李欣欣，李守委，陳鵬，周才圣

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

0 引言

隨著IC 產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高密度封裝階段，基板作為半導(dǎo)體封裝的載體，為芯片提供電連接、保護(hù)、支撐及散熱等功能，其不斷朝著高密度、高性能、小型化方向發(fā)展[1]。有機(jī)基板具有“細(xì)、小、輕、薄”的特點(diǎn)以及制造難度低、成本低的優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)需求迅速增長(zhǎng)，因此國(guó)內(nèi)外有機(jī)封裝基板產(chǎn)業(yè)快速擴(kuò)張[2]。但有機(jī)基板也存在諸多問(wèn)題，由于制造材料間存在熱膨脹系數(shù)（CTE）失配問(wèn)題，有機(jī)基板在封裝過(guò)程中極易發(fā)生翹曲，進(jìn)而影響封裝產(chǎn)品良率及可靠性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及封裝行業(yè)技術(shù)人員在有機(jī)基板的設(shè)計(jì)端及封裝應(yīng)用端進(jìn)行了大量研究。在設(shè)計(jì)端，京瓷、興森、景碩等基板制造廠商不斷優(yōu)化基板的布線設(shè)計(jì)，使基板整體趨近于對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，盡可能保證有機(jī)基板在受熱時(shí)應(yīng)力趨近于平衡狀態(tài)，以減少應(yīng)力失配導(dǎo)致的基板翹曲[3]。同時(shí)，優(yōu)化基板的制造工藝，降低增層、電鍍、固化及切割等工序?qū)е碌幕迓N曲，提升產(chǎn)品品質(zhì)與良率。在制造基材的研發(fā)上，味之素等載板制造商通過(guò)開發(fā)GZ-41、GL-102 系列具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低CTE 的載板，增強(qiáng)有機(jī)基板在高溫下的抗形變能力，以改善有機(jī)基板在后道封裝工藝中的翹曲現(xiàn)象[4]。

翹曲是有機(jī)基板的固有特性，由于同時(shí)受基板尺寸、封裝工藝的影響，在設(shè)計(jì)端與制造端完全解決翹曲問(wèn)題是不切實(shí)際的。因此，在封裝應(yīng)用端，研究如何改善有機(jī)基板翹曲對(duì)提高封裝可靠性尤為重要[5]。王曉鋒等人[6]通過(guò)仿真技術(shù)分析了塑料球柵陣列（PBGA）有機(jī)封裝基板在再流焊過(guò)程中的應(yīng)力分布及翹曲變化，發(fā)現(xiàn)再流焊過(guò)程中引發(fā)翹曲的應(yīng)力集中于基板的四角位置；談利鵬等人[7]采用Ansys 軟件對(duì)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）基板的布線層、納米銀焊料層厚度進(jìn)行分析，探討其與再流焊過(guò)程中應(yīng)力翹曲的關(guān)系；周洋等人[8]研究了預(yù)彎曲銅基板對(duì)再流焊過(guò)程中翹曲的改善效果，分析了銅基板預(yù)彎量對(duì)再流焊過(guò)程中基板翹曲的影響；ZHANG 等人[9]對(duì)比了分別采用熱壓倒裝焊接工藝和再流焊工藝封裝的有機(jī)基板，研究其翹曲及應(yīng)力分布情況，研究結(jié)果表明，采用熱壓倒裝焊接工藝可以顯著改善有機(jī)基板的翹曲，芯片翹曲度減小了59%，基板翹曲導(dǎo)致的焊點(diǎn)錯(cuò)位下降了45%。熱壓倒裝焊接工藝與再流焊工藝在有機(jī)基板的封裝應(yīng)用中各具優(yōu)勢(shì)[10]，再流焊工藝在FCBGA 基板的封裝應(yīng)用中占據(jù)主流地位。因此，需要進(jìn)一步研究與解決再流焊過(guò)程中有機(jī)基板的翹曲問(wèn)題。

現(xiàn)階段封裝應(yīng)用端對(duì)有機(jī)基板翹曲的研究多集中在理論與仿真分析上，缺乏對(duì)翹曲問(wèn)題的系統(tǒng)性研究與解決對(duì)策，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)性不足，本文基于FCBGA 有機(jī)基板，采用熱形變測(cè)試儀研究不同尺寸、芯板厚度的FCBGA 有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性及基板表面形變情況，分析了基板尺寸、芯板厚度對(duì)翹曲的影響，為封裝前評(píng)估有機(jī)基板翹曲風(fēng)險(xiǎn)提供參考，提出了在再流焊前進(jìn)行烘烤脫濕處理、使用夾持載具以及優(yōu)化再流焊曲線的方法，為降低FCBGA有機(jī)基板封裝應(yīng)用中的翹曲、提升封裝產(chǎn)品良率及可靠性提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文使用熱形變測(cè)試儀模擬再流焊過(guò)程中的溫度變化情況，對(duì)不同尺寸、芯板厚度的FCBGA 有機(jī)基板進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性及形變情況，通過(guò)基板對(duì)角線上的形變情況及基板共面性表征基板翹曲程度，研究影響有機(jī)基板翹曲的因素，實(shí)驗(yàn)中采用的樣品均為“芯板+ABF 膜”結(jié)構(gòu)。

通過(guò)導(dǎo)熱膠將熱電偶黏接在有機(jī)基板表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為排除水汽對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，在125 ℃下，對(duì)樣品進(jìn)行16 h 的烘烤脫濕處理；為減少基板表面金屬化焊盤對(duì)形變的干擾，在樣品表面均勻地噴涂1 層7751 抗高溫白漆；調(diào)節(jié)測(cè)試設(shè)備燈光及測(cè)試框，測(cè)試框的可調(diào)范圍如圖1（a）所示，確保獲取的相圖清晰、無(wú)噪點(diǎn)，有效減少共面性數(shù)值中的異常點(diǎn)，有、無(wú)噪點(diǎn)的相圖對(duì)比如圖1（b）所示。

圖1 熱形變測(cè)試框的可調(diào)范圍

采用KIC-2000 爐溫測(cè)試儀測(cè)量某款產(chǎn)品在再流焊過(guò)程中的基板表面溫度，將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)用于熱形變測(cè)試儀的溫度曲線繪制，溫度-時(shí)間曲線設(shè)置如表1 所示。

表1 溫度-時(shí)間曲線設(shè)置

2 再流焊過(guò)程中有機(jī)基板的翹曲

2.1 不同尺寸的基板翹曲與共面性

使用熱形變測(cè)試儀測(cè)量了尺寸分別為13 mm×13 mm、19 mm×19 mm、25 mm×25 mm、29 mm×29 mm、37 mm×37 mm 的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的形變量及共面性。在升溫階段，在溫度為40 ℃、80 ℃、150 ℃、200 ℃、245 ℃處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)；在降溫階段，在溫度為200 ℃、150 ℃、80 ℃、40 ℃處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)。尺寸為25 mm×25 mm 的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性與翹曲情況如圖2 所示。

圖2 尺寸為25 mm×25 mm 的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性與翹曲情況

由圖2（a）可知，有機(jī)基板共面性隨著溫度的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，共面性最大值出現(xiàn)在150～245 ℃；由圖2（b）可知，在再流焊過(guò)程中有機(jī)基板翹曲主要表現(xiàn)為負(fù)向形變，即有機(jī)基板呈現(xiàn)中間凹陷、四角翹起的狀態(tài)。

圖3 為不同尺寸的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性箱式圖。有機(jī)基板的共面性極大值隨著基板尺寸的增大而增大，同時(shí)，在再流焊過(guò)程中基板的共面性變化幅度與基板尺寸存在正相關(guān)關(guān)系。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基板共面性的極小值通常出現(xiàn)在再流焊的初始狀態(tài)下，與基板尺寸未表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)，但兩者也存在一定的關(guān)聯(lián)，這是因?yàn)橛袡C(jī)基板的初始共面性除了與基板尺寸相關(guān)，還與基板的出廠狀態(tài)有極大的關(guān)系[11-12]。

圖3 不同尺寸的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的共面性箱式圖

在降溫階段的200 ℃下，不同尺寸的有機(jī)基板共面性及對(duì)角線上形變情況如圖4 所示。由圖4 可知，基板尺寸與其在高溫下的翹曲模式也存在一定關(guān)系。當(dāng)基板尺寸較小時(shí)，基板更易發(fā)生正向翹曲，即呈現(xiàn)中間凸起、四角下陷的狀態(tài)，對(duì)角線上的形變量呈現(xiàn)為開口向下的拋物線形狀；當(dāng)基板尺寸較大時(shí)，基板更易發(fā)生負(fù)向翹曲，即呈現(xiàn)中間凹陷、四角翹起的狀態(tài)，對(duì)角線上形變量呈開口向上的拋物線形狀。

圖4 200 ℃下不同尺寸的有機(jī)基板共面性及對(duì)角線上形變情況

2.2 不同芯板厚度的基板翹曲與共面性

基板的芯板由兩面壓合銅箔的半固化片制成，對(duì)有機(jī)基板的整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度有重要影響。使用熱形變測(cè)試儀測(cè)量不同芯板厚度的有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的形變量及共面性，研究有機(jī)基板的芯板厚度與翹曲的關(guān)系。不同芯板厚度的基板在再流焊過(guò)程中的共面性如圖5 所示，芯板1 的厚度為400 μm，其厚度占基板總厚度的47.6%，芯板2 的厚度為820 μm，其厚度占基板總厚度的66.1%，2 種基板的尺寸均為29 mm×29 mm。從圖5 可知，芯板越薄，其在基板總厚度中的占比越小，有機(jī)基板的共面性波動(dòng)幅度越大，共面性極值越大，反之，共面性波動(dòng)幅度減小，共面性極值減小。同時(shí)，芯板厚度也影響著有機(jī)基板表面形變的分布狀態(tài)，不同芯板厚度的基板在再流焊過(guò)程中的形變情況如圖6 所示，從圖6 可知，在相同溫度下，芯板越厚，基板表面的熱形變分布越均勻，越不易出現(xiàn)翹曲，反之，基板表面的熱形變?cè)郊校N曲現(xiàn)象越明顯。

圖5 不同芯板厚度的基板在再流焊過(guò)程中的共面性

圖6 不同芯板厚度的基板在再流焊過(guò)程中的形變情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的翹曲與基板尺寸、芯板厚度有較強(qiáng)的相關(guān)性。由圖3 可知，當(dāng)有機(jī)基板尺寸超過(guò)25 mm×25 mm 時(shí)，有機(jī)基板在再流焊中的最大共面性超過(guò)60 μm，當(dāng)有機(jī)基板尺寸達(dá)到37 mm×37 mm 時(shí)，其最大共面性超過(guò)130 μm；由圖5 可知，當(dāng)芯板厚度為400 μm 時(shí)，有機(jī)基板的最大共面性超過(guò)90 μm，當(dāng)厚度增加一倍時(shí)，最大共面性降低了40%～50%，同時(shí)，有機(jī)基板表面形變分布狀態(tài)也發(fā)生了顯著變化，芯板越厚，有機(jī)基板的熱形變分布越均勻，越不易出現(xiàn)翹曲。因此，在對(duì)FCBGA 有機(jī)基板進(jìn)行封裝時(shí)，當(dāng)基板尺寸大于25 mm×25 mm、芯板厚度小于400 μm 時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注再流焊過(guò)程中的翹曲問(wèn)題。

有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中發(fā)生翹曲是引發(fā)倒裝芯片焊接開裂及長(zhǎng)期可靠性失效的主要因素之一。因此，對(duì)于易出現(xiàn)翹曲的FCBGA 有機(jī)基板，如何改善其在再流焊過(guò)程中的翹曲是提高電路封裝良率及可靠性的關(guān)鍵。

3 有機(jī)基板翹曲的改善

3.1 脫濕

環(huán)氧類有機(jī)材料具有吸濕性，有機(jī)基板長(zhǎng)時(shí)間暴露在潮濕環(huán)境中，水汽滲入到基板中，有機(jī)材料吸濕膨脹，導(dǎo)致基板發(fā)生形變。因此，有機(jī)基板在出廠時(shí)就應(yīng)參照IPC-J-STD-020E 標(biāo)準(zhǔn)[13]進(jìn)行濕敏等級(jí)評(píng)定，以指導(dǎo)有機(jī)基板的包裝、存儲(chǔ)及使用。再流焊過(guò)程中未進(jìn)行脫濕處理的有機(jī)基板，在高溫環(huán)境下其有機(jī)材料中的水分產(chǎn)生蒸汽壓，導(dǎo)致基板發(fā)生形變、分層，從而影響有機(jī)基板表面的共面性。在溫度為85 ℃、相對(duì)濕度（RH）為85%的條件下，使用吸潮36 h 的有機(jī)基板進(jìn)行再流焊，圖7 為其剖面圖，可以看到，基板表面發(fā)生明顯形變，基板的ABF 膜與銅層出現(xiàn)分層現(xiàn)象。因此，在再流焊前對(duì)電路進(jìn)行烘烤脫濕處理是十分必要的，不同濕敏等級(jí)的有機(jī)基板的脫濕處理要求可參照IPC-J-STD-033D 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)條例[14]。

圖7 吸潮36 h 的有機(jī)基板經(jīng)過(guò)再流焊后的剖面圖

3.2 夾持載具

在封裝過(guò)程中使用載具主要起固定、限位及導(dǎo)向等作用。在熱壓超聲金絲鍵合中使用夾持載具起到固定產(chǎn)品的作用，防止由于超聲熱壓產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致電路偏移。在裝片環(huán)節(jié)，在真空燒結(jié)工藝中使用限位框可有效控制金錫焊料流淌，防止焊料外溢，在散熱片貼裝工藝中使用固化載具可將貼裝偏移控制在工藝范圍內(nèi)，植球時(shí)，落球網(wǎng)版的導(dǎo)向作用使焊球能夠掉落到對(duì)應(yīng)的焊盤位置。在封裝過(guò)程中較少使用施加外力的載具，一方面，過(guò)度施加外力會(huì)使電路產(chǎn)生不必要的外觀缺陷；另一方面，如果施加外力不均勻，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致電路產(chǎn)生微裂紋、微形變，從而對(duì)封裝的長(zhǎng)期可靠性構(gòu)成隱患。本文采用四角夾持方式，根據(jù)有機(jī)基板外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了磁性?shī)A持載具，該載具采用均勻排布的永磁鐵，使有機(jī)基板邊緣承受相對(duì)均勻的面載荷。通過(guò)使用磁性?shī)A持載具，改善有機(jī)基板在再流焊過(guò)程中的翹曲，圖8 為磁性?shī)A持載具示意圖。

圖8 磁性?shī)A持載具示意圖

尺寸為29 mm×29 mm 的有機(jī)基板在使用磁性?shī)A持載具前后的共面性如圖9 所示。從圖9 可知，除初始的25 ℃外，在其他的溫度測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用磁性?shī)A持載具后的有機(jī)基板的共面性均有降低，尤其在高溫及降溫階段，使用磁性?shī)A持載具對(duì)有機(jī)基板翹曲的改善程度接近50%，同時(shí)，使用磁性?shī)A持載具后有機(jī)基板的共面性波動(dòng)幅度顯著降低，因此，磁性?shī)A持載具有效降低了溫度對(duì)基板翹曲的影響。但在25 ℃時(shí)，使用磁性?shī)A持載具后有機(jī)基板的共面性增大，可能增加基板形變的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)考慮有機(jī)基板的強(qiáng)度特性，使用COMSOL 等仿真軟件進(jìn)行仿真與理論計(jì)算，以選擇合適的磁力強(qiáng)度。

圖9 使用磁性?shī)A持載具前后有機(jī)基板的共面性

永磁鐵磁力F 的計(jì)算公式為

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率，B 為磁體與導(dǎo)磁材料作用處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S 為磁場(chǎng)與導(dǎo)磁材料作用面的面積。Br為磁體的磁化強(qiáng)度，B 是由磁體與磁介質(zhì)距離以及所使用的磁體材料特性決定的，L、W、H 分別為磁體的長(zhǎng)、寬、高，x 為物體與磁體的距離。

尺寸為29 mm×29 mm 的有機(jī)基板在使用磁性?shī)A持載具前后的表面形變情況如圖10 所示。

圖10 使用夾持載具前后有機(jī)基板的表面形變情況

由圖10 可知，使用磁性?shī)A持載具后有機(jī)基板的表面形變分布趨向均勻，形變引起的應(yīng)力集中情況得到改善。因此，使用磁性?shī)A持載具能降低再流焊過(guò)程中的翹曲最大值及變化幅度，使有機(jī)基板表面形變分布更均勻，有利于提升大尺寸倒裝產(chǎn)品的封裝良率及可靠性，但在使用時(shí)需選用合適的磁力，避免對(duì)有機(jī)基板造成不必要的損傷。

3.3 再流焊曲線優(yōu)化

再流焊的本質(zhì)是加熱處理，其核心工藝是再流焊曲線的設(shè)置，再流焊曲線的關(guān)鍵參數(shù)主要有升溫速率、峰值溫度以及降溫速率。升溫速率主要影響焊膏、助焊劑的揮發(fā)速度，揮發(fā)過(guò)快會(huì)導(dǎo)致焊料飛濺形成錫珠，通常將升溫速率設(shè)置在2 ℃/s 以下。降溫速率會(huì)影響基板翹曲、焊點(diǎn)質(zhì)量等[15-16]，依靠風(fēng)冷對(duì)再流爐降溫，其降溫速率非常緩慢，因此，在實(shí)際的再流焊曲線優(yōu)化中，受限于設(shè)備條件，調(diào)節(jié)降溫速率對(duì)改善基板翹曲的效果有限。本文重點(diǎn)研究再流焊過(guò)程中可調(diào)節(jié)幅度較大的峰值溫度，研究峰值溫度對(duì)有機(jī)基板翹曲的影響，提出再流溫度的優(yōu)化方法。不同峰值溫度下有機(jī)基板的共面性如圖11 所示。

圖11 不同峰值溫度下有機(jī)基板的共面性

由圖11（a）可知，當(dāng)峰值溫度分別為200 ℃、225 ℃、245 ℃、265 ℃、275 ℃時(shí)，尺寸為25 mm×25 mm 的有機(jī)基板的共面性分別為29.3 μm、40.5 μm、41.3 μm、49.5 μm 及43.7 μm。在265 ℃以下，隨著再流峰值溫度的升高，有機(jī)基板的共面性逐漸增大，當(dāng)基板表面溫度達(dá)到265 ℃后，有機(jī)基板共面性開始下降，這是因?yàn)樵诟邷氐淖饔孟?，有機(jī)基板的應(yīng)力得到釋放，應(yīng)變減小，表面變得“平順”。從圖11（b）可知，不同尺寸的有機(jī)基板共面性隨著再流峰值溫度的升高而增大，對(duì)于尺寸較大的有機(jī)基板，在275 ℃時(shí)其共面性仍未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此，其“平順”效應(yīng)與有機(jī)基板的尺寸存在一定的關(guān)聯(lián)。此外，再流峰值溫度設(shè)置過(guò)高也會(huì)影響焊點(diǎn)的質(zhì)量，過(guò)高的焊接溫度會(huì)使Ag3Sn、Cu6Sn5晶相細(xì)化，焊點(diǎn)IMC 層厚度增加，焊點(diǎn)塌陷度過(guò)高，從而影響焊點(diǎn)的強(qiáng)度與可靠性。

因此，對(duì)FCBGA 有機(jī)基板的再流焊曲線進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在確保再流峰值溫度高于焊接材料熔點(diǎn)至少15 ℃的前提下，應(yīng)盡可能地設(shè)置較低的再流峰值溫度，這不僅能改善有機(jī)基板的翹曲問(wèn)題，同時(shí)也能提高焊點(diǎn)的可靠性。

4 結(jié)論

本文采用熱形變測(cè)試儀研究再流焊過(guò)程中有機(jī)基板的尺寸、芯板厚度對(duì)基板共面性和形變的影響，再流焊過(guò)程中有機(jī)基板的共面性與基板尺寸正相關(guān)，與芯板厚度負(fù)相關(guān)。當(dāng)基板尺寸大于25 mm×25 mm 或芯板厚度小于400 μm 時(shí)，有機(jī)基板的共面性最大值超過(guò)60 μm?；灞砻嫘巫兎植紶顟B(tài)與芯板厚度也有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，芯板越厚，有機(jī)基板形變分布越均勻，越不易出現(xiàn)翹曲。針對(duì)存在較高翹曲風(fēng)險(xiǎn)的有機(jī)基板，本文從烘烤脫濕處理、夾持載具以及再流焊曲線優(yōu)化等方面提出改善措施。

1）在再流焊前，依據(jù)有機(jī)基板的濕敏等級(jí)對(duì)其進(jìn)行烘烤脫濕處理，可有效改善有機(jī)基板因吸濕導(dǎo)致的形變、分層。

2）在再流焊過(guò)程中，使用磁性?shī)A持載具可有效控制共面性波動(dòng)幅度，加裝磁性?shī)A持載具后有機(jī)基板表面形變分布更均勻，可有效避免熱形變?cè)斐傻膽?yīng)力集中、基板翹曲問(wèn)題，但夾持力會(huì)使有機(jī)基板發(fā)生輕微形變，導(dǎo)致初始狀態(tài)共面性增加，因此，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)結(jié)合仿真及理論估算，選擇合適的磁力大小及排布方式。

3）設(shè)置再流焊曲線時(shí)，在保證焊點(diǎn)充分熔融的前提下，盡可能降低再流峰值溫度及降溫速率，可有效改善有機(jī)基板翹曲，提高焊點(diǎn)可靠性。