高密度塑封基板倒裝焊回流行為研究

周秀峰，徐中國，張振越

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

隨著各類電子智能產(chǎn)品朝著小型化、多功能化、高集成度化和高可靠性的方向發(fā)展，PBGA類產(chǎn)品的封裝在消費類電子、汽車電子等領(lǐng)域中得到了廣泛的運用[1-2]。塑封球柵陣列（PBGA）的封裝按照芯片和基板的互聯(lián)方式可分為引線鍵合類（WB）和倒裝類（FC）兩種形式，其中，以銅柱錫帽結(jié)構(gòu)作為典型焊接的FC-PBGA的類高密度基板封裝由于其更高的集成度通常被應(yīng)用于更高端的產(chǎn)品中，成為了CPU、GPU、高端服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)路由器/轉(zhuǎn)換器ASIC等領(lǐng)域不可或缺的核心材料[3-4]。產(chǎn)品的性能基于其結(jié)構(gòu)、材料組成和加工工藝，隨著市場對FC-PBGA類高密度基板封裝的要求越來越高，F(xiàn)C-PBGA類高密度基板封裝的結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜、選用材料種類更多、基板層數(shù)也日益增多，在封裝過程中受到環(huán)境溫度、濕度等因素的干擾，容易導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力、翹曲的問題被逐步地放大，最終影響產(chǎn)品的可靠性，因此FC-PBGA類高密度基板封裝的可靠性一直是關(guān)注的熱點[5-6]。

在FC-PBGA類高密度基板封裝的眾多失效模式中，由于基板內(nèi)部的各類材料和芯片的熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異較大，在封裝過程中溫度的變化導(dǎo)致的應(yīng)力和翹曲是其主要的失效模式。本文基于有限元數(shù)值分析方法，建立對角單排的基板模型與凸點模型，研究了FC-PBGA類高密度基板封裝過程中，溫度影響最大的倒裝回流工藝下，不同的基板材料和芯片厚度對應(yīng)力和翹曲的影響，以期為FC-PBGA產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)加工提供一定的指導(dǎo)。

1 基板的倒裝焊回流仿真原理及工藝參數(shù)

1.1 仿真原理簡介

采用有限元仿真方法對塑封基板倒裝焊回流工藝進行仿真分析，可以方便地獲得不同的基板材料、芯片厚度等參數(shù)對基板應(yīng)力和翹曲的影響情況，便于對不同參數(shù)帶來的影響進行比較。本文采用ANSYS有限元分析軟件對4 000 pin塑封基板在倒裝焊回流過程中的應(yīng)力及翹曲行為進行了仿真分析，重點比較不同的基板材料和芯片厚度對基板應(yīng)力、翹曲和芯片應(yīng)力、銅柱應(yīng)力的影響。

由于基板、芯片和銅柱等材料的CTE的不同，隨著倒裝焊回流過程中溫度的升高與下降，會在材料之間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力的外在表現(xiàn)形式為翹曲。該熱應(yīng)力的存在會對塑封基板的可靠性帶來嚴(yán)重的隱患，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致布線層斷裂、芯片碎裂和分層等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此，有必要對塑封基板在倒裝回流焊過程中的熱應(yīng)力進行分析。

該仿真方法對實際的塑封基板材料的選擇和工藝控制具有一定的指導(dǎo)意義。

1.2 仿真模型及參數(shù)

仿真對象是一款4 000 pin的塑封基板，由于基板包含的銅柱數(shù)量過大，計算機無法支持采用1/4模型的仿真分析，故采用對角單排模型進行仿真求解。仿真簡化模型的示意圖如圖1所示。

圖1 仿真模型的簡化示意圖

為了建立詳細的仿真基板模型與凸點模型，具體模型的建立如圖2所示，仿真所用到的材料參數(shù)如表1所示，其中CTE1、CTE2分別為Tg前與Tg后的CTE，E1、E2分別為Tg前與Tg后的楊氏模量，基板布線層按85%銅體積占比進行等效計算。分別對兩種基板材料進行倒裝焊仿真分析，Substrate1材料體系為AUS703/GZ41/MCL-E-705G，Substrate2材料體系為SR7300/GL102/MCL-E-705G，對比這兩種基板在常溫下的翹曲值與應(yīng)力值。

表1 仿真模型材料參數(shù)表

圖2 仿真模型建立

2 不同基板材料的仿真回流焊分析

對塑封基板在倒裝回流焊過程進行有限元仿真，仿真結(jié)果云圖如圖3所示，圖3a為倒裝焊接后降溫至常溫狀態(tài)的翹曲云圖；圖3b為倒裝焊接后降溫至常溫狀態(tài)的應(yīng)力云圖。從圖3a中可以看到，基板倒裝焊接后，發(fā)生了一定的翹曲現(xiàn)象，其中翹曲狀態(tài)分為兩段，一段是由于基板、銅柱和芯片之間的CTE不匹配產(chǎn)生的哭臉狀翹曲；另一段是只有基板的部分，該部分為直線。從圖3b中可以看到，倒裝焊接后，應(yīng)力的最大位置處于基板、銅柱和芯片之間，其中銅柱應(yīng)力的最大處在角端；芯片應(yīng)力的最大處在芯片中心位置；基板應(yīng)力的最大處在基板中心位置靠近銅柱處。

圖3 塑封基板仿真結(jié)果云圖

兩種基板材料在倒裝焊接后的翹曲值和應(yīng)力值如表2所示，從表2中可以看到，Substrate1材料體系在翹曲和應(yīng)力方面的表現(xiàn)都比Substrate2材料體系好，Substrate1材料體系的翹曲值為737 μm ，芯片應(yīng)力值為82 MPa，SUB層的應(yīng)力值為119 MPa，Substrate2材料體系的翹曲值為798 μm ，芯片應(yīng)力值為93 MPa，SUB層的應(yīng)力值為145 MPa，而兩種基板材料對銅柱的應(yīng)力值影響不大，均為72 MPa。

表2 不同基板材料的有限元仿真結(jié)果

3 不同芯片厚度的仿真回流焊分析

由于在實際產(chǎn)品的生產(chǎn)中，芯片的厚度需要根據(jù)實際情況進行設(shè)定，因此，有必要研究不同的芯片厚度對塑封基板的應(yīng)力和翹曲的影響。不同的芯片厚度對兩種塑封基板的翹曲和應(yīng)力的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同芯片厚度的有限元仿真結(jié)果

芯片厚度對仿真結(jié)果的影響，如圖4所示。從圖4中可以看出，芯片的厚度對基板應(yīng)力和翹曲值的影響較大，隨著芯片厚度的下降，兩種基板的翹曲值增加，但芯片應(yīng)力值下降，兩種基板的SUB應(yīng)力值隨著芯片厚度的降低有一定的增加，但增加值并不明顯；同時，兩種基板材料的銅柱應(yīng)力值并沒有隨著芯片厚度的變化而變化。從圖4中也能看到，不同的芯片厚度的仿真結(jié)果依然顯示Substrate1材料體系在翹曲與應(yīng)力方面的表現(xiàn)都比Substrate2好。因此，對于高密度塑封基板材料，應(yīng)優(yōu)選Substrate1材料體系。

圖4 芯片厚度對仿真結(jié)果的影響

4 結(jié)束語

本文采用有限元仿真針對高密度塑封基板倒裝焊回流技術(shù)中的翹曲問題進行了分析，重點研究了不同的基板材料和芯片厚度對器件的翹曲度和應(yīng)力的影響情況，為優(yōu)化高密度塑封基板用材料和芯片厚度提供了設(shè)計方案和思路。基于微流道散熱技術(shù)，針對大功率微系統(tǒng)散熱需求，提出了一種高效的散熱解決途徑，重點研究了多種微流道結(jié)構(gòu)的散熱特性，為大功率微系統(tǒng)熱管理提供了設(shè)計方案和思路。研究發(fā)現(xiàn)：1）通過對比倒裝焊工藝后的基板翹曲與應(yīng)力情況，基板采用AUS703/GZ41/MCL-E-705G組合表現(xiàn)更好；2）芯片厚度的改變會對翹曲與應(yīng)力產(chǎn)生不同的影響，其中對翹曲的影響較為顯著，建議芯片厚度不宜太小。