三维封装铝基板的形变控制研究

刘凯 任卫朋 丁蕾

摘  要：采用選择穿透性阳极氧化方法制作了一种阵列型三维封装铝基板。利用ANSYS有限元法分析了三维封装铝板的应变，并从铝的纯度和掩膜两个方面优化设计，有效控制了铝板穿透性氧化后的形变和裂纹。

关键词：三维封装;阳极氧化铝;有限元分析;应变

中图分类号：TN405        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）25-0028-04

Abstract： An array type of three-dimensional packaging aluminum substrate has been fabricated by the method of selective penetrating anodization. The deformation contours of the aluminum plate are analyzed by ANSYS， and optimized process design from the purity and the mask of the aluminum. The quality of the aluminum substrate such as deformation and crack after penetrating anodization was effectively controlled.

Keywords： three-dimensional packaging; anodic aluminum oxide; finite element analysis; deformation

1 概述

数字、微波模块的系统级封装中，主流的电子封装形式为球栅阵列封装（BGA）和三维堆叠封装[1-3]。本文采用选择穿透性阳极氧化铝技术，在铝板上选择性阳极氧化，原位形成铝通柱和氧化铝介质，该技术工艺流程简洁，可用于制作含有类似TSV结构的三维封装基板，实现基板布线层和焊球UBM的垂直导通，从而降低了成本，减小了封装体积，缓解了信号拥堵[4-5]。

2 三维封装铝板的设计与实现

本文设计了圆环阵列型版图，铝板上制作图形掩膜后可分成三个区域：通柱区域、介质区域和栅格接地区域。通柱和接地区域的铝表面掩膜保护，介质区域的铝表面无掩膜，与电解液接触后发生阳极氧化反应。基板穿透后氧化铝介质包围铝通柱，形成类似TSV结构，栅格地大大增强了基板强度。

图1为穿透阳极氧化铝基板的光学照片，从图中可见铝通柱规则的分布在氧化铝介质中央，通过测量通柱和栅格地间的阻值，检验铝通柱的形成。铝基板剖面结构如图2所示，从图中可见，穿透性阳极氧化后，形成了类似TSV结构的铝通柱，贯穿基板上下表面，基板的厚度约350μm，基板内的栅格地由大面积的铝组成，栅格地一方面可以增强基板的结构强度，另一方面也能提高散热能力，因此，可以作为一种新型三维封装基板。

3 应变仿真与形变控制

铝板穿透氧化后，在氧化铝的膨胀应力下，基板易形变，本文以ANSYS软件有限元算法为基础，对穿透基板的应变进行仿真，优化基板的制作流程，减小形变量。

选取PLANE223单元类型，每个单元包含8个节点（四面体划分），每个节点有平面二维方向上的位移自由度及温度自由度，应力作为面载荷加载在结构平面上，正应力指向结构的内部，温度作为载荷施加在节点上，材料参数设定如下表1。

ANSYS有限元仿真应变云图如图3所示，从图中可见，基板边缘有一个完整的零应变环形区域，基板内应变连续分布，最大点出现在图形边缘的介质区域，由于零应变环限制了基板在XY平面内的体积膨胀，导致基板内部的应力无法从边缘释放。由于基板在Z方向的体积膨胀没有束缚，因此铝板穿透后出现凸出的弧形褶皱，如图4所示。

基板边缘取消接地铝环，使氧化图形分布于整片基板表面时，ANSYS有限元仿真结果如图5所示，由于基板边缘没有闭合的零应变区，应力有释放出口，并且基板上应变分布更均匀，大部分区域应变在10-7量级（含有接地铝环时，大部分区域应变在10-6量级，如图5），可有效降低穿透氧化基板形变，通过实验验证，氧化图形布满基板后，形变显著减小，基板褶皱消失，如图6所示。

通过ANSYS仿真，半固化掩膜可进一步降低穿透铝基板的应变，如图7所示，从图中可见，基板上最大应变值进一步降至10-7量级，基板整体应变在10-8～10-7量级间（小于固化掩膜的穿透基板）。通过实验，使用半固化掩膜，随着氧化的进行掩膜逐渐溶解，氧化铝膨胀的应力可向空间任意方向释放，缓解了介质区内部的应力积累，基板形变显著减小，如图8所示。综上分析可得，消除零应变环和固化掩膜都能有效减小基板形变。

根据铝-阳极氧化铝穿透基板的应变仿真结果，基板内氧化铝应变最大。膨胀应力下氧化铝产生裂纹，进而可能残存未氧化铝丝，影响基板可靠性，如图9所示。分析认为：穿透性氧化过程中，介质区的体积变化受到铝通柱和铝栅格地的阻挡，当应力积累到一定阶段时，氧化铝内部首先挤压出裂纹，最终压力得到释放，如图10所示。

经过大量实验，当铝板中含有少量不发生阳极氧化的Fe、Si成分时，可避免产生阳极氧化裂纹，如图11所示。经过分析，Fe、Si等杂质随着氧化的进行，脱落到电解液中，从而在铝板原位上留下“空位”，氧化铝膨胀后占据“空位”，从而避免了应力积累，因此氧化内部没有裂纹，如剖面图12所示。

4 结论

本文通过选择穿透性阳极氧化方法，制作了一种阵列型三维封装铝基板，通过ANSYS应变仿真和穿透阳极氧化实验，解决了阳极氧化应力积累的问题，有效控制了基板形变和介质内裂纹，制备了一种含有类似TSV结构，表面平整、介质内部完整的三维封装铝基板。

参考文献：

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