覆晶封裝（Flip-Chip）的底膠（Underfill）看起來只是「把膠灌進晶片與基板之間」，但決定成敗的不是灌得快不快，而是介面強度、殘留控制與固化程度。這篇整理嘉鴻工程團隊的內部研究與導入報告，把文獻回顧、產線實驗（接觸角量測、玻片通道流動、C-SAM 檢測）得到的數據，寫成可以直接放進製程文件的判斷依據與放行門檻。
一、四種底膠方案與選型原則
| 方案 | 作法 | 特性與限制 |
|---|---|---|
| 毛細底膠 CUF（Capillary Underfill） | 回焊之後，底膠靠毛細作用從晶片邊緣流入凸塊之間 | 最常見的作法。晶片與基板的熱膨脹係數（CTE）差異會在焊錫接點產生應力，高填充量的環氧樹脂底膠能分散這個應力，大幅提升可靠度。 |
| 免流底膠 NFU（No-Flow Underfill） | 把助焊劑與底膠整合為一道製程 | 產能較高，但填料量通常受限，導致有效 CTE 偏高；介面偏好也可能改變，常見弱點轉移到焊錫或防焊層。 |
| 模塑底膠 MUF（Molded Underfill） | 在轉注或壓縮成型過程中同時完成封裝與底膠 | 允許高填料量，Cycle Time 有機會縮短，但排氣、注入壓力與溫度都需要最佳化。 |
| 晶圓層級薄膜 | 在晶圓階段預先貼附底膠薄膜 | 當單顆晶片層級的流動時間成為瓶頸時，這個方向值得評估。 |
二、毛細流動公式：哪些參數真的縮短得了時間
平行板之間的毛細流動時間，原文附錄給的關係式是：
T ≈ 3μL² ／ (h·γ·cos θ)
- μ：黏度。降低黏度可縮短流動時間，但黏度通常與填料量連動，降黏度往往等於降填料、抬高 CTE。
- L：流動長度。注意它是平方項——晶片尺寸放大一倍，流動時間變四倍。這是大尺寸晶片底膠最難處理的根本原因。
- h：晶片與基板的間隙。間隙越大流得越快，但間隙由凸塊高度決定，通常不是底膠製程能調的。
- γ：表面張力。
- θ：接觸角。降低 θ 可縮短時間，而這正是電漿前處理能著力的地方——也是產線上最可控的一項。
三、介面才是可靠度的瓶頸
嘉鴻工程團隊的操作模型把 底膠與焊錫的介面（UF–錫）視為主要風險介面；底膠與鈍化層（SiO₂／Si₃N₄）的介面則因為表面極性高、可與矽烷偶聯劑形成化學鍵結，相對穩定。
- 展延係數 S ＝ γ_s − γ_l − γ_sl 與底膠對錫面的接著力呈相關性，可以用在「底膠與金屬化層配對」的篩選矩陣上。
- 在 PCB 疊構中，防焊層與基材之間可能本身就是內部弱層——即使底膠的潤濕看起來沒問題，失效仍可能發生在那裡。
- 換句話說：潤濕好看不等於接得牢。潤濕決定流得進去，接著強度決定撐不撐得住熱循環。
四、「免洗助焊劑」不等於「沒有殘留」
這是報告裡態度最明確的一節。原文的用語是：把 no-clean 當成 low-clean 看待。
- 玻璃與石英的可視化流動實驗加上 C-SAM 檢測顯示：免洗助焊劑的殘留會降低毛細流動速度，並在流動前緣誘發氣泡。
- 助焊劑用量越多，影響越明顯——這是劑量相關的效應，不是有或沒有的問題。
- 回焊後以皂化劑（saponifier）清洗，可以恢復介面強度，並降低 C-SAM 上的氣泡與分層訊號。
五、O₂ 電漿前處理：實測數據
O₂ 電漿會在聚醯亞胺等介電材料表面增加含氧官能基，降低接觸角並加速流動。報告列出的代表性數據如下，這些是嘉鴻在自家試片上重現的結果：
| 指標 | 處理前 | 處理後 |
|---|---|---|
| 接觸角 θ | 約 40° | 約 20° |
| 流動時間（20 mm 通道） | 約 60 秒 | 約 22 秒 |
| 膠角高度（fillet，原文用「倒角高度」） | — | 提升至晶片高度的 20% 以上 |
| 膠角不均衡度 | 較高 | 降低 |
| 拉剪／剝離強度 | — | 成倍數提升 |
| 破壞模式 | 介面破壞 | 轉為材料內聚破壞 |
- 氣體效果排序：O₂ 優於 N₂，N₂ 優於 Ar；提高 O₂ 比例可以進一步降低接觸角。
- 流動時間從 60 秒降到 22 秒，是接近三分之一的 Cycle Time 改善——但更重要的是破壞模式從介面轉為內聚，代表介面已經強過底膠本身。
- 報告的作法是每批量測接觸角與流動時間，當成製程管制指標，而不是導入時量一次就算數。
六、氣泡的三種成因與各自的對策
報告把底膠氣泡分成三類，各自的成因不同，對策也不能混用：
| 類型 | 成因 | 對策 |
|---|---|---|
| 流動前緣碰撞 | 點膠路徑讓兩道流動前緣相遇，中間的空氣被包住出不去 | 改變點膠路徑，避免前緣對撞；或改用噴射點膠（jetting） |
| 固化放氣 | 材料或基板吸附的濕氣、殘留溶劑在固化升溫時釋出 | 固化前預烘除濕 |
| 殘留誘發 | 助焊劑殘留在流動前緣誘發氣泡 | 回焊後以皂化劑清洗 |
檢測手段有三種：玻璃或石英基板的動態流動觀察（看得到前緣怎麼走）、C-SAM 超音波掃描（看得到內部氣泡分布）、以及截面分析（看得到確切位置與形貌）。
七、分層與「變形蟲」焊料外溢
這是底膠製程最嚴重的失效模式。報告描述的成因鏈是：弱介面 ＋ 氣泡 ＋ 長時間高溫停留，三者疊加會導致分層與焊料外溢，後者因為形狀不規則而被稱為「變形蟲（Amoeba）」。
- 關鍵風險點：若底膠模數在 160～220 °C 區間大幅下降，即使只經過一次回焊也可能觸發焊料外溢。這個溫度區間正好涵蓋二次回焊（上板）的製程溫度。
- 已在驗證規模上確認有效的對策：後段延長固化——材料允許時採 150 °C × 3 小時，可達成超過 99% 的機械固化、提高 Tg，並消除分層與外溢事件。
- 報告的導入版本採 150 °C × 2～3 小時的延長固化視窗（視材料而定）。
八、量測項目與放行標準
製程管制（SPC）指標
- 接觸角 θ：分中心與邊緣量測（兩處差異本身就是前處理均勻度的指標）
- 流動時間：以固定通道量測，報告採 10 mm × 20 mm 路徑、75 μm 間隙的試片
- 膠角高度與不均衡度
- C-SAM 氣泡面積
- DTMA 模數與 Tg
- 點膠溫度下的流變特性
放行門檻
| 項目 | 門檻 |
|---|---|
| 膠角高度（fillet） | 大於或等於晶片高度的 20% |
| 膠角不均衡度 | 小於或等於 30% |
| C-SAM（固化後） | 不得新增分層 |
| Tg | 高於使用溫度上限 |
| 接觸角 θ | 趨勢在管制界限內 |
變更管制
底膠或助焊劑只要有變更，就必須做成對試片（黏著／接觸角／流動）加上短期可靠度篩選。可靠度抽驗的項目包含熱循環與 HAST／PCT（高壓蒸煮）等，用來驗證各個製程視窗。
常見問題
「翻晶」和「覆晶」是同一件事嗎？
是的，都是 Flip-Chip 的中文譯名。台灣半導體封裝業界的通用詞是「覆晶」——主要封測廠與產業媒體都使用這個詞。本報告原文用「翻晶」，兩者指同一種把晶片翻轉、以凸塊直接接合到基板的封裝方式。與廠商或同業溝通、或查資料時，建議使用「覆晶」。
底膠為什麼一定要打？不打會怎樣？
晶片與基板的熱膨脹係數（CTE）差異很大，溫度變化時兩者伸縮幅度不同，應力會全部集中在焊錫凸塊上。底膠是高填充量的環氧樹脂，灌進晶片與基板之間後能把這個應力重新分配到整個膠層，而不是讓凸塊獨自承受。這是覆晶封裝可靠度的關鍵，尤其在熱循環測試下差異非常明顯。
晶片尺寸變大，底膠流動時間會增加多少？
依毛細流動關係式 T ≈ 3μL²／(h·γ·cos θ)，流動長度 L 是平方項。晶片邊長放大一倍，流動時間大約變成四倍。這是大尺寸晶片底膠製程最根本的困難，也是評估免流底膠、模塑底膠或晶圓層級薄膜方案的主要動機。
助焊劑標示「免洗（no-clean）」，還需要清洗嗎？
在覆晶底膠產線上建議一律清洗。玻璃可視化與 C-SAM 實驗都顯示，免洗助焊劑的殘留會降低毛細流動速度並在流動前緣誘發氣泡，而且助焊劑用量越多影響越大。回焊後以皂化劑清洗可以恢復介面強度、降低分層與氣泡。原文的說法是：把 no-clean 當成 low-clean。
電漿前處理要用哪一種氣體？
報告的效果排序是 O₂ 優於 N₂，N₂ 優於 Ar；提高 O₂ 比例可以進一步降低接觸角。實測數據是接觸角從約 40° 降到約 20°、20 mm 通道的流動時間從約 60 秒降到約 22 秒，同時膠角高度提升、不均衡度下降、拉剪與剝離強度成倍數提升。
怎麼判斷介面到底夠不夠強？
看破壞模式，不要只看強度數字。如果破壞發生在介面（interfacial），代表介面是最弱的一環；如果破壞轉為材料內聚（cohesive），代表介面已經比底膠本身更強，這才是前處理到位的訊號。報告中 O₂ 電漿處理後的破壞模式正是從介面轉為內聚。
什麼是「變形蟲」？為什麼一次回焊就可能發生？
變形蟲（Amoeba）指的是焊料從凸塊擠出、形成不規則外溢形狀的失效。成因是弱介面、氣泡與長時間高溫停留三者疊加。關鍵在於底膠模數若在 160～220 °C 區間大幅下降，就失去了約束焊料的能力——而這個溫度區間正好涵蓋二次回焊上板的製程溫度，所以即使只經過一次回焊也可能觸發。
DSC 顯示已經完全固化，為什麼還是分層？
因為 DSC 量的是化學轉化率，DTMA 量的是機械固化，兩者不是同一件事，而且與分層風險相關性較好的是後者。化學上反應完成不等於機械性質到位。報告的對策是在材料允許的前提下採用延長固化（150 °C × 2～3 小時），達成超過 99% 的機械固化並提高 Tg。
底膠或助焊劑換料，要重新做哪些驗證？
報告的變更管制要求是：做成對試片，量黏著強度、接觸角與流動時間，再加一輪短期可靠度篩選（熱循環、HAST／PCT 等）。重點是「成對」——新舊材料在同一批、同一條件下一起做，才能把材料差異與批次漂移分開。
標準出處
本文引用之規範，請以各發布機構之最新版本為準。
- Adhesion characteristics of underfill resins with flip chip package components（Sham & Kim, 2003）
發布機構：Journal of Adhesion Science and Technology 17(14) - IPC J-STD-001《Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies》
發布機構：Global Electronics Association（原 IPC） - IPC-TM-650 測試方法手冊（含 2.3.25 離子污染測試）
發布機構：IPC 國際電子工業聯接協會 - IPC-A-610《Acceptability of Electronic Assemblies》
發布機構：Global Electronics Association（原 IPC）
延伸閱讀
清洗製程、清洗藥劑與驗證方法，可以往下延伸：
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文中提到的品項，嘉鴻都供應。
From：嘉鴻工程部
