酮型 Underfill，以硅酮树脂为基体，具有极低的弹性模量（良好的应力缓冲能力）、优异的耐高低温性能与耐老化性，适用于长期处于极端温度环境的元器件（如汽车电子、航空航天设备），但粘结强度相对较低，价格较高，限制了其在普通消费电子中的应用。

在选择 Underfill 时，需综合考虑哪些因素？选择 Underfill 是一个系统工程，需结合应用场景、元器件特性与生产工艺综合判断，核心考虑因素包括：一是元器件类型与封装结构，如 BGA 芯片需选择高流动性、低 CTE 的环氧树脂型 Underfill，CSP 芯片可选择 UV 固化型以提升效率，倒装芯片则需选择与硅基材兼容性好的材料；二是应用环境要求，若应用于汽车电子或工业设备，需优先考虑宽温性能、耐振动与耐化学性，选择硅酮型或高性能环氧树脂型 Underfill；若应用于消费电子（如手机、电脑），则可侧重流动性与固化速度，选择丙烯酸酯型或普通环氧树脂型；三是生产工艺匹配性，需根据生产线的点胶设备（如是否支持真空点胶）、固化设备（如是否有 UV 固化装置）选择对应的 Underfill 类型，确保材料的黏度、固化条件与工艺参数适配；四是成本与供应链稳定性，在满足性能要求的前提下，需平衡材料成本（硅酮型＞环氧树脂型＞丙烯酸酯型），同时选择供应链稳定、质量可控的供应商，避免因材料短缺或质量波动影响生产。

Underfill 的存储与运输有哪些特殊要求？Underfill 作为高分子材料，其性能易受温度、湿度影响，存储与运输需严格遵循规范：一是存储温度，未开封的 Underfill 需在低温环境下存储 —— 环氧树脂型与硅酮型通常要求在 5-10℃（冷藏），丙烯酸酯型（尤其是 UV 固化型）需避光、低温存储（0-5℃），防止材料提前固化或性能降解；二是存储期限，在规定温度下，单组分 Underfill 的存储期限通常为 6-12 个月，双组分 Underfill 需在开封后 24 小时内使用完毕，避免因组分反应导致黏度升高；三是运输要求，运输过程中需采用冷藏箱或保温材料，避免长时间暴露在高温环境（如夏季露天运输），同时防止剧烈碰撞导致包装破损、材料泄漏；四是使用前处理，从低温环境取出的 Underfill 需在室温下放置 2-4 小时（回温），待材料温度与环境温度一致后再开封使用，避免因温度差异导致空气中的水分凝结在材料表面，影响填充效果与粘结强度。