摘要：

翹曲問題廣泛存在于基板類封裝產品中，對于堆疊芯片FPBGA 產品來說，控制產品的翹曲十分重要。在分析堆疊芯片FPBGA 產品翹曲度與材料的熱膨脹系數、體積、溫度變化量關系的基礎上，將翹曲仿真模擬和DOE 相結合，確定出模塑料和芯片是影響翹曲度的主要因素，并找到最優化值。測量基板和產品的實際翹曲度，對比印證了仿真模擬的正確性，為設計開發類似產品時減小翹曲度提供了有效參考。

1 引言

在電子封裝產品中，因為各種材料的熱膨脹系數(coefficient of thermal expansion，縮寫為CTE)不同，加上各材料的模量差異，在封裝生產過程中又經過不同的溫度變化，產品很容易出現翹曲變形的問題。對于一些高端封裝產品來說，翹曲的程度對產品的質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)封裝的產品，如果在前期產品設計時未充分考慮到翹曲問題，在后面的實際產品中就會有很大的風險出現產品內部芯片裂損、材料分層、產品外部平面度異常等一系列問題，最終可能造成產品無法成功生產。針對產品翹曲問題，國內外研究人員做過很多相關的分析研究，有關于模塑料原因產生的翹曲分析與解決，有關于堆疊芯片的翹曲仿真模擬分析，還有倒轉芯片產品的翹曲改善，但對于超薄芯片堆疊的FPBGA 產品的翹曲研究很少涉及。本文以一款超薄芯片堆疊FPBGA 產品為實例，通過翹曲理論分析和仿真模擬、試驗設計（Design of experiment，縮寫為DOE）與產品實際翹曲相結合，分析影響產品翹曲的關鍵因素，找到改善產品翹曲的途徑。

2 翹曲影響因素與類型

2.1 堆疊芯片FPBGA 產品封裝結構

該產品為一款典型的堆疊芯片封裝，球柵陣列的節距為0.50 mm，錫球采用Ф0.22 mm 的，根據產品的存儲容量不同，存儲芯片堆疊數目也不同，分為1 層、2層、4 層和8 層，產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 為前期設計概念圖，產品為5 層堆疊芯片的剖面圖，產品尺寸為13 mm×11.5 mm×1.3 mm，存儲芯片尺寸為12mm×10.7mm，控制芯片尺寸為4.8mm×1.5 mm。

2.2 產品翹曲影響因素

由于不同封裝材料的熱膨脹系數不同，在溫度發生變化后，導致各種材料的收縮率不一致；同時這些材料的彎曲模量也不同，當溫度發生變化后，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被迫拉伸變形，當拉伸力達到超過不同種材料間的粘合力時，不同材料間的粘合處就會出現分層/剝離，如CTE 差異大的模塑料和基板經過高低溫循環后，會出現翹曲甚至導致模塑料與基板分層；當拉伸力超過某種材料模量的極限強度時，就會造成該材料裂損，如翹曲導致的模塑料的拉伸力大于芯片的彎曲強度，導致芯片碎裂，如圖2 所示。產品是否會發生分層還是發生材料拉裂，受材料間的粘合力與材料彎曲強度影響。

將圖2 所示產品簡化結構建立如圖3 所示的簡化模型：將多層復合基板作為一種合應力材料；芯片裝片膜模量遠遠小于芯片且非常薄，對整個產品的影響可忽略不計，最終簡化模型由模塑料、芯片、基板組成，結合產品受力模型圖，對產品不同受力情況進行分析，溫度變化后，產品組成材料的CTE 不同產生的合應力使產品發生形變，隨著產品形變逐漸變大，需要的形變力也會增大，從而逐漸抵消因CTE 不同而產生的合應力，最終使產品受力平衡，產品翹曲形變停止。

公式（1）中，F 為溫度變化時不同材料產生的合應力，Fa、Fb、Fc 為模塑料、芯片、基板由于溫度變化產生的應力，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。

假設產品在175℃塑封模具中所有材料的應力為初始狀態，當溫度降低或者上升時，不同材料的應力開始發生變化，同時不同材料模量不同，合應力F 不斷變化，為使產品整體受力為零以達到平衡狀態，產品發生翹曲。

公式（2）是產品翹曲穩定后，各材料因CTE 不同在溫度變化后產生的應力。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 方向產生的應力。由于翹曲后方向通常都趨向于材料模量大的一側，實際封裝結構復雜使應力方向比較復雜，很難得到準確的翹曲角度。

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

根據力學原理，在力的平衡下，產品整體受力平衡，即F1=F2，得出公式(4)：

ΔT×α×V 實際上就是材料體積變化量ΔV，通過公式（4）可以發現，產品溫度發生變化，產品的體積跟著變化（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在產品上。各材料產生的應力ΔT×α×V× (E+L)和溫度變化量、熱膨脹系數、總體積及模量都有關系。

2.3 翹曲類型

以6 mm×6 mm×0.7 mm 的柵格陣列封裝產品為例，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品出現不同類型的翹曲：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，就產生應力差，當這個應力差大于基板抗形變的力度時，基板因受力被迫變形。反向翹曲產生的機理則與之相反。

3 基板與產品翹曲仿真模擬

產品發生翹曲的影響因素較多，使用ANSYS13.0軟件進行翹曲仿真模擬，并結合DOE 驗證，如圖5 所示，對該FPBGA 產品建立模型，分別仿真模擬整條基板和單顆產品的翹曲程度。該產品基板翹曲太大將無法進行錫球焊接，在對產品翹曲仿真進行模擬的同時，也對基板翹曲程度進行仿真模擬。

封裝產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），DOE 設計如表2 所示，產品、基板翹曲程度分別為翹曲1 和翹曲2（175 ℃塑封時為初始狀態，冷卻到室溫25℃時）。

將DOE 結果展開如圖6 所示，從圖上可以看出，模塑料CTE 和芯片厚度是影響產品、基板翹曲的主要因素，基板CTE 是影響翹曲的次要因素。結合2.2 節應力大小由ΔT×α×V×(E+L)決定，可以推斷出模塑料CTE 是影響產品、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，這更進一步說明模塑料是影響產品、基板翹曲的最關鍵因素。

通過DOE 響應優化圖（圖7）找到產品最小翹曲的因子組合，當模塑料、基板的CTE 最小、芯片厚度為445 μm 時，基板翹曲和產品翹曲最小。

4 基板與產品翹曲測量驗證

通過測量制作樣品的翹曲，確認是否和仿真模擬結果相同，為了減少樣品試驗數，僅驗證確認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，主要是模塑料進一步充分反應以及部分應力受熱釋放；降翹曲烘烤基板翹曲減低較小，外在機械矯正時應力已經非常小，應力釋放有限。

4.2 產品翹曲實際測量與分析

使用投影波紋儀shadow morie 測量實際產品在不同溫度下的翹曲：從25 ℃到175 ℃，所有產品呈反向翹曲由大變小；從175℃到260℃，所有產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際產品翹曲度來看，模塑料和芯片的厚度是影響產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品的翹曲度。

將基板和產品的仿真模擬翹曲度和實際產品翹曲度（從175 ℃降到室溫25 ℃時）進行比較，如圖10所示，翹曲度存在一定的差異，這是由于實際產品中芯片厚度及其堆疊厚度均會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 結論

文章以一款典型堆疊芯片FPBGA 產品為實例，從理論上分析產品翹曲是由于各種材料CTE 不匹配、體積收縮不一致造成應力不同而導致，其與溫度變化量、材料CTE 和總體積相關。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品翹曲，為類似堆疊芯片FPBGA 產品設計時減小翹

曲提供了較好的參考。

審核編輯 ：李倩