本研究开发了一种硅烷辅助表面改性方法，旨在改善先进半导体封装中底部填充胶(Underfill)@焊球凸点(Solder Bump)组装件的界面可靠性。传统底部填充工艺常因润湿不足及热致应力积累，在焊球凸点与底部填充胶界面产生空隙(Void)形成和界面分层(Delamination)。然而，针对焊球凸点表面改善润湿的有效界面工程策略仍较有限。为解决上述问题，研究人员采用溶液浸渍法将三种硅烷偶联剂——(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、(3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)和苯基三乙氧基硅烷(PTES)——涂覆于焊球凸点表面。对比界面分析显示，经GPTMS和PTES处理的组装件形成了均匀连续的底部填充胶–焊球界面，空隙形成显著减少。截面光学显微镜图像测得原始组装件界面覆盖率(Interfacial Coverage Ratio)为99.2%，而GPTMS及PTES处理组装件提升至99.9%，证实了界面润湿的改善。在150°C下长达500 h的热可靠性评估(JEDEC JESD22-A103高温存储寿命 High-Temperature Storage Life, HTSL)表明，含环氧基和苯基的硅烷能有效抑制空隙生长与界面分层，其中PTES在长时间热曝露下表现出最高的界面稳定性。这些结果凸显了硅烷界面化学在调控高密度半导体封装中底部填充胶粘接及长期可靠性方面的关键作用。
《Small Structures》：芯片表面硅烷(Silane)处理改善底部填充胶(Underfill)界面润湿与可靠性的界面工程研究解读
研究背景与意义
先进封装技术如堆叠式封装(Package-on-Package, PoP)利用焊球(Solder Ball/Bump)实现垂直互连，并在芯片与基板间窄间隙填充环氧树脂基底部填充胶(Underfill)以缓解热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)不匹配引起的热机械应力。毛细流动(Capillary Flow)和固化阶段要求底部填充胶充分润湿焊球及基板表面，否则易发生空气截留导致空隙(Void)形成及界面分层(Delamination)，进而降低封装可靠性。现有等离子处理等方法未能完全消除焊球附近的空隙问题，且以往硅烷(Silane Coupling Agent)研究多集中于无机填料改性或将硅烷掺入底部填充胶配方，鲜有直接针对器件表面（焊球/基板）硅烷化处理对毛细流动及界面空隙抑制影响的研究。为此，研究人员直接对焊球凸点组装件表面进行有机硅烷修饰，探究不同官能团硅烷对底部填充胶润湿行为、空隙抑制及热可靠性的影响，为高密度封装提供实用界面工程指导。本文发表于《Small Structures》。
主要关键技术方法
研究人员构建商用焊球键合于铜(Cu)基板的模型焊球凸点组装件(Model Solder Bump Assembly)；配制3种有机硅烷——APTES（氨基丙基三乙氧基硅烷）、GPTMS（环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷）、PTES（苯基三乙氧基硅烷）的乙醇溶液（3.0~9.0 wt%），浸渍法涂覆组装件表面；制备含纳米SiO2填料的环氧树脂底部填充胶(Underfill)并毛细注入；切片后经机械抛光及化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)制样；利用接触角测量仪结合Owens–Wendt–Rabel–Kaelble(OWRK)法计算表面能，通过光学显微镜(Optical Microscope, OM)及场发射扫描电镜(Field-Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)观察界面空隙与润湿情况，ImageJ软件量化界面覆盖率；按JEDEC JESD22-A103标准进行150°C高温存储寿命(High-Temperature Storage Life, HTSL)测试达500 h并周期性表征界面退化。
研究结果
2.1 Surface Modification of Solder Bump Assemblies by Organosilane（焊球凸点组装件的有机硅烷表面改性）
研究人员通过OM观察不同浓度(3.0, 6.0, 9.0 wt%)硅烷处理焊球及Cu基板表面，发现3.0 wt%时形成均匀硅烷痕迹，6.0 wt%及以上出现过量残留/堆积。接触角测试显示原始焊球和Cu基板分别呈疏水性(71.7°、90.6°)，APTES处理后最亲水(降至45.2°、40.6°)，GPTMS和PTES处理接触角居中(焊球60.7°、81.3°；Cu 62.3°、72.8°)。OWRK法表面能分析表明APTES使总表面能提高最多(焊球31.5→57.1 mN/m，Cu 45.1→58.2 mN/m)且极性分量大，PTES总表面能增幅小但色散分量主导，GPTMS介于二者间。结论：硅烷尾端官能团显著改变表面极性与色散分量平衡及与环氧底部填充胶的化学相容性，而非单纯依赖总表面能大小决定润湿与填充效果。
2.2 Underfill Process and Practical Observation of the Void Failure in Underfill（底部填充工艺及界面空隙失效的实测观察）
研究人员对3.0、6.0、9.0 wt%硅烷处理样品进行截面FE-SEM观察，确认3.0 wt%各硅烷组均获无裂纹无空隙界面，高浓度则出现开裂及硅烷残留，故选定3.0 wt%开展后续实验。水平方向截面OM及FE-SEM显示原始组和APTES处理组焊球附近有明显界面空隙，GPTMS与PTES处理组未见可检测空隙或分层。垂直方向截面OM显示原始组存在多尺寸空隙(最大约429 μm)，APTES组有所减小但仍存大空隙，GPTMS与PTES组沿流动路径及焊球区均无空隙。ImageJ量化得原始组界面覆盖率99.2%，APTES组99.6%，GPTMS与PTES组达99.9%。结论：GPTMS和PTES通过更均衡的表面能组分及与环氧基质良好化学相容性，实现有效空隙抑制；仅提高总表面能(如APTES)不足以消除毛细流动残留空隙。
热可靠性测试中，150°C存储500 h后原始组出现渐进性空隙扩展与分层；APTES组因伯氨基与环氧开环反应生成脆性界面易在热应力下微裂；GPTMS环氧基参与固化形成较刚性界面；PTES苯基官能团形成稳定均匀硅烷层增强相容性且不额外增刚，在长时热曝露下维持最佳界面稳定性，最有效抑制热致空隙生长。
结论(Conclusion)总结翻译
本研究证明硅烷辅助表面改性可提升先进半导体封装中底部填充胶@焊球凸点组装件的界面可靠性。所考察硅烷中，APTES处理组装件残留空隙并发生渐进界面退化，而GPTMS与PTES处理组装件形成连续无检测空隙的底部填充胶–焊球界面。截面光学显微分析定量显示界面无空隙覆盖率由原始组装件的99.2%提升至GPTMS和PTES处理后的99.9%。150°C下500 h高温存储进一步证实PTES在受试硅烷中提供最稳定的界面行为。结果表明硅烷端基(Tail Group)化学特性主导底部填充胶润湿、空隙抑制及焊球凸点界面长期稳定性。该界面工程策略可为新兴细间距(Fine-pitch)及高密度半导体封装架构中更可靠的底部填充体系提供实用指导。
