作者：Doug Katze，电子业务拓展经理
设计工程师们面临着将更多功能集成到更小、更强大的电子设备中的挑战，同时还要确保设备在热循环、冲击、振动和机械应力等条件下保持高可靠性。随着元件尺寸的缩小和性能要求的提高，底部填充材料和边缘粘合材料已成为提升组装稳固性和延长产品寿命的关键工具。
小型化PCB组件对可靠性和性能提出了越来越高的要求。
现代电子产品面临的可靠性挑战
如今，电子组件在日益严苛的环境中运行。设备经常会遇到以下情况：
- 反复热循环
- 机械冲击和振动
- 组装和使用过程中电路板的弯曲
- 元件与基板之间热膨胀系数（CTE）的不匹配
- 更高的工作温度和功率密度
这些条件会对焊点造成很大的压力，尤其是在BGA、CSP和倒装芯片等面阵封装中。随着封装尺寸的缩小和焊点尺寸的减小，可靠性裕度也会降低。
因此，制造商必须超越焊点本身，考虑其他应力缓解方法。
什么是电子底部填充？
底部填充封装材料设计用于流入元件下方，并填充封装体与印刷电路板之间的空间。固化后，该材料形成加固结构，可将机械应力和热应力更均匀地分散到互连阵列上。
改善的热循环性能
电子组件在诸如热循环等可靠性测试中会承受应力。由于电路板、元器件和焊点之间的热膨胀系数不匹配，这些部件会以不同的速率膨胀和收缩，从而产生应力。无论是否使用底部填充胶，电子组件承受的应力大小都相同。底部填充胶并不会降低应力，而是通过将应力分散到底部填充胶形成的更大表面积上，而不是像通常那样集中在组件的焊点上，从而提高组件的可靠性。
机械强度提高
底部填充物增强了封装的整体连接强度，有助于保护元件免受跌落冲击、振动和机械冲击。这是因为底部填充物提供了额外的粘合力，并将应力从焊点分散到更大的表面积上。
增强长期可靠性
对于维修或更换成本高昂的高价值电子产品，底部填充物可以显著延长使用寿命并提高现场可靠性。
支持小型化设计
随着元件尺寸越来越小，互连间距越来越细，底部填充物提供了额外的保护，使得在不牺牲性能的情况下能够继续小型化。
什么是边缘键合技术？
虽然底部填充材料能够提供全面的加固，但某些应用需要一种更快、更具选择性、更易于制造且更经济高效的方法。边缘粘合材料通过在封装周边的特定位置固定组件来满足这一需求，而不是填充封装下方的整个空隙。
边缘粘合材料应用于元件的边角处，固化后可形成局部加固，从而降低焊点应力，同时最大限度地减少工艺复杂性。
更快的生产吞吐量
由于边缘粘合材料仅应用于选定的位置，因此与传统的底部填充方法相比，边缘粘接所需的材料要少得多，加工时间也短得多。
减少材料消耗
精准应用可降低整体材料用量，同时还能显著提高可靠性。
增强了抗冲击和抗振动能力
边缘粘合材料的作用与底部填充材料类似，它们通过将振动、跌落或热冲击等引起的焊点应力分散到更大的表面积上，从而提高组件的可靠性。这有助于稳定组件并减少机械载荷作用下的位移，为便携式和高频使用的电子产品提供有效的保护。
制造灵活性
虽然底部填充材料能显著提高电子组件的可靠性，但其缺点在于与标准SMT制造工艺不兼容，这使得底部填充材料在制造方面并不理想，而且由于其会增加制造成本，因此价格昂贵。底部填充材料通常以冷冻形式供应，这意味着注射器装的底部填充材料需要冷冻保存，并在使用前解冻。由于底部填充材料需要在加热板上进行点胶，并在烘箱中离线固化（通常需要30-60分钟），因此其工艺需要在常规生产线之外进行。这种与标准SMT制造工艺的不兼容性导致制造成本大幅上升。对于许多应用而言，边缘粘合材料能够在提高可靠性和生产效率之间取得有效平衡，因此对大批量组装作业极具吸引力。特别是UV固化边缘粘合材料，其独特之处在于它与底部填充材料一样是单组分材料，但无需像底部填充材料那样冷冻保存。这意味着制造过程中省去了解冻步骤。 UV固化边缘粘合剂也兼容SMT制造工艺。该工艺可完全在线完成，与底部填充相比，可降低成本。UVUV固化边缘粘合剂无需像底部填充那样使用加热板，即可在线点胶，并在数秒内完成在线固化。
底部填充与边缘粘合：有什么区别？
这两种技术都能提高焊点可靠性，但它们实现这一目标的方式不同。了解它们的优缺点有助于制造商为特定应用选择最佳方案。
两种方案本身并无优劣之分。最佳选择取决于性能要求、制造优先级、组件价值和生命周期等因素。
哪种技术具有更好的可返工性？
可靠性只是材料选择过程中的一个方面。制造商还必须考虑，如果高价值部件在生产或现场维修过程中需要更换，应该怎么办。
传统的底部填充材料会在元件和基板之间形成牢固的粘合，完全包封胶所有焊点，这使得元件拆卸变得困难，并可能损坏PCB。虽然这种程度的加固对于许多关键任务应用来说是必要的，但当涉及昂贵的元件时，它会使返工流程复杂化并增加维修成本。
边缘粘合材料提供了更大的制造灵活性。由于加固层仅应用于元件周边的特定位置，而非包封胶焊点，因此边缘粘合层更容易移除，使制造商能够在不影响整个组件的情况下更换或维修元件。
对于包含昂贵处理器、存储设备、传感器、人工智能加速器或专用组件的应用而言，可返工性与可靠性、吞吐量和制造成本一样，可能成为一个重要因素。
底部填充材料和边缘粘合材料如何提高可靠性？
无论是应用于封装下方还是策略性地应用于封装周边，这两种技术都有助于解决焊点失效的根本原因。
主要可靠性优势包括：
- 降低焊点上的机械应力
- 提高了对热循环的耐受性
- 在冲击和振动事件中增强耐用性
- 在恶劣的操作环境下表现更佳
- 对产品长期可靠性的信心增强
随着设备架构变得越来越紧凑和复杂，这些强化策略在消费电子、工业电子、汽车电子、电信电子和基础设施电子应用领域变得越来越重要。
选择合适的强化策略
底部填充和边缘粘合技术之间的选择取决于多种因素，包括器件要求、环境条件、制造目标和可靠性目标。
何时需要底部填充？
- 在以下情况下，通常更倾向于使用底部填充：
- 需要最高可靠性。
- 成本并非主要因素
- 组件经历严重的热循环
- 高价值部件必须受到保护
- 采用倒装芯片或先进封装技术。
- 长期耐用性是主要目标
边缘粘合更合适时
在以下情况下，通常会选择边缘粘合材料：
- 大批量生产效率至关重要
- 无需进行完整的底部填充处理即可提高可靠性。
- 成本和吞吐量方面的考虑因素很重要
- 部件需要防震防振。
- 可能需要返工
- 选择性加固可提供足够的耐久性
在许多情况下，工程师会在产品开发过程中评估这两种方法，以确定可靠性、工艺简易性、部件可维修性和制造成本之间的最佳平衡。
支持先进电子技术的未来
随着电子设备的不断发展，增强材料在确保可靠性方面将发挥越来越重要的作用。无论是通过底部填充技术实现全面的应力分散，还是通过边缘粘合材料进行针对性增强，制造商都拥有比以往更多的选择来提升组件的性能和耐久性。
成功最终取决于选择符合应用要求的材料，并与能够帮助优化工艺开发、可靠性测试和生产实施的供应商合作。
在 Dymax，我们与电子产品制造商紧密合作，提供光固化型、边缘粘合型和增强型粘合剂解决方案，以帮助提高装配可靠性并支持高效的制造流程。对于既需要坚固耐用又需要易于维护的应用，制造商可受益于增强型技术，该技术旨在提供强大的机械保护，同时便于组件的返工和更换。