虞國良，譚 琳 ，李金睿，王 謙

(1.南通富士通微電子股份有限公司，江蘇南通226006；2.清華大學(xué)，北京100084)

電子封裝對小型化、高密度、高可靠性的要求直接導(dǎo)致了塑封焊球陣列（Ball Grid Array,BGA）封裝的快速發(fā)展[1，2]。為了滿足電子產(chǎn)品輕、小發(fā)展的要求，集成電路封裝日益趨于薄型化、小型化，因此窄節(jié)距焊球陣列（Fine-Pitch Ball Grid Array，F(xiàn)BGA）封裝（見圖1）越來越受到人們的關(guān)注。電子產(chǎn)品體積的減小方便了人們的生活，但是卻對電子產(chǎn)品的可靠性提出了新的要求。例如，產(chǎn)品功能的多元化使器件的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得更加脆弱，當(dāng)器件發(fā)生翹曲或者其它形變時(shí)，器件就更加容易發(fā)生失效。

圖1 FBGA單元的結(jié)構(gòu)示意圖

FBGA的塑封材料有很多種，環(huán)氧模塑料(E-poxy Molding Compound,EMC)以其低廉的價(jià)格、良好的絕緣性能等優(yōu)勢已經(jīng)成為FBGA封裝中最為廣泛應(yīng)用的塑封材料。但是，環(huán)氧模塑料使用的同時(shí)也會(huì)帶來翹曲，這就對器件的后續(xù)封裝工藝以及其可靠性造成了嚴(yán)重的影響。翹曲的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因，一方面是由于塑封材料、基板和芯片三者之間的熱膨脹系數(shù)不匹配造成，這種不匹配在溫度改變時(shí)導(dǎo)致三者之間產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而使器件產(chǎn)生翹曲。有調(diào)查顯示，在電子封裝器件的失效分析中，有65%的失效器件是因?yàn)椴煌牧现g的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的[3]。另一方面是由于化學(xué)收縮的影響。所謂化學(xué)收縮是指模塑料在固化 (Cure)工藝過程中高分子材料發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致其體積發(fā)生改變[4]。這種體積的收縮直接導(dǎo)致器件的翹曲。

典型的FBGA封裝工藝流程如圖2所示，其中，涉及熱過程的工藝主要有3個(gè)步驟，即貼片工藝、模塑工藝和植球工藝。貼片工藝的固化溫度為150℃，但是由于該工藝過程中尚未進(jìn)行模塑，所以對翹曲的影響較小。植球工藝的回流溫度一般最高可以達(dá)到260℃，但是由于該工藝過程中，模塑料的固化已經(jīng)基本完成，所以對于翹曲的影響也相對較小。在模塑工藝過程中，模塑材料首先由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)澆注到模具腔體內(nèi)，當(dāng)模塑料達(dá)到一定溫度后，固化反應(yīng)開始發(fā)生。這個(gè)過程不但是一種熱過程，同時(shí)也是一種劇烈的化學(xué)反應(yīng)過程，因此對器件的翹曲影響較大。本文主要運(yùn)用有限元分析（FEA）的方法，研究模塑工藝過程中，芯片厚度和芯片面積對翹曲的影響，同時(shí)將化學(xué)收縮對翹曲的影響引入到研究中。這些研究結(jié)果可以對實(shí)際生產(chǎn)中材料及芯片參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

圖2 傳統(tǒng)封裝工藝流程

1 翹曲研究

1.1 Four-Block的翹曲仿真

FBGA在生產(chǎn)過程中通常采用4個(gè)模塑塊（Four-Block）的模塑結(jié)構(gòu)，所謂Four-Block是指在一個(gè)整條的基板上分4個(gè)部分進(jìn)行模塑，如圖3所示。這種模塑結(jié)構(gòu)在不同的模塑塊之間存在溝槽，因此對于熱過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力有良好的釋放作用，從而減小產(chǎn)生的翹曲。本文首先對Four-Block的模塑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，在仿真過程中考慮了化學(xué)收縮的影響，并與實(shí)際產(chǎn)品的測量結(jié)果進(jìn)行比對。

圖3 Four-Block結(jié)構(gòu)示意圖

為了將化學(xué)收縮率考慮到仿真模型中，本文采用等效固化溫度的方式進(jìn)行處理，即將化學(xué)收縮率通過推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為溫度的參數(shù)輸入到仿真軟件中，具體的轉(zhuǎn)化方法如式(1)(2)(3)所示[5-8]。

其中，a1為溫度小于TG情況下模塑料的熱膨脹系數(shù)，a2為溫度大于TG的情況下模塑料的熱膨脹系數(shù)，T1為室溫25℃，TH為固化溫度，VC為不考慮化學(xué)收縮的情況下模塑料從固化溫度降低到室溫后的體積（假設(shè)原體積為1），VS為模塑料化學(xué)收縮率，VCS為考慮收縮率的情況下模塑料從固化溫度降低到室溫的體積，THX為等效的固化溫度。

在模型建立方面，首先，由于Four-Block模塑結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，為了提高仿真效率，本文采用1/4模型進(jìn)行建模，如圖4所示。其次，由于阻焊膜、貼片膠、鍵合引線等材料和結(jié)構(gòu)對翹曲的影響較小，這里也進(jìn)行了省略和簡化。在施加載荷方面，本文也與傳統(tǒng)的仿真不同。傳統(tǒng)仿真中一般認(rèn)為翹曲值為基板在自由狀態(tài)下的數(shù)值。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)將整個(gè)基板壓在臺(tái)面上進(jìn)行工作，故基板自然情況下的翹曲并不是最終影響工藝的因素。實(shí)際測量的方法是，對基板的上下兩端分別用有機(jī)玻璃進(jìn)行約束，然后設(shè)置Block的中間點(diǎn)（圖5中位于中心的圓圈處）為0點(diǎn)，沿垂直方向分別測量四角與中間0點(diǎn)間的差值，其平均值即為每個(gè)Block的翹曲，Block翹曲的測量如圖5所示。

圖4 1/4模型選取

圖5 Block翹曲的測量

仿真模型尺寸如表1所示，仿真中所使用的材料參數(shù)如表2所示。在這里將化學(xué)收縮率分別設(shè)為0.05%、0.01%、0.15%和0.20%，通過仿真得到的翹曲分布如表3所示。

表1 FBGA的尺寸信息

表2 材料參數(shù)

表3 不同化學(xué)收縮率下的翹曲值

從表3中可以得出以下結(jié)論：首先，收縮率對Block的翹曲有一定的影響，隨著收縮率的增大，Block的變形增大，翹曲更加嚴(yán)重。但是整體上講，收縮率對于翹曲的影響并不顯著，對比收縮率為0.05%與0.2%的情況下的翹曲值，差距在10%左右；其次，通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，距離中心較遠(yuǎn)的Block的翹曲要比距離中心較近的Block的翹曲嚴(yán)重。這是因?yàn)橹虚g的Block同時(shí)受到外側(cè)Block和與其對稱的Block的雙重約束，而距離中心較遠(yuǎn)的Block只受到中間Block的約束，故距離中心較近的Block的翹曲會(huì)得到一定的抑制，翹曲數(shù)值較小。這個(gè)差距并不大，約為25 μm左右，所以一般情況下認(rèn)為所有Block的翹曲基本相同；最后，將仿真的翹曲值與實(shí)際的測量值進(jìn)行了對比。在收縮率為0.05%的情況下，仿真得到的翹曲值為630 μm，實(shí)際測量得到的平均值為677 μm，誤差小于7%，基本上與實(shí)際情況相符。所以該仿真模型對于翹曲值的預(yù)測是合理的。

圖6 Four-Block的翹曲值

1.2 Two-Block的翹曲仿真

隨著基板價(jià)格的升高，封裝結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化。為了增加基板的有效面積，Two-Block模塑結(jié)構(gòu)逐漸成為Four-Block模塑結(jié)構(gòu)的替代產(chǎn)品，圖7所示為Two Block模塑結(jié)構(gòu)的示意圖。但是由于Two-Block的模塑料中間只有一列開槽，顯然應(yīng)力的釋放沒有Four-Block的效果明顯，翹曲值也會(huì)大大增加，嚴(yán)重影響了后續(xù)工藝的正常進(jìn)行。本文著重研究芯片厚度和芯片面積對Block翹曲的影響，以求在生產(chǎn)過程中可以通過控制芯片的幾何參數(shù)來減小Block的翹曲。

圖7 Two-Block結(jié)構(gòu)示意圖

本文中Two-Block的建模方式、材料參數(shù)以及載荷的施加均與上面Four-Block結(jié)構(gòu)相同。在測量方式上，由于Block發(fā)生了改變，所以會(huì)略有不同，測量路徑如圖8所示。

圖8 2 Block翹曲的測量

1.2.1 芯片厚度的影響

保持芯片面積不變的情況下，通過調(diào)整芯片的厚度來研究翹曲的變化。這里芯片的厚度分別為 100 μm、125 μm、150 μm、175 μm、200 μm、225 μm、250 μm、275 μm、300 μm。圖 9 為不同芯片厚度情況下Block的翹曲值。

圖9 不同芯片厚度的Block翹曲

通過圖9的仿真數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：首先隨著芯片厚度的增加，Block的翹曲變化并不是單調(diào)的。當(dāng)芯片厚度小于225 μm時(shí)，Block的翹曲會(huì)隨著芯片厚度的增加而減小。這是因?yàn)樾酒臈钍夏Ａ枯^大，隨著芯片厚度的增大其剛度也增大，對Block的翹曲起到了良好的抑制作用，使Block的翹曲減小。當(dāng)芯片的厚度繼續(xù)增大時(shí)，并且超過225 μm時(shí)，Block的翹曲會(huì)隨著芯片厚度的增大而增加，這是因?yàn)楫?dāng)芯片達(dá)到一定的厚度時(shí)，芯片的體積已經(jīng)變得很大，不能被忽略。同時(shí)雖然芯片熱膨脹系數(shù)小，但由于厚度增大，收縮的效果會(huì)變得顯著，以致抵消了剛度對翹曲的抑制作用。

其次，芯片厚度的改變對于翹曲的影響并不明顯。其中最大翹曲值為1171 μm，最小翹曲值為1 062 μm，兩者相差9%，所以說影響翹曲的主要因素并不是芯片的厚度。通過改變芯片的厚度可以在一定程度上改善Block的翹曲，但是并不能成為解決翹曲的主要方法。

1.2.2 芯片面積的影響

保持芯片的厚度不變的同時(shí)，通過改變芯片的面積來研究翹曲的變化。這里將芯片的面積分別設(shè)為 1.5mm×1.5mm、2mm×2mm、2.5mm×2.5mm、3mm ×3mm、3.5mm ×3.5mm、4mm ×4mm、4.5mm ×4.5mm、5mm ×5mm、5.5mm ×5.5mm、6mm×6mm、6.5mm×6.5mm、7mm×7mm。圖 10為不同芯片面積情況下Block的翹曲值。

圖10 不同芯片尺寸的Block的翹曲

通過圖10的仿真數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論。首先，當(dāng)芯片面積在1.5 mm×1.5 mm到7 mm×7 mm這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，Block的翹曲是隨著芯片尺寸的增大而單調(diào)減小的。其次，隨著芯片尺寸的增大，Block的翹曲速率也會(huì)隨之增大。這是因?yàn)樾酒臈钍夏Ａ勘绕渌牧洗蠛芏啵揖哂泻苄〉臒崤蛎浵禂?shù)，這就導(dǎo)致芯片對模塑料和基板的形變產(chǎn)生抑制作用，從而使Block的翹曲減小。

為了確認(rèn)在芯片尺寸增大的過程中，Block的翹曲值是否會(huì)一直減少，這里對極限情況進(jìn)行了仿真。在模型中設(shè)定芯片總面積與模塑料的尺寸相同。仿真得到的Block翹曲值為50 μm，這個(gè)數(shù)值相比于前面的幾組數(shù)值要小很多。也就是說，在芯片的面積不斷增大的過程中，Block的翹曲是單調(diào)減小的。

2 結(jié) 論

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，模塑料的化學(xué)收縮、芯片厚度和芯片面積對Block的翹曲都有一定的影響。其中化學(xué)收縮對于翹曲的影響較小，隨著化學(xué)收縮率的增加Block的翹曲會(huì)增大，但增量并不顯著。當(dāng)化學(xué)收縮率從0.05%上升到0.20%時(shí)，Block的翹曲值只增加了10%。同樣，芯片的厚度也不是影響B(tài)lock翹曲的主要因素，芯片厚度為225 μm時(shí)，Block的翹曲達(dá)到了最小值，約為1062 μm。這個(gè)數(shù)值比該仿真芯片厚度范圍內(nèi)的翹曲的最大值減小9%。相比于前兩者，芯片的面積對翹曲的影響要顯著的多，當(dāng)芯片面積從1.5mm×1.5 mm增加到7 mm×7 mm時(shí)，Block翹曲值降低28%。綜上所述，在FBGA產(chǎn)品的封裝中，選取化學(xué)收縮率較小的模塑材料，調(diào)整芯片的厚度到最優(yōu)值，并盡量增大芯片的面積都可以減小Block的翹曲，從而提高器件的可靠性。

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