他山之石，可以攻玉
高技术黑箱中的美国航天人
是如何评估芯片级底部填充材料的
2020年5月5日“胖五”火箭发射现场（人民画报）
巧得很，这篇聊宇航级胶水应用的文章刚开始策划，“胖五”火箭就发射成功了！一定要祝贺一下！看来2020年的太空也是蛮热闹的——就在前不久的4月23日，Elon Musk刚刚凭借60颗肉眼可见的SpaceX“星链”卫星带起了一波航天科技的流量。卫星排队划过天空的奇观可以说替Tesla Model 3大降价提前锁定了中国人的眼球。
排队划过夜空的SpaceX星链卫星
不过说到SpaceX的“星链”卫星，恐怕Elon Musk就不会像在上海兴建Tesla工厂那样对中国敞开心扉了。毕竟这里面包含了太多美帝的“核心科技”，最有代表性的就是宇航级抗辐射FPGA芯片！
所谓FPGA（现场可编程逻辑门阵列）芯片不但有逻辑功能，还可以做高速计算。除了在近年大热的5G、自动驾驶、人工智能等领域有着极强的存在感，更在航天工业中占据了举足轻重的地位！
做为FPGA芯片领域的头号玩家，美国Xilinx赛灵思公司的宇航级抗辐射FPGA产品Virtex-4/5QV一直是NASA、SpaceX、以及第二代铱星系统的标准配置。有消息称这个型号的芯片一颗的价格就足够在广州买一套房！
当然，贵有贵的道理——为了保证在恶劣的星际空间正常工作，这种芯片不仅要应对真空环境和高达300摄氏度的极端温差；更要保证微电路在饱受γ射线、Ｘ射线、质子、中子、α粒子等宇宙射线持续轰击时仍然能够稳定工作。
普通的商用级芯片，无论在研发还是生产线的规格方面都没有太多强制性的标准。
但是宇航级芯片，研发必须符合针对单芯片集成电路的美军标MIL-PRF-38535，同时生产也必须在美国国防部认证的QML（合格制造商清单）产线进行。
下面这个品质管控表可以最直观的体现宇航级芯片与普通的商用芯片的差别究竟有多大！
不同质量等级 FPGA 的品控标准（Xilinx低等级FPGA高可靠应用的升级试验方法研究_刘迎辉）
而做为宇航级芯片封装重要的工业材料——芯片级底部填充胶，也受到了Xilinx公司和一众航空航天客户的高度重视。
甚至大名鼎鼎的NASA喷气动力实验室，从2011年开始连续数个财政年度都为底部填充胶在太空环境的可靠性研究编制了预算！
赛灵思内部资料对底部填充材料的说明（Xilinx Virtex-4 QV FPGA Ceramic Packaging and Pinout Specifications User Guide）
他山之石，可以攻玉。我们饶有兴致的收集了一些NASA的资料，想看一下高技术黑箱中的美国航天人们是如何评估芯片级底部填充材料的！
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Xilinx的芯片底填验证报告
Xilinx赛灵思公司的FPGA芯片产品线很全，涵盖了普通商用、军用和航天级应用的各个场景。
下面表格中的信息是从Xilinx公司商业级芯片和塑料封装军用级芯片用底部填充材料的验证报告中提取出来的。
相信他们采用的这些测试项目在我们国内电子产业同行看来应该还是很熟悉的。
商用及塑料封装军用芯片底部填充胶验证报告（N**** Under-fill Qualification Report RPT083)
由于芯片级封装中晶圆与基板的CTE热膨胀系数存在数倍的差值，纳米级精密度的半导体产品极易因温度变化出现热失配问题。因此，在地表环境中，针对底部填充材料的测试主要聚焦在与高温相关的可靠性项目上。
温度变化是造成应力破坏的主要原因
看来无论是美国顶级半导体公司还是家门口的东莞电子厂，貌似大家对于胶水材料的验证思路是一样的！还真是“山川异域 风月同天”。
但是当底部填充材料随着卫星一起被打到太空，它面临的严酷环境就不是地球能比了。
位于加州的NASA喷气动力实验室从2011年开始就对芯片级底部填充材料进行了一系列更深入的可靠性测试。从太空环境的独特性出发，他们主要考虑的风险因素是：
这三个因素最有可能导致在地球温室中岁月静好的底部填充材料出现粘接力丧失、弹性模量和CTE大幅波动等问题。
卫星内部通常为10-9个标准大气压，NASA的工程师比较担心这个程度的真空会导致材料中的挥发性物质散逸（outgassing），直接的后果是造成底填材料的降解，进而失去对晶片、焊球和基板的附着力。
因此他们采用ASTM D1002标准进行了粘接力剪切强度的老化实验：
1）用底部填充胶将两块没有底涂的铝片搭接粘合，并使用不锈钢丝做限高将涂胶厚度控制在120μm。
剪切强度测试样片规格
2）为了区分真空效应与高温效应，以2种不同的老化方式对样件进行处理：
- 135℃、80天、10-9个标准大气压高温真空老化
3）由于卫星在执行任务期间将暴露在温度剧烈波动的环境中，因此研究人员分别在在+125℃、+22℃和-55℃下测量了剪切粘接强度。
真空高温老化后底部填充材料的剪切强度
从上面的测试数据可以看出：
- 高温因素使底部填充材料的附着力出现了30%的降低，但是剪切强度的终值依然处于比较高的水平。
- 真空与标准大气压下老化的两组样件剪切强度基本处于同一水平，说明真空因素并没有导致底部填充材料粘接力的大幅度衰减。
TMA(静态热机械分析)测试使用了经过四种预处理的样品，样品规格为圆柱形2.4 mm(高)*2.1 mm(直径)。
样品在仪器温度下限-150℃平衡，保持等温5分钟，然后以3℃/min升温至225℃。
样品的膨胀数据点连线的斜率就是材料的热膨胀系数(CTE)。我们注意到四个样品的数据连线在温度达到130～150℃范围时斜率都发生了比较明显的变化，此时的温度就可以认为是材料的玻璃化温度(Tg)。
不同老化条件下底部填充材料的热机械分析（TMA）
从测试数据来看，长期暴露在高温真空环境中，底部填充材料的热膨胀系数CTE保持平稳状态，数据走势与对照组基本处于相对重合状态。
而经过双85预处理的样品则出现了数据的剧烈波动，貌似高温环境中的水分对于底部填充材料的影响要远远大于真空因素！
测试3: 真空环境下的DMA验证
DMA测试的样品尺寸38mm*10mm*2mm，使用的设备是配有一个单悬臂钳的taq800dma。在恒定频率（1hz）和恒定振幅（20μm）下，采用2°C/min的升温速率，在-145°C到+210°C之间进行测试。（平衡后保持等温5分钟）
1个标准大气压+135°C+30天老化DMA温度曲线
真空(10-9个标准大气压)+135°C+80天老化DMA温度曲线
比较有趣的情况是，真空加热老化和普通气压环境加热老化都大幅提高了底部填充材料的储能模量衰减温度。
尚不清楚为什么高温和真空条件下会出现这个结果，但是有一点可以肯定——在模拟近地轨道真空度环境，底部填充材料的机械强度依然可以保持在较高水平。
电离辐射的主要成分是高能电子；原子氧是氧气光离解形成的原子态气体。
NASA的研究人员担心电离辐射和原子氧可引起环氧树脂分子链断裂，如果出现大量断链小分子就足以改变底填的CTE和Tg等物理化学特性。
充满电离辐射的轨道空间（nasa.gov）
首先，研究人员使用射频等离子发生器生成带电离子、电子和原子氧，并将底部填充材料样件暴露于这样的环境中进行老化。
当暴露进行到第6个小时，原本黑色的底部填充材料已经完全变白，这是表面环氧树脂被腐蚀后露出二氧化硅填料的颜色。
暴露于等离子氧中6小时，底部填充材料表面腐蚀状况
第二步，研究人员使用直接实时分析技术(DART)将暴露于等离子氧中6小时的样品与对照组样品进行了对比分析，以求确认电离辐射及原子氧是否导致底部填充材料发生断链产生新的小分子：
1）用二氯甲烷（DCM）萃取测试样件的各种挥发份、离子及小分子。2）利用DART对DCM中萃取的溶质分子量（M和/或M+1）进行测量。
3）将测量结果与超低挥发聚乙烯材料已知的标准数据进行比较。
由于断链小分子质量大部分集中在100-360 amu范围，因此只需要观察在这一质量范围内可被萃取的小分子及离子含量就能判断等离子氧环境的暴露是否导致底部填充材料发生链式分解。
与对照组样品相比，等离子氧环境暴露的底填样品中残留的100-360 amu范围小分子及离子含量仅为0.1K，明显低于参照组的8.1K，也同样低于超低挥发聚乙烯的0.4K（CVCM为0.07%）。
DART测试中不同样件的萃取离子含量对比数据
因此，可以得出这样的结论：等离子体氧环境暴露可以对底部填充材料表面的环氧树脂造成侵蚀，并去除表面残留小分子。但是这个过程不会促使材料主体发生新的降解。
当然，除了上面提到的模拟外太空环境进行的底部填充可靠性验证之外，NASA还在地面环境进行了大量成体系的测试，看过让人对这个老牌航天强国的技术积累不得不服！如果哪位同行对相关报告感兴趣可以后台留言索取。
那么见贤思齐，目前我国在这一领域的可靠性评估又是处于什么水平呢？
中国赛宝实验室“元器件可靠性分析中心”专家张莹洁：
不得不说，美国在航空航天及军用底部填充胶的应用及可靠性验证方面，有很多值得我们中国材料人借鉴的地方！
众所周知，目前我国除了半导体芯片之外，还有高性能材料领域尚未完全技术自主。但其实最近几年，我们国家的材料研究机构一直在想方设法跨越常规力求更多成果产出。而做为努力的回报，我们的关键材料技术也的确在稳步取得突破。
以赛宝实验室为例，基于在电子材料可靠性研究方面多年的积累，针对航空航天级芯片用底部填充胶的可靠性评估，我们的思路是：- 根据产品的环境应力剖面数据进行有限元分析（FEA）和数学建模
- 有针对性地提出底填材料性能、芯片级产品以及整机可靠性三个不同维度的方案。
我们可以很自信的说，目前已经有很多军工企业在我们的帮助下实现了胶水材料的准确选型及验证，产品的整体可靠性得到了大幅度提高！
毕竟我们中国是一个已经把飞船发射到月球的航天强国！学习NASA的经验与方法，结合中国自己的国情与技术路线，凭借国家材料产业发展的顶层规划，相信我们在航空航天及军用级底部填充材料的可靠性研究方面，很快也能补齐与美国的差距！
本文选自“胶我选”数据库