周秀峰，徐中國，張振越

（中國電子科技集團(tuán)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(fèi)類電子、汽車電子等領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)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(diǎn)[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(diǎn)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(jì)、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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)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(huì)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(huì)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(jìn)行分析。

該仿真方法對實(shí)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(xì)的仿真基板模型與凸點(diǎn)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(jìn)行等效計(jì)算。分別對兩種基板材料進(jìn)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(jìn)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(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)中，芯片的厚度需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(shí)，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(jìn)行了分析，重點(diǎn)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(jì)方案和思路?；谖⒘鞯郎峒夹g(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(diǎn)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(jì)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(huì)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。