薄型IC 封装基板翘曲分析与设计优化

张 波,谢添华,,崔永涛,肖 斐

(1.复旦大学材料科学系,上海 200433;2.广州兴森快捷电路科技有限公司,广东广州 510663)

高密度封装基板作为集成电路(IC)封装核心组件,承担了与芯片形成一级互连的关键角色。更薄的封装基板有助于减小封装尺寸并带来更好的电学性能。但基板薄型化后,自身抗弯刚度下降,易发生翘曲,超过一定限度的基板条翘曲会影响芯片与基板的贴装良率及可靠性。

封装体翘曲与原材料选用、结构设计及制造工艺中的温度-机械作用关系紧密。有限元法常被用于研究翘曲问题,Lin等[1]研究了基于无芯基板组装的封装上封装(PoP)的翘曲特性。刘培生等[2]研究了板级细间距球栅阵列封装(FBGA)在注塑成型过程中的带状翘曲。Lin等[3]通过改进无芯基板的叠层结构改善了封装体的翘曲。采用力学计算方法分析翘曲方面也有报道。Park等[4]基于多层板理论提出了双曲率模型以解析芯片尺寸封装(CSP)与板上芯片封装(COB)的温变翘曲。陈轶龙等[5]通过求解多层板弯曲微分方程,得到了PoP模组温变翘曲的解析表达式。目前对于薄型封装基板条在制造过程中翘曲的研究还较少,基板条具有厚度与长、宽尺度相差悬殊的结构特点,利用有限元法进行研究存在计算量大、效率低的问题;而复杂的翘曲影响因素又使得正交试验加工基板的成本高昂。针对以上问题,笔者基于多层板弯曲理论与对称性分析提出了一种薄型封装基板设计参数计算与翘曲的评估方法,对基板特征参数设计不平衡问题进行了计算优化,并通过试制参数优化后的基板样品与有限元模拟验证了该分析方法的可行性,最后讨论了特征参数不平衡对基板翘曲的影响。

1 基板翘曲优化及计算方法

1.1 非平衡特征参数与基板材料参数等效分析

影响基板翘曲的因素较为复杂,如基板材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数(CTE)、各层结构厚度(阻焊层、布线层、介质层及芯板层等)及特征参数(布线层残铜率、顶底面阻焊开窗率等)。本文重点关注基板特征参数对翘曲的影响。特征参数一般由客户电路布线设计确定,若设计中存在失衡,基板便极易在室温下发生翘曲超标。对于常规倒装封装基板,其布线层总残铜率一般介于65%～85%,阻焊开窗率一般在5%～20%。特征参数失衡主要体现为各布线层残铜率存在差异及上下阻焊层开窗率不一致。为应对这类基板设计失衡导致的翘曲问题,针对性地设计了表1中的特征参数组合用于分析优化,表2给出倒装封装基板常用材料参数。

表1 非平衡基板特征参数设计组合Tab.1 Unbalanced substrate design features

表2 封装基板材料参数Tab.2 Material parameters for package substrates

在分析优化过程中,特征参数残铜率与开窗率的影响可通过计算布线层与阻焊层的等效材料参数纳入分析。特征参数值可转化为不同材料占该层结构的体积比。布线层材料参数可依残铜率由铜箔与阻焊材料等效计算,等效参数计算公式[4,6]如下:

式中:Eeff为等效弹性模量;μeff为等效泊松比;αeff为等效CTE;E、μ和α为各材料组分的弹性模量、泊松比与CTE;V为材料组分的体积分数。

阻焊层开窗后对应区域的材料被去除,在开窗率相对较小的情况下,可以假定其对阻焊层整体的CTE无显著影响,阻焊层等效弹性模量及泊松比,可按开窗率进行折算。

1.2 基板结构与对称性指标计算

基板翘曲状态与基板结构、材料设计的对称性关系紧密,分析并优化基板的对称性,需关注两个指标[7]:

(1)基板中性面与几何中面位置差。在对称设计的理想基板结构中,叠层结构的中性面会与几何中面重合。两层布线倒装封装基板结构如图1所示,中性面位置可以通过弹性力学方法计算[5]:

式中:z0为中性面在基板中的位置;Hi与Hj为各层材料的厚度;Ei为相应的等效弹性模量;μi为等效泊松比;对于两层布线基板,计算时k应取值为5。

图1 两层布线封装基板及沿结构中性面分割的两层等效层Fig.1 Simplify the package substrate to a bi-layer equivalent model along the neutral plane

(2)基板等效上下层CTE差。基于Egan等[8]对两层材料叠层结构弯曲特性的分析,可将基板沿着中性面划分为图1中的上下两层结构,并依据公式(2)分别计算这两层的等效CTE。翘曲最小的基板结构设计应满足上下等效层CTE之差最小。

1.3 基于板壳模型的基板翘曲计算方法[4-5]

封装基板结构可简化为由多种材料相叠而成的多层板结构。结构失衡与材料性质的失配会影响结构的翘曲状态。当温度发生改变时,各层材料形变不一,但作为一个整体需要保持结构变形协调,层间接触应力也应保持匹配。根据封装基板的结构特点,可将基板温变翘曲简化为平面应变问题。基板条温变翘曲挠度可通过求解方程(4)获得:

式中:D为基板的弯曲刚度;w为基板的挠度;MT为温变所致弯矩,若结构温度变化与位置无关则MT为常量。

考察MT为常量的理想情况,结合基板长短边处弯矩与扭矩为0的自由边界条件,可获得基板挠度的特解w=C(x2+y2)。计算板边挠度时x、y分别为基板条长宽值的一半,变量C与被考察点在基板上的位置有关,在板边上的C值为:

式中:αi为各层材料的等效CTE;zi为各层材料到多层板结构中性面的距离。通过计算基板板边挠度值可评估基板的温变翘曲。实际基板制作完成后,一般会在150℃温度下烘烤以释放结构内部的残余应力,而降温至室温时,多层板非平衡的结构设计与材料间CTE失配会导致翘曲出现。因而计算时设定150℃为参考温度,考察基板降温至25℃时的翘曲。

1.4 基板翘曲的有限元分析方法

有限元法可应用于分析基板翘曲问题,由于实际基板条中最薄的材料层可能仅为十几微米,为了保证良好的网格质量,并缩减计算时间,分析采用了基板截面二维有限元模型。设定网格大小为20 μm,封装基板的模型结构局部与相应网格划分如图2所示。

计算基板翘曲时选择平面应变单元,设定参考温度为150℃,室温25℃为温度载荷,边界条件设置为自由边界,与板壳模型计算过程保持一致。利用有限元法参数化分析可对基板非平衡设计所致翘曲进行优化,也可对板壳模型分析结果进行验证。

图2 两层布线封装基板模型局部及网格划分Fig.2 2D FEM and mesh of the package substrate

2 结果与分析

2.1 板壳模型基板翘曲优化结果

针对表1中的非平衡设计基板进行优化分析,考察长、宽为240 mm×74 mm的封装基板条。基于一般的叠层厚度设计,设定芯板厚度为100 μm,两布线层厚均为20 μm。阻焊层厚度常被用于调整基板翘曲,可固定底阻焊厚度为常规设计值30 μm,分析基板对称性并计算理论翘曲最小时的顶阻焊厚度。所得分析数据总结于表3,其中Dev为结构中性面与几何中面间的距离;CTE差指基板等效为两层结构后上、下等效层的CTE差;翘曲值为板壳模型计算结果。

表3 非平衡设计基板条的优化计算结果Tab.3 Optimized results for the substrate with unbalanced design features

从表3可以看出,优化的顶阻焊厚度比常规设计值30 μm略低,优化后基板翘曲计算值均低于通行验收标准(翘曲值＜基板对角线长度的0.5%,本例对应值为1.25 mm)。

2.2 基板试制结果分析

为了验证上述分析方法与计算结果的可靠性,选择编号4的非平衡设计按照优化的顶阻焊厚度试制基板并进行翘曲测试。依据布线线路特点,制作封装基板时可采用减成法、加成法或半加成法等[9]。本文采用减成法(Tenting)进行加工,基板完成总厚度约为0.2 mm。为了便于对比,将顶阻焊厚度加工目标值分别设置为优化后的27 μm和常规设计值30 μm。图3为顶阻焊厚度为30 μm的试验基板截面。在基板实际加工中,因工艺波动,各层材料厚度相较于目标值存在一定的正负偏差。

图3 顶阻焊厚度为30 μm的试验基板截面Fig.3 Cross section of the trial substrate with 30 μm top solder mask

经过150℃后烘工序后,利用塞规测量基板翘曲值,量具的测量范围为0.20～4.98 mm,测量间隔为0.02 mm。图4比较了随机抽检的两种顶阻焊厚度设计下各五条基板的翘曲测量值(优化设计样品标记为a～e,常规设计样品标记为f～j)。结果表明,基于常规顶阻焊设计值加工的试验基板平均翘曲为1.90 mm,而优化后的基板翘曲均值仅为0.68 mm,翘曲状况明显改善,且满足通行翘曲验收标准(＜1.25 mm)。以上通过试制基板验证了本文优化设计方法的可行性。

图4 优化设计基板与常规设计基板实际翘曲值对比Fig.4 Comparison of substrate warpage with and without optimization

2.3 基板翘曲的有限元分析

受基板试制成本及加工周期所限,未能对全部非平衡设计基板进行试验验证,鉴于有限元分析是一种常用且较为准确的计算方法,可利用其对表3中九组非平衡设计基板条结构进行优化,计算基板最优翘曲值,并与表3中板壳模型优化值一并绘制于图5中。

图5中数据表明,有限元模拟所得翘曲值与板壳模型结果较为一致,均满足通行的翘曲验收标准。顶阻焊优化厚度值方面,除编号2,3,9的有限元结果与表3中对称性分析顶阻焊厚度值有1 μm左右的偏差外,其他项结果保持了一致。而这一偏差可能由对称性分析计算顶阻焊厚度值时的简化过程所致。考虑到基板生产加工中的误差,这一偏差对于翘曲优化在实际应用中的影响较小。

以上通过有限元分析进一步验证了本文板壳模型方法优化基板设计的可靠性。相比于有限元分析,该方法简化了复杂建模过程,计算更为便捷。比较编号4试验板的翘曲实测值与两种计算方法所得理论翘曲值,两者之间也存在一定的偏差,除了计算方法上的近似处理因素外,复杂的基板加工过程及工艺波动也是造成这一偏差的重要原因。

图5 有限元法与板壳模型优化非平衡设计基板翘曲对比Fig.5 Comparison of the optimized substrate warpage by the FEM and the lamination theory

2.4 非平衡特征参数对基板翘曲的影响

基于前述基板结构设定,固定顶底阻焊均为30 μm,采用板壳模型分别计算表3中九组基板的理论翘曲值,并根据计算结果分析了残铜率差与开窗率差对基板翘曲的主效应,结果如图6所示。

图6 影响基板翘曲的特征参数主效应分析Fig.6 Main effect analysis for warpage by design features

结果表明,两层布线倒装基板翘曲对阻焊层开窗率的平衡性更为敏感,降低开窗率差是优化基板条翘曲更为有效的方法。

3 结论

针对两层布线倒装基板结构,本文采用基板对称性分析与板壳模型计算方法优化了布线残铜率差与阻焊开窗率差介于5%～15%的非平衡设计基板,获取了最优的加工设计参数,其翘曲计算值均满足通行验收标准。按照顶阻焊厚度优化值试制基板的实验结果和有限元分析基板翘曲的优化结果均验证了板壳模型优化方法的可行性与可靠性。基于板壳模型分析特征参数的主效应表明,两层布线倒装基板的翘曲对顶底阻焊层开窗率差更为敏感。相比于成本高昂的正交试验与计算耗时的有限元分析,采用板壳模型方法可更为便捷地分析基板制造过程中的翘曲问题,对于各类有芯及无芯基板的翘曲优化有良好的参考价值。