芯片堆疊FPBGA產(chǎn)品翹曲度分析研究

摘要：

翹曲問題廣泛存在于基板類封裝產(chǎn)品中，對(duì)于堆疊芯片FPBGA 產(chǎn)品來說，控制產(chǎn)品的翹曲十分重要。在分析堆疊芯片F(xiàn)PBGA 產(chǎn)品翹曲度與材料的熱膨脹系數(shù)、體積、溫度變化量關(guān)系的基礎(chǔ)上，將翹曲仿真模擬和DOE 相結(jié)合，確定出模塑料和芯片是影響翹曲度的主要因素，并找到最優(yōu)化值。測量基板和產(chǎn)品的實(shí)際翹曲度，對(duì)比印證了仿真模擬的正確性，為設(shè)計(jì)開發(fā)類似產(chǎn)品時(shí)減小翹曲度提供了有效參考。

1 引言

在電子封裝產(chǎn)品中，因?yàn)楦鞣N材料的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，縮寫為CTE)不同，加上各材料的模量差異，在封裝生產(chǎn)過程中又經(jīng)過不同的溫度變化，產(chǎn)品很容易出現(xiàn)翹曲變形的問題。對(duì)于一些高端封裝產(chǎn)品來說，翹曲的程度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性尤其重要，特別是一些超薄堆疊芯片和微間距球柵陣列(Fine pitch ball grid array，縮寫FPBGA)封裝的產(chǎn)品，如果在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮到翹曲問題，在后面的實(shí)際產(chǎn)品中就會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部芯片裂損、材料分層、產(chǎn)品外部平面度異常等一系列問題，最終可能造成產(chǎn)品無法成功生產(chǎn)。針對(duì)產(chǎn)品翹曲問題，國內(nèi)外研究人員做過很多相關(guān)的分析研究，有關(guān)于模塑料原因產(chǎn)生的翹曲分析與解決，有關(guān)于堆疊芯片的翹曲仿真模擬分析，還有倒轉(zhuǎn)芯片產(chǎn)品的翹曲改善，但對(duì)于超薄芯片堆疊的FPBGA 產(chǎn)品的翹曲研究很少涉及。本文以一款超薄芯片堆疊FPBGA 產(chǎn)品為實(shí)例，通過翹曲理論分析和仿真模擬、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of experiment，縮寫為DOE）與產(chǎn)品實(shí)際翹曲相結(jié)合，分析影響產(chǎn)品翹曲的關(guān)鍵因素，找到改善產(chǎn)品翹曲的途徑。

2 翹曲影響因素與類型

2.1 堆疊芯片F(xiàn)PBGA 產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)

該產(chǎn)品為一款典型的堆疊芯片封裝，球柵陣列的節(jié)距為0.50 mm，錫球采用Ф0.22 mm 的，根據(jù)產(chǎn)品的存儲(chǔ)容量不同，存儲(chǔ)芯片堆疊數(shù)目也不同，分為1 層、2層、4 層和8 層，產(chǎn)品第二顆和第三顆芯片之間采用線上蓋膜FOW(Film over wire)工藝，其他均采用通用裝片膜工藝，圖1 為前期設(shè)計(jì)概念圖，產(chǎn)品為5 層堆疊芯片的剖面圖，產(chǎn)品尺寸為13 mm×11.5 mm×1.3 mm，存儲(chǔ)芯片尺寸為12mm×10.7mm，控制芯片尺寸為4.8mm×1.5 mm。

2.2 產(chǎn)品翹曲影響因素

由于不同封裝材料的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度發(fā)生變化后，導(dǎo)致各種材料的收縮率不一致；同時(shí)這些材料的彎曲模量也不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化后，CTE 大的材料其收縮率也大，如果其模量也大于其他材料，那么其他材料一定會(huì)被迫拉伸變形，當(dāng)拉伸力達(dá)到超過不同種材料間的粘合力時(shí)，不同材料間的粘合處就會(huì)出現(xiàn)分層/剝離，如CTE 差異大的模塑料和基板經(jīng)過高低溫循環(huán)后，會(huì)出現(xiàn)翹曲甚至導(dǎo)致模塑料與基板分層；當(dāng)拉伸力超過某種材料模量的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成該材料裂損，如翹曲導(dǎo)致的模塑料的拉伸力大于芯片的彎曲強(qiáng)度，導(dǎo)致芯片碎裂，如圖2 所示。產(chǎn)品是否會(huì)發(fā)生分層還是發(fā)生材料拉裂，受材料間的粘合力與材料彎曲強(qiáng)度影響。

將圖2 所示產(chǎn)品簡化結(jié)構(gòu)建立如圖3 所示的簡化模型：將多層復(fù)合基板作為一種合應(yīng)力材料；芯片裝片膜模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于芯片且非常薄，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的影響可忽略不計(jì)，最終簡化模型由模塑料、芯片、基板組成，結(jié)合產(chǎn)品受力模型圖，對(duì)產(chǎn)品不同受力情況進(jìn)行分析，溫度變化后，產(chǎn)品組成材料的CTE 不同產(chǎn)生的合應(yīng)力使產(chǎn)品發(fā)生形變，隨著產(chǎn)品形變逐漸變大，需要的形變力也會(huì)增大，從而逐漸抵消因CTE 不同而產(chǎn)生的合應(yīng)力，最終使產(chǎn)品受力平衡，產(chǎn)品翹曲形變停止。

公式（1）中，F(xiàn) 為溫度變化時(shí)不同材料產(chǎn)生的合應(yīng)力，F(xiàn)a、Fb、Fc 為模塑料、芯片、基板由于溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，ΔT 為溫度變化量，Va、Vb、Vc 分別為模塑料、芯片、基板的體積，Ea、Eb、Ec 表示模塑料、芯片、基板的拉伸模量，La、Lb、Lc 表示模塑料、芯片、基板的彈性模量。

假設(shè)產(chǎn)品在175℃塑封模具中所有材料的應(yīng)力為初始狀態(tài)，當(dāng)溫度降低或者上升時(shí)，不同材料的應(yīng)力開始發(fā)生變化，同時(shí)不同材料模量不同，合應(yīng)力F 不斷變化，為使產(chǎn)品整體受力為零以達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)品發(fā)生翹曲。

公式（2）是產(chǎn)品翹曲穩(wěn)定后，各材料因CTE 不同在溫度變化后產(chǎn)生的應(yīng)力。各材料變形既有橫向拉伸力，也有縱向彎曲力，如Fax、Fay、Faz 為模塑料翹曲后在X 方向、Y 方向和Z 方向產(chǎn)生的應(yīng)力。由于翹曲后方向通常都趨向于材料模量大的一側(cè)，實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜使應(yīng)力方向比較復(fù)雜，很難得到準(zhǔn)確的翹曲角度。

公式（3）是產(chǎn)品翹曲穩(wěn)定后，通過各材料收縮量不同引起的應(yīng)力。ΔVa、ΔVb、ΔVc 表示模塑料、芯片、基板收縮量（體積變化量）。

根據(jù)力學(xué)原理，在力的平衡下，產(chǎn)品整體受力平衡，即F1=F2，得出公式(4)：

ΔT×α×V 實(shí)際上就是材料體積變化量ΔV，通過公式（4）可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品溫度發(fā)生變化，產(chǎn)品的體積跟著變化（收縮或膨脹），而各材料的CTE 不同，體積變化也不同，隨著溫度變化越大，各材料的體積變化量差異越大，這種體積變化差異的不匹配，最終只能以翹曲的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品上。各材料產(chǎn)生的應(yīng)力ΔT×α×V× (E+L)和溫度變化量、熱膨脹系數(shù)、總體積及模量都有關(guān)系。

2.3 翹曲類型

以6 mm×6 mm×0.7 mm 的柵格陣列封裝產(chǎn)品為例，裸芯片尺寸為4 mm×4 mm×0.2 mm，基板厚度為0.2 mm，由于產(chǎn)品各材料的CTE 不同，溫度變化不同，各材料收縮/膨脹量的不匹配使產(chǎn)品出現(xiàn)不同類型的翹曲：正向翹曲（笑臉型）與反向翹曲（哭臉型），如圖4所示。正向翹曲是由于模塑料和芯片的CTE 大，從注塑高溫降低后，模塑料和芯片層收縮/膨脹大于基板的收縮/膨脹，就產(chǎn)生應(yīng)力差，當(dāng)這個(gè)應(yīng)力差大于基板抗形變的力度時(shí)，基板因受力被迫變形。反向翹曲產(chǎn)生的機(jī)理則與之相反。

3 基板與產(chǎn)品翹曲仿真模擬

產(chǎn)品發(fā)生翹曲的影響因素較多，使用ANSYS13.0軟件進(jìn)行翹曲仿真模擬，并結(jié)合DOE 驗(yàn)證，如圖5 所示，對(duì)該FPBGA 產(chǎn)品建立模型，分別仿真模擬整條基板和單顆產(chǎn)品的翹曲程度。該產(chǎn)品基板翹曲太大將無法進(jìn)行錫球焊接，在對(duì)產(chǎn)品翹曲仿真進(jìn)行模擬的同時(shí)，也對(duì)基板翹曲程度進(jìn)行仿真模擬。

封裝產(chǎn)品的各材料特性如表1 所示。

由于芯片的CTE 和模量是定值，DOE 中只取芯片厚度為變量因子；模塑料厚度由塑封模具厚度0.9mm確定，模塑料CTE 為變量因子，其體積隨芯片厚度變化而改變；基板厚度固定為200 μm，取其CTE 為變量因子（以基板CTE 為準(zhǔn)），DOE 設(shè)計(jì)如表2 所示，產(chǎn)品、基板翹曲程度分別為翹曲1 和翹曲2（175 ℃塑封時(shí)為初始狀態(tài)，冷卻到室溫25℃時(shí)）。

將DOE 結(jié)果展開如圖6 所示，從圖上可以看出，模塑料CTE 和芯片厚度是影響產(chǎn)品、基板翹曲的主要因素，基板CTE 是影響翹曲的次要因素。結(jié)合2.2 節(jié)應(yīng)力大小由ΔT×α×V×(E+L)決定，可以推斷出模塑料CTE 是影響產(chǎn)品、基板翹曲的主要因素。模塑料CTE與體積乘積量大，影響因子大；芯片厚度的變化也在改變模塑料的體積，這更進(jìn)一步說明模塑料是影響產(chǎn)品、基板翹曲的最關(guān)鍵因素。

通過DOE 響應(yīng)優(yōu)化圖（圖7）找到產(chǎn)品最小翹曲的因子組合，當(dāng)模塑料、基板的CTE 最小、芯片厚度為445 μm 時(shí)，基板翹曲和產(chǎn)品翹曲最小。

4 基板與產(chǎn)品翹曲測量驗(yàn)證

通過測量制作樣品的翹曲，確認(rèn)是否和仿真模擬結(jié)果相同，為了減少樣品試驗(yàn)數(shù)，僅驗(yàn)證確認(rèn)芯片在不同厚度下的翹曲程度，樣品中有2 層、3 層、4 層、5層堆疊芯片，芯片總厚度分別為200 μm、300 μm、400 μm、500 μm，分別測量基板翹曲和產(chǎn)品翹曲。

4.1 基板翹曲測量與分析

測量在175 ℃塑封、150 ℃后固化、錫球260 ℃焊接、175 ℃降翹曲烘烤后的基板翹曲，結(jié)果如圖8 所示。400 μm 和500 μm 芯片厚度（4 層芯片和5 層芯片） 的基板經(jīng)過各溫度條件后回到室溫翹曲最小， 200 μm 芯片厚（2 層芯片）的基板翹曲最大，后固化后基板翹曲都稍有降低，主要是模塑料進(jìn)一步充分反應(yīng)以及部分應(yīng)力受熱釋放；降翹曲烘烤基板翹曲減低較小，外在機(jī)械矯正時(shí)應(yīng)力已經(jīng)非常小，應(yīng)力釋放有限。

4.2 產(chǎn)品翹曲實(shí)際測量與分析

使用投影波紋儀shadow morie 測量實(shí)際產(chǎn)品在不同溫度下的翹曲：從25 ℃到175 ℃，所有產(chǎn)品呈反向翹曲由大變??；從175℃到260℃，所有產(chǎn)品呈正向翹曲由小變大；無論是室溫25 ℃還是高溫260 ℃， 200 μm 芯片厚度的產(chǎn)品翹曲都是最大的，如圖9 所示。

從翹曲仿真模擬翹曲度和實(shí)際產(chǎn)品翹曲度來看，模塑料和芯片的厚度是影響產(chǎn)品翹曲度的主要因素，通過選擇低CTE 模塑料和改變芯片厚度/體積可以有效地減小基板和產(chǎn)品的翹曲度。

將基板和產(chǎn)品的仿真模擬翹曲度和實(shí)際產(chǎn)品翹曲度（從175 ℃降到室溫25 ℃時(shí)）進(jìn)行比較，如圖10所示，翹曲度存在一定的差異，這是由于實(shí)際產(chǎn)品中芯片厚度及其堆疊厚度均會(huì)有一定的誤差而影響其一致性，但翹曲度隨芯片厚度變化的變化趨勢(shì)是一致的———隨著芯片厚度/體積增加（模塑料體積減小），翹曲度減小。

5 結(jié)論

文章以一款典型堆疊芯片F(xiàn)PBGA 產(chǎn)品為實(shí)例，從理論上分析產(chǎn)品翹曲是由于各種材料CTE 不匹配、體積收縮不一致造成應(yīng)力不同而導(dǎo)致，其與溫度變化量、材料CTE 和總體積相關(guān)。研究分析表明，模塑料CTE 和芯片厚度/體積比是影響翹曲的最主要因素，低CTE 的模塑料和基板、厚芯片能夠降低基板翹曲和產(chǎn)品翹曲，為類似堆疊芯片F(xiàn)PBGA 產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)減小翹

曲提供了較好的參考。

審核編輯 ：李倩