摘 要：集成电路正在向小型化、高集成度的方向发展，回流焊工艺已成为其组装过程中的关键技术。在回流焊过程中集成电路容易发生热翘曲现象。采用阴影云纹法对PBGA1296、PBGA1024器件在不同回流焊温度、升降温速率的回流焊工艺下的热翘曲进行测量，在此基础上通过建模仿真对实验结果进行分析。结果表明，采用表面贴装技术(SMT)的 BGA 器件的热翘曲会随着回流焊温度的升高而增大，回流焊升降温速率较快同样会导致严重的热翘曲。实验结果与仿真结果高度一致，进而验证了仿真模型的准确性和有效性。采用实验结合有限元分析的方法为改善集成电路热翘曲提供了参考。
关键词：封装技术；回流焊；SMT器件；热翘曲。
00引言
随着信息技术的发展,集成电路逐渐向小型化和高集成度的方向发展。表面贴装技术(SMT)的应用越来越广泛,其包含球栅阵列(BGA)、精密间距球栅阵列(FBGA),倒装芯片触点阵列封装等多种封装形式。SMT器件具有散热性能好、引线电感及电阻小、IC可靠性高等优点[1-2]。但是,SMT的发展同样也对集成电路组装工艺过程中的可靠性提出了更高要求。集成电路在高温回流焊过程中容易发生形变,导致其偏离均匀共面性的理想状态,即发生热翘曲。热翘曲在很大程度上是由于材料的热膨胀系数和器件的结构参数差异造成的,同时也会受到器件吸湿情况的影响。
20世纪 80年代，国外学者使用热翘曲无损检测方法评估SMT工艺过程中的热翘曲现象。XUE等建立了尺寸为12mmx12mm的FPBGA的3D模型,该模型为原结构的1/2模型;模拟封装体在25~175℃温度载荷下的热翘曲现象,仿真与实测结果的平均值误差小于7%。LI等[5]运用有限元分析与实验相结合的方法,研究了不同回流焊温度下PBGA 的热翘曲现象以及控制翘曲的机理。刘海龙等[6]基于有限元分析对采用叠层封装(PoP)技术的封装体进行建模,在潮湿环境中对封装体进行了吸湿和解吸附分析,研究吸湿膨胀引入的湿应力和回流焊引入的热应力对PoP可靠性的影响。李呈龙等[8]利用有限元分析法,通过设计芯片仿真和板级封装仿真等实验,分别探究了环氧塑封料的泊松比对芯片翘曲、芯片界面应力以及板级封装焊点寿命的影响。王红霞等[9]采用云纹干涉法研究了具有穿透模塑通孔(TMV)结构的PoP封装体的热翘曲及可靠性。本文采用阴影云纹法测量 SMT器件在不同回流焊工艺参数(回流焊温度、升温速率)下的热翘曲,并通过建模仿真对实验结果进行对比分析。
01热翘曲实验及分析
本文采用BGA封装形式的PBGA1296和PBGA1024 器件进行热翘曲实验,PBGA1296器件的尺寸为37.4mm×37.4mm,共有1296个焊球:PBGA1024 器件的尺寸为33.0mm×33.0mm,共有1024个焊球,2种器件的外形如图1所示,器件的主要参数如表1所示。
表1 PBGA1296和PBGA1024器件的主要参数
组成部分
材料
密度/（kg·m-3）
热膨胀系数/(10-K)
热导率/[W/(m·K)]
比热容/[I/(kg·K)]
杨氏模量/GPa
泊松比
芯片
Si
2300
2.8
131.00
721
131.0
0.28
IC载板
ABF膜
2000
9.0
0.63
920
7.0
0.3
填充料
有机树脂
1800
29.0(Tg＜100℃)
0.45
1300
11.0
0.3
100.0(Tg≥100℃)
焊球
SnAgl.8
7400
55.0
55.0
217
46.9
0.36
注:Tg,为玻璃化转变温度。
（a）PBGA1296
（b）PBGA1024
图1 PBGA1296、PBGA1024器件的外形
实验采用TherMoiré PS400翘曲测量系统，该系统能满足标准JESD22-B112B中的要求，采用阴影云纹法模拟并测量SMT器件在回流焊过程中的热翘曲值。PBGA1296和 PBGA1024器件的工艺参数设置如表2所示。
不同工艺参数下2款器件的热翘曲测量结果如表3所示。当峰值温度由240℃升高至300℃时,PBGA1296的最大热翘曲值从112.6um增加到136.8μm,PBGA1024的最大热翘曲值从87.2μm增加到121.8μm,在升温速率相同的条件下,随着温度的升高,器件的热翘曲明显增大。当峰值温度为260℃时，对比2款器件在不同升降温速率下的热翘曲值PBGA1296的最大热翘曲值从113.6μm增加到148.6μm,PBGA1024的最大热翘曲值则从89.2μm增加到129.0μm。由此可知,升降温速率越快,热翘曲越大。在不同的工艺参数下,PBGA1024的最大热翘曲值均小于PBGA1296，这是因为PBGA1296与PBGA1024在结构刚度上存在显著差异。
表2 工艺参数设置
器件
峰值温度/℃
升降温速率/(℃·s-1)
PBGA1296
240
1.5
260
1.5
300
1.5
260
1.0
260
2.0
PBGA1024
240
1.5
260
1.5
300
1.5
260
1.0
260
2.0
表3 不同工艺参数下热翘曲测量结果
器件
峰值温度/℃
升降温速率/(℃·s-1)
最大热翘曲值/um
PBGA1296
240
1.5
112.6
260
1.5
125.0
300
1.5
136.8
260
1.0
113.6
260
2.0
148.6
PBGA1024
240
1.5
87.2
260
1.5
105.9
300
1.5
121.8
260
1.0
89.2
260
2.0
129.0
02仿真分析
2.1 模型建立
在实验研究的基础上,通过建立几何模型、获取材料参数、设置边界条件,有限元求解及后处理等步骤进行仿真分析。PBGA1296和PBGA1024器件均为对称结构，可以建立2者的1/4几何模型并对其进行分析,1/4几何模型如图2所示。设定理想绝热面温度作为热边界条件,确保在仿真过程中器件与外界无热交换。在结构对称边界上施加了法向零位移约束，限制边界在法向方向上发生位移。对称边界条件如图3所示，
2.2 仿真与分析
基于不同的工艺参数及器件材料参数,得到了对应的仿真结果,将仿真与实验结果进行对比分析。峰值温度下典型的温度场和应变场分布情况如图4所示。由于采用了 1/4几何模型进行仿真,器件的温度场和应变场均呈现出四角高、中间低的分布特点。
（a）PBGA1296 （b） PBGA1024
图2 1/4几何模型
图3 对称边界条件
（a）温度场分布
（b）应变场分布
图4 典型的温度场和应变场分布情况
图5 典型的热翘曲仿真与实验结果对比
典型的热翘曲仿真与实验结果对比如图5所示。2者在整体趋势上基本一致，进而验证了仿真模型的有效性。
热翘曲仿真与实验结果对比如表4所示。在升温阶段,PBGA1296的最大热翘曲仿真值从114.5μm增加至132.0μm,而PBGA1024的最大热翘曲仿真值从94.0μm增加至109.6μm，随着回流焊峰值温度的升高,热翘曲值相应增大,仿真结果与实验结果一致。热翘曲值与温度之间呈正相关关系,这是因为在高温环境下,器件所受热应力增大,进而导致热翘曲现象更为显著。
表4 热翘曲仿真与实验结果对比
组别
工艺参数
PBGA1296 最大热翘曲值
PBGA1024 最大热翘曲值
实验值/um
仿真值/um
误差率/%
误差率/%
仿真值/um
误差率/%
1
240℃,1.5 C/s
112.6
114.5
1.69
1.69
94
7.8
2
260℃,1.5 C/s
125
123.2
1.44
1.44
101.8
3.9
3
300℃,1.5 C/s
136.8
132
3.51
3 51
109.6
10
4
260℃,1.0 C/s
113.6
118
3.87
3.87
96
7.6
5
260℃.2.0 C/s
148.6
145
2.42
2.42
124.9
3.2
对比组4和组5的最大热翘曲仿真值，随着升温速率的增加,PBGA1296的最大热翘曲仿真值从118.0μm增加至145.0μm,PBGA1024的最大热翘曲仿真值从96.0μm增加至124.9μm这是因为较快的升温速率加剧了器件各部分温度的不均匀性,进而增大了热膨胀系数的差值,导致整体翘曲程度增大。仿真结果与实验结果的误差均小于8%，说明2者基本一致，热翘曲值与升温速率呈正相关性。
03结论
本文结合阴影云纹法和有限元仿真技术，对PBGA1296和PBGA1024器件在不同回流焊温度和升降温速率下的热翘曲情况进行研究。结果表明,热翘曲值与温度呈正相关关系,即温度越高,器件的热翘曲值越大;同时,较快的升降温速率也会导致更大的翘曲。
在实际生产中，由于器件的材料和几何结构不同,其热翘曲形状也会呈现出多样性,如正向翘曲、负向翘曲。本文所研究的热翘曲结果仅限于PBGA1296和PBGA1024这2款特定器件，并不能直接作为所有器件热翘曲变化的普遍规律。本文所采用的实验与有限元仿真相结合的研究方法,可以用于研究各类器件在回流焊过程中的热翘曲行为。
