李 進，邵志鋒，邱 松，沈 偉，潘旭麒

（1.昆山興凱半導(dǎo)體材料有限公司，江蘇昆山 215301；2.無錫華潤華晶微電子有限公司，江蘇無錫 214061）

1 引言

微電子封裝技術(shù)經(jīng)歷了針腳插裝（PTH）、表面貼裝（SMT）、面陣列封裝（AAP）、系統(tǒng)級封裝四個階段。目前封裝主流正處在第三階段的成熟期[1-4]，球柵陣列封裝（BGA）憑借其I/O 端數(shù)量多、成品率高、信號傳輸距離短、速度快等優(yōu)點成為主流封裝形式[5]。BGA 中基板、芯片以及環(huán)氧塑封料（EMC）的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異引起了三種材料形變的差異，故導(dǎo)致翹曲的產(chǎn)生。BGA 是在220 ℃以上的溫度下將產(chǎn)品焊接在電路板上，降至常溫時常伴有翹曲現(xiàn)象。隨著封裝尺寸的逐漸增大，翹曲量也會增大。如果翹曲過大，會造成切割困難甚至導(dǎo)致回流焊焊接不良，對產(chǎn)品機械強度及可靠性產(chǎn)生不利影響[6]。進行BGA 封裝時，從成型溫度到冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的過程，EMC 的收縮量與BT 基板相比大很多，從而會形成凹形翹曲，在EMC 的Tg以下，EMC 的熱膨脹系數(shù)與基板相比小很多，凹形翹曲度逐漸減小，所以BGA 封裝的翹曲度在Tg附近達到峰值。

有限元法（FEM）憑借計算機的快速計算能力成為一種高效的模擬仿真分析方法，常被用于研究翹曲問題。在多數(shù)FEM 研究中EMC 被簡化成線彈性材料[7-8]，然而EMC 作為一種熱固性材料是具有粘彈性的[9]，EMC 的一些特性會隨著溫度或時間變化而改變，比如在恒定溫度下，隨著時間的推移，EMC 會產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)；在不同的溫度范圍，EMC 的熱膨脹系數(shù)是不同的，所以將EMC 的粘彈性引入FEM 分析中至關(guān)重要。本文采用FEM 分析對EMC 產(chǎn)品EK-7600GS進行了模擬研究，確定翹曲改善方向后，對實際產(chǎn)品進行封裝測試。

2 低翹曲BGA 用EMC 設(shè)計

芯片與EMC、引線框架以及基板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配是影響半導(dǎo)體封裝翹曲的因素，通常通過EMC 的物性和厚度、引線框架以及基板的物性和設(shè)計來控制翹曲。設(shè)計參數(shù)的確定廣泛采用FEM 分析，但通常假定EMC 為彈性體。由于實際的EMC 具有溫度依賴性和應(yīng)力松弛特性，因此使用熱-粘彈性分析來進行高精度翹曲預(yù)測的研究。

在本研究中，考慮到EMC 的粘彈性，將固化收縮率引入FEM 分析的方法。以BGA 為對象，除了成型溫度開始到冷卻過程產(chǎn)生的翹曲外，還對加熱過程直至回流溫度的翹曲進行了分析。

要達到BGA 封裝的低翹曲度，一般從三個方面入手：1）提高材料的Tg；2）增加無機填料如硅粉的填充，從而降低材料的熱膨脹系數(shù)；3）降低材料的高溫模量。通過對這三個方面的改善，從而降低BGA 的翹曲量，提高產(chǎn)品的合格率以及可靠性。

2.1 提高材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

通過三組具有不同Tg的EMC 產(chǎn)品EK-7600GS研究Tg對翹曲量的影響，EMC1～EMC3 三組材料的Tg分別為115 ℃、135 ℃、175 ℃，結(jié)果如圖1 所示。將凹形翹曲定義為“＋w”，凸形翹曲定義為“－w”，即正值代表凹形翹曲，負值代表凸性翹曲。成型溫度下觀測的翹曲被認為是沒有應(yīng)力的，即僅受樹脂硬化收縮的影響。從圖1 中可以看出，溫度在達到材料Tg前，凹形翹曲隨著溫度的升高逐漸變大，當(dāng)溫度達到材料Tg點后，翹曲逐漸減小并朝著凸形翹曲發(fā)展。Tg值的增大對凹形翹曲有所改善。當(dāng)溫度達到200 ℃以上時，EMC1～EMC3 的翹曲情況差異不大，因此僅僅通過提高材料Tg并不能有效改善翹曲。

圖1 Tg 對翹曲的影響

2.2 降低材料的熱膨脹系數(shù)

在環(huán)境溫度變化過程中，熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致了不同材料的收縮，以及膨脹形變的差異，從而引起翹曲。BGA 封裝中，不同材料的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系如圖2 所示，可以發(fā)現(xiàn)，EMC 與BT 基板以及硅芯片（Die）間的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，高溫段尤為明顯。通過增大SiO2的加入量，從而縮小高溫段EMC與BT 基板的熱膨脹系數(shù)差。EMC 的熱膨脹系數(shù)在溫度超過Tg后大幅度增大，而BT 的熱膨脹系數(shù)的增大幅度較小。溫度達220 ℃后，由于玻璃纖維的影響，BT熱膨脹系數(shù)開始下降。這樣，高溫時EMC 與印刷電路板的熱膨脹就很難匹配，翹曲的管理變得更難。并且過高的填充料勢必引起流動性以及材料強度等方面的問題，故填料量應(yīng)控制在合適范圍。

圖2 不同材料的熱膨脹系數(shù)

2.3 降低材料高溫模量

模量的高低反映了材料抵抗彈性變形的能力，即模量越大，材料剛性越大。在EMC 中，高溫模量的降低能夠有效降低高溫區(qū)域翹曲的驅(qū)動應(yīng)力，增大應(yīng)力緩和效果，減小EMC 材料的熱膨脹量，從而減小翹曲。但過低的模量往往使得材料抵抗外部破壞的能力降低，未能對芯片起到應(yīng)有的保護作用。故EMC 模量應(yīng)控制在一個合適的范圍（25 ℃：15000～25000 MPa，260 ℃：500～2000 MPa），在該范圍內(nèi)既能減小翹曲又能對芯片提供必要的保護。

3 實驗

基于以上分析，開發(fā)一款環(huán)氧塑封料EK-7600GS來解決BGA 封裝的翹曲問題，并驗證該款材料的其他性能是否滿足制程工藝要求。

3.1 主要原料及含量

EK-7600GS 主要原料及其含量占比如表1 所示。其填充料（硅粉）為全球型。作為一款環(huán)保材料，阻燃劑不含鹵素，采用的是金屬氫氧化物/磷化合物。

表1 EK-7600GS 主要原料及含量

3.2 樣品制備過程

按照表1 所示原料設(shè)計配方，制成高流動性、低翹曲性EMC。EMC 原料經(jīng)細粉碎及充分混合后，在25 ℃/105 ℃的冷/熱滾輪上熔融及混煉約4 min；將EK-7600GS 刮下呈約2.5 mm 的薄片狀，再經(jīng)冷卻、粉碎及混合過程，并壓制成?90 mm 的餅料。

3.3 主要儀器設(shè)備

針對EK-7600GS 的主要測試設(shè)備及測試項目如表2 所示。通過相關(guān)測試項目，得到材料特性數(shù)據(jù)，可作為材料判定及工藝調(diào)整參照。

表2 主要測試設(shè)備及項目

4 結(jié)果與分析

4.1 EK-7600GS 主要特性數(shù)據(jù)

EK-7600GS 經(jīng)測定，其主要特性數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 EK-7600GS 主要特性數(shù)據(jù)及指標(biāo)

4.2 EMC 收縮率模型建立

對做了后固化（PMC）和未做后固化的樣品進行收縮量與溫度關(guān)系的研究，結(jié)果如圖3 所示。對于熱固性材料，首先在熱熔固化過程中發(fā)生固化收縮，然后在冷卻至室溫的過程中發(fā)生熱收縮。在熱收縮過程中，Tg點上下的斜率是不同的，說明收縮率在Tg點上下存在明顯差異。

圖3 環(huán)氧塑封料收縮變化趨勢

成型收縮量是通過在半導(dǎo)體封裝的常用成型條件下將臺形樣品（?90 mm）進行轉(zhuǎn)進成型而評價的。從成型溫度到冷卻至室溫的總成型收縮率（εT）可以通過式（1）計算：

D1是固化收縮前試驗片的外徑，D2是175 ℃下經(jīng)過120 s 成型后，再在175 ℃下后固化5 h，冷卻至室溫后試驗片的外徑。這里，D1也是175 ℃時模具的內(nèi)徑，D0是室溫時模具內(nèi)徑，本文中利用模具的熱膨脹系數(shù)αm（12.3×10-6/℃）及公式計算得出，如式（2）所示：

EMC 的固化收縮率（ε3）利用全成型收縮率與熱收縮率的差值公式計算得出，如式（3）所示，熱收縮率利用熱機械分析儀（TMA）測量得出。

式中ε3是EMC 的固化收縮率，α1、α2分別是EMC 在Tg點前后的熱膨脹系數(shù)，ΔT1、ΔT2是α1、α2對應(yīng)的溫度范圍。

由于固化收縮時化學(xué)反應(yīng)收縮與熱收縮不同，為了方便，引入一個與熱膨脹系數(shù)相同的溫度系數(shù)用于FEM 分析。首先，分析從成型溫度冷卻的過程時，用公式定義固化系數(shù)α31，如式（4）所示：

由于α31為正值，因此在冷卻過程的分析中代表樹脂收縮率，可以表示固化收縮率。但是，從成型溫度開始的加熱過程分析中如果使用α31就變成樹脂的膨脹，無法代表固化收縮率。因此，加熱過程分析中使用的固化收縮系數(shù)（α32）利用公式定義為負值，如式（5）所示：

但是，常用的FEM 程序中將熱膨脹系數(shù)從負值開始設(shè)定時就會報錯，因此將正數(shù)的熱膨脹系數(shù)α1作為虛擬值，從α1開始來設(shè)定α32、α2。冷卻過程和加熱過程的分析中設(shè)定的熱膨脹系數(shù)和固化系數(shù)分別用實線和虛線表示，如圖4 所示。

圖4 熱膨脹系數(shù)和固化系數(shù)隨溫度的變化趨勢

4.3 EMC 翹曲測試

使用具有不同Tg點的三組EK-7600GS 樣品在不同測試溫度下進行翹曲度測定，EMC1～EMC3 三組材料的Tg點分別為115 ℃、135 ℃、170 ℃。將BGA 常用的印刷電路板BT 和EMC 利用轉(zhuǎn)進成型制備成兩層層壓板以供試驗，尺寸分別為30 mm×30 mm×1.8 mm（EMC），35 mm×35 mm×0.6 mm（BT）。成型條件為溫度175 ℃、時間120 s，合模壓力77 MPa，轉(zhuǎn)進壓力55 MPa，PMC 條件為175 ℃、5 h。翹曲度采用溫度可變激光位移測定裝置，沿封裝體上表面對角線方向測量，實例如圖5 所示。

圖5 BGA 翹曲測量實例

4.4 翹曲抑制的模擬

EMC 固化后因固化收縮而形成的層間收縮應(yīng)力包括正應(yīng)力和切應(yīng)力，其中正應(yīng)力與EMC 的彎曲模量、收縮率成正比，與到中心的距離成二次函數(shù)的關(guān)系，切應(yīng)力與EMC 的彎曲模量、收縮率及到中心的距離成正比[10]，所以通過降低彎曲模量可以有效降低層間收縮應(yīng)力，而層間收縮壓力是翹曲變形的主要原因，故降低彎曲模量將有效降低翹曲度。采用一次實體單元粘彈性分析方法降低高溫彎曲模量的數(shù)值進行模擬。用于模擬的假想EMC 彎曲模量和溫度關(guān)系如圖6 所示。EMC1m～EMC3m 是以EMC1～EMC3 為基準(zhǔn)，在不改變Tg和熱膨脹系數(shù)的情況下，假想減小高溫彈性模量后的模擬曲線。EMC4 不改變EMC3 的彈性模量和熱膨脹系數(shù)趨勢，只將Tg提高到230 ℃。

圖6 翹曲模擬的塑封料彎曲模量和溫度的關(guān)系

通過模型A（無芯片）和模型B（有芯片）模擬降低高溫模量對翹曲的影響。模型A 是BT 基板上成型EMC 得到的兩層層壓板，尺寸分別為30 mm×30 mm×1.8 mm（EMC），35 mm×35 mm×0.6 mm（BT）。模型B是將芯片組裝在BT 基板上后再用EMC 成型的BGA，尺寸分別為30 mm×30 mm×1.8 mm（EMC），35 mm×35 mm×0.6 mm（BT），20 mm×20 mm×0.3 mm（Die）。模型A 的模擬結(jié)果如圖7 所示，可以看出，在EMC1m～EMC3m 中，通過減小高溫下的彈性模量，減小了驅(qū)動應(yīng)力并且抑制了在高溫側(cè)的反向翹曲。而且，降低高溫彈性模量后應(yīng)力緩和效果增大，常溫附近的翹曲反而比基準(zhǔn)EMC 小。另一方面，EMC4 的翹曲是將EMC3 的翹曲向高溫側(cè)偏移約60 ℃的結(jié)果，而260 ℃附近的翹曲幾乎為零。

圖7 模型A 翹曲模擬

模型B 的模擬結(jié)果如圖8 所示，模型B 組裝了剛性的芯片，與模型A 相比封裝尺寸有稍許差異，因此翹曲量與模型A 相比大約降低了1/4，模擬結(jié)果也有相同的趨勢。在翹曲范圍內(nèi)評估時，EMC2m 變得和EMC4 一樣小。

圖8 模型B 翹曲模擬

為了明確高溫時的翹曲與樹脂彈性模量的關(guān)系，分析模型B 在260 ℃條件下二者的關(guān)系，如圖9 所示?？梢酝茰y，通過降低EMC1m～EMC3m 的彈性模量，能夠?qū)⒙N曲量控制在目標(biāo)值以下。

圖9 EMC 翹曲和彈性模量之間的關(guān)系

以上結(jié)果顯示了兩種降低BGA 封裝的翹曲方法。方法一是將封裝樹脂的Tg提高到200 ℃以上，使260 ℃時的凹形翹曲變小。方法二是降低EMC 在200 ℃以上時的彈性模量，抑制凸形翹曲的驅(qū)動應(yīng)力。根據(jù)模擬結(jié)果，高溫時的翹曲量能夠按照方法一降低，但如果將環(huán)氧樹脂的Tg設(shè)計得更高，由于自由體積增加更容易吸水，在回流焊加熱時產(chǎn)生的水蒸氣壓力可能會導(dǎo)致樹脂破裂或分層。因此，從實現(xiàn)可能性來看，方法二比方法一更好。

5 EMC 封裝測試

將制備好的具有較低高溫彎曲模量的EK-7600GS 在客戶端封裝兩條假片，以進一步驗證其翹曲實際表現(xiàn)，也驗證其表現(xiàn)是否滿足客戶端的其他要求。擬定試驗驗證項目，如表4 所示。

表4 試驗驗證項目及說明

用EK-7600GS 封裝兩條假片未見操作性異常。檢查模封好的假片表面、澆口及排氣側(cè)外觀未見異常，表明EK-7600GS 操作性及外觀表現(xiàn)滿足客戶端需求。

分別測量產(chǎn)品的長邊和短邊得到翹曲范圍均在0～1 mm，凹型翹曲標(biāo)準(zhǔn)為長邊小于5 mm、短邊小于3 mm，可知翹曲滿足產(chǎn)品要求。

將模封后的假片進行超聲波掃描，掃描結(jié)果如圖10 所示，未見異常。

圖10 模封假片超聲波掃描結(jié)果

將假片置于烤箱進行后固化，之后再次進行測量，得到凹型翹曲范圍為0～1 mm，仍在翹曲管控標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。完成植球后再次進行翹曲測量，翹曲范圍仍為0～1 mm。將材料經(jīng)1 次回流焊后用X 射線進行檢查，看是否有焊球橋接及擠壓異常。檢查結(jié)果如圖11 所示，可以看出經(jīng)1 次回流焊后X 射線檢查未見異常。

圖11 經(jīng)1 次回流焊后X 射線檢查結(jié)果

將經(jīng)過1 次回流焊的材料做進一步的超聲波掃描，如圖12 所示，經(jīng)過T 超聲波掃描和C 超聲波掃描未見異常。

圖12 超聲波掃描結(jié)果

最后將材料切割成單顆，進一步檢測其翹曲表現(xiàn)是否滿足要求。切單顆過程中未見異常，單顆翹曲標(biāo)準(zhǔn)為±80 μm。隨機選取10 顆產(chǎn)品記錄不同溫度下的翹曲數(shù)值，如圖13 所示。

圖13 不同溫度下各點的翹曲數(shù)值

從統(tǒng)計數(shù)值來看，單顆材料的翹曲符合翹曲管控標(biāo)準(zhǔn)，切單顆過程中無異常，進一步說明了材料翹曲表現(xiàn)符合制程規(guī)范。

6 結(jié)論

本文提出了將固化收縮率引入到熱粘彈性分析技術(shù)中，對BGA 封裝翹曲進行模擬分析，得到了成型溫度附近固化收縮對應(yīng)的翹曲結(jié)果，并能夠大致預(yù)測低溫到回流焊溫度的翹曲量。通過該技術(shù)明確了BGA封裝翹曲的發(fā)生機制，得到了抑制翹曲量的方法：1）將封裝樹脂的Tg提高到200 ℃以上，使得260 ℃時的凹形翹曲變小，但Tg的提高將導(dǎo)致EMC 吸水率升高，可能引起分層失效；2）降低EMC 在200 ℃以上的彈性模量，抑制凸形翹曲的驅(qū)動應(yīng)力，從而降低翹曲度?；诖?，研究開發(fā)出一款具有較低高溫彎曲模量的產(chǎn)品EK-7600GS 來改善BGA 封裝翹曲，單顆翹曲度在30～55 μm，滿足單顆翹曲標(biāo)準(zhǔn)（±80 μm），表明EK-7600GS 能滿足BGA 封裝對翹曲的要求，該款EMC 可應(yīng)用于細節(jié)距FBGA 封裝。

應(yīng)當(dāng)指出，雖然半導(dǎo)體封裝翹曲的主因是組成材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，但還有諸如封裝冷卻速度、加熱速度、樹脂吸濕量、樹脂流動特性、基板預(yù)熱、基板和樹脂的摩擦、模具制程參數(shù)等原因。隨著在單個封裝中安裝多個芯片的多芯片封裝或系統(tǒng)級封裝的廣泛使用，這些因素可能都需要得到控制，這需要依靠材料、產(chǎn)品設(shè)計以及設(shè)備制程工藝等共同加以解決。