基于FCBGA 封裝應用的有機基板翹曲研究

李欣欣，李守委，陳鵬，周才圣

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

0 引言

隨著IC 產業進入高密度封裝階段，基板作為半導體封裝的載體，為芯片提供電連接、保護、支撐及散熱等功能，其不斷朝著高密度、高性能、小型化方向發展[1]。有機基板具有“細、小、輕、薄”的特點以及制造難度低、成本低的優勢，其市場需求迅速增長，因此國內外有機封裝基板產業快速擴張[2]。但有機基板也存在諸多問題，由于制造材料間存在熱膨脹系數（CTE）失配問題，有機基板在封裝過程中極易發生翹曲，進而影響封裝產品良率及可靠性。為了解決這個問題，國內外學者及封裝行業技術人員在有機基板的設計端及封裝應用端進行了大量研究。在設計端，京瓷、興森、景碩等基板制造廠商不斷優化基板的布線設計，使基板整體趨近于對稱式結構，盡可能保證有機基板在受熱時應力趨近于平衡狀態，以減少應力失配導致的基板翹曲[3]。同時，優化基板的制造工藝，降低增層、電鍍、固化及切割等工序導致的基板翹曲，提升產品品質與良率。在制造基材的研發上，味之素等載板制造商通過開發GZ-41、GL-102 系列具有高玻璃化轉變溫度、低CTE 的載板，增強有機基板在高溫下的抗形變能力，以改善有機基板在后道封裝工藝中的翹曲現象[4]。

翹曲是有機基板的固有特性，由于同時受基板尺寸、封裝工藝的影響，在設計端與制造端完全解決翹曲問題是不切實際的。因此，在封裝應用端，研究如何改善有機基板翹曲對提高封裝可靠性尤為重要[5]。王曉鋒等人[6]通過仿真技術分析了塑料球柵陣列（PBGA）有機封裝基板在再流焊過程中的應力分布及翹曲變化，發現再流焊過程中引發翹曲的應力集中于基板的四角位置；談利鵬等人[7]采用Ansys 軟件對絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）基板的布線層、納米銀焊料層厚度進行分析，探討其與再流焊過程中應力翹曲的關系；周洋等人[8]研究了預彎曲銅基板對再流焊過程中翹曲的改善效果，分析了銅基板預彎量對再流焊過程中基板翹曲的影響；ZHANG 等人[9]對比了分別采用熱壓倒裝焊接工藝和再流焊工藝封裝的有機基板，研究其翹曲及應力分布情況，研究結果表明，采用熱壓倒裝焊接工藝可以顯著改善有機基板的翹曲，芯片翹曲度減小了59%，基板翹曲導致的焊點錯位下降了45%。熱壓倒裝焊接工藝與再流焊工藝在有機基板的封裝應用中各具優勢[10]，再流焊工藝在FCBGA 基板的封裝應用中占據主流地位。因此，需要進一步研究與解決再流焊過程中有機基板的翹曲問題。

現階段封裝應用端對有機基板翹曲的研究多集中在理論與仿真分析上，缺乏對翹曲問題的系統性研究與解決對策，對實際生產的指導性不足，本文基于FCBGA 有機基板，采用熱形變測試儀研究不同尺寸、芯板厚度的FCBGA 有機基板在再流焊過程中的共面性及基板表面形變情況，分析了基板尺寸、芯板厚度對翹曲的影響，為封裝前評估有機基板翹曲風險提供參考，提出了在再流焊前進行烘烤脫濕處理、使用夾持載具以及優化再流焊曲線的方法，為降低FCBGA有機基板封裝應用中的翹曲、提升封裝產品良率及可靠性提供思路。

1 實驗準備

本文使用熱形變測試儀模擬再流焊過程中的溫度變化情況，對不同尺寸、芯板厚度的FCBGA 有機基板進行測量，實時監測有機基板在再流焊過程中的共面性及形變情況，通過基板對角線上的形變情況及基板共面性表征基板翹曲程度，研究影響有機基板翹曲的因素，實驗中采用的樣品均為“芯板+ABF 膜”結構。

通過導熱膠將熱電偶黏接在有機基板表面，實現對溫度的實時監測。為排除水汽對實驗結果的干擾，在125 ℃下，對樣品進行16 h 的烘烤脫濕處理；為減少基板表面金屬化焊盤對形變的干擾，在樣品表面均勻地噴涂1 層7751 抗高溫白漆；調節測試設備燈光及測試框，測試框的可調范圍如圖1（a）所示，確保獲取的相圖清晰、無噪點，有效減少共面性數值中的異常點，有、無噪點的相圖對比如圖1（b）所示。

圖1 熱形變測試框的可調范圍

采用KIC-2000 爐溫測試儀測量某款產品在再流焊過程中的基板表面溫度，將測得的溫度數據用于熱形變測試儀的溫度曲線繪制，溫度-時間曲線設置如表1 所示。

表1 溫度-時間曲線設置

2 再流焊過程中有機基板的翹曲

2.1 不同尺寸的基板翹曲與共面性

使用熱形變測試儀測量了尺寸分別為13 mm×13 mm、19 mm×19 mm、25 mm×25 mm、29 mm×29 mm、37 mm×37 mm 的有機基板在再流焊過程中的形變量及共面性。在升溫階段，在溫度為40 ℃、80 ℃、150 ℃、200 ℃、245 ℃處設置測量點；在降溫階段，在溫度為200 ℃、150 ℃、80 ℃、40 ℃處設置測量點。尺寸為25 mm×25 mm 的有機基板在再流焊過程中的共面性與翹曲情況如圖2 所示。

圖2 尺寸為25 mm×25 mm 的有機基板在再流焊過程中的共面性與翹曲情況

由圖2（a）可知，有機基板共面性隨著溫度的變化呈現出先增大后減小的趨勢，共面性最大值出現在150～245 ℃；由圖2（b）可知，在再流焊過程中有機基板翹曲主要表現為負向形變，即有機基板呈現中間凹陷、四角翹起的狀態。

圖3 為不同尺寸的有機基板在再流焊過程中的共面性箱式圖。有機基板的共面性極大值隨著基板尺寸的增大而增大，同時，在再流焊過程中基板的共面性變化幅度與基板尺寸存在正相關關系。實測數據表明，基板共面性的極小值通常出現在再流焊的初始狀態下，與基板尺寸未表現出較強的正相關，但兩者也存在一定的關聯，這是因為有機基板的初始共面性除了與基板尺寸相關，還與基板的出廠狀態有極大的關系[11-12]。

圖3 不同尺寸的有機基板在再流焊過程中的共面性箱式圖

在降溫階段的200 ℃下，不同尺寸的有機基板共面性及對角線上形變情況如圖4 所示。由圖4 可知，基板尺寸與其在高溫下的翹曲模式也存在一定關系。當基板尺寸較小時，基板更易發生正向翹曲，即呈現中間凸起、四角下陷的狀態，對角線上的形變量呈現為開口向下的拋物線形狀；當基板尺寸較大時，基板更易發生負向翹曲，即呈現中間凹陷、四角翹起的狀態，對角線上形變量呈開口向上的拋物線形狀。

圖4 200 ℃下不同尺寸的有機基板共面性及對角線上形變情況

2.2 不同芯板厚度的基板翹曲與共面性

基板的芯板由兩面壓合銅箔的半固化片制成，對有機基板的整體穩定性及強度有重要影響。使用熱形變測試儀測量不同芯板厚度的有機基板在再流焊過程中的形變量及共面性，研究有機基板的芯板厚度與翹曲的關系。不同芯板厚度的基板在再流焊過程中的共面性如圖5 所示，芯板1 的厚度為400 μm，其厚度占基板總厚度的47.6%，芯板2 的厚度為820 μm，其厚度占基板總厚度的66.1%，2 種基板的尺寸均為29 mm×29 mm。從圖5 可知，芯板越薄，其在基板總厚度中的占比越小，有機基板的共面性波動幅度越大，共面性極值越大，反之，共面性波動幅度減小，共面性極值減小。同時，芯板厚度也影響著有機基板表面形變的分布狀態，不同芯板厚度的基板在再流焊過程中的形變情況如圖6 所示，從圖6 可知，在相同溫度下，芯板越厚，基板表面的熱形變分布越均勻，越不易出現翹曲，反之，基板表面的熱形變越集中，翹曲現象越明顯。

圖5 不同芯板厚度的基板在再流焊過程中的共面性

圖6 不同芯板厚度的基板在再流焊過程中的形變情況

實驗結果表明，有機基板在再流焊過程中的翹曲與基板尺寸、芯板厚度有較強的相關性。由圖3 可知，當有機基板尺寸超過25 mm×25 mm 時，有機基板在再流焊中的最大共面性超過60 μm，當有機基板尺寸達到37 mm×37 mm 時，其最大共面性超過130 μm；由圖5 可知，當芯板厚度為400 μm 時，有機基板的最大共面性超過90 μm，當厚度增加一倍時，最大共面性降低了40%～50%，同時，有機基板表面形變分布狀態也發生了顯著變化，芯板越厚，有機基板的熱形變分布越均勻，越不易出現翹曲。因此，在對FCBGA 有機基板進行封裝時，當基板尺寸大于25 mm×25 mm、芯板厚度小于400 μm 時，應重點關注再流焊過程中的翹曲問題。

有機基板在再流焊過程中發生翹曲是引發倒裝芯片焊接開裂及長期可靠性失效的主要因素之一。因此，對于易出現翹曲的FCBGA 有機基板，如何改善其在再流焊過程中的翹曲是提高電路封裝良率及可靠性的關鍵。

3 有機基板翹曲的改善

3.1 脫濕

環氧類有機材料具有吸濕性，有機基板長時間暴露在潮濕環境中，水汽滲入到基板中，有機材料吸濕膨脹，導致基板發生形變。因此，有機基板在出廠時就應參照IPC-J-STD-020E 標準[13]進行濕敏等級評定，以指導有機基板的包裝、存儲及使用。再流焊過程中未進行脫濕處理的有機基板，在高溫環境下其有機材料中的水分產生蒸汽壓，導致基板發生形變、分層，從而影響有機基板表面的共面性。在溫度為85 ℃、相對濕度（RH）為85%的條件下，使用吸潮36 h 的有機基板進行再流焊，圖7 為其剖面圖，可以看到，基板表面發生明顯形變，基板的ABF 膜與銅層出現分層現象。因此，在再流焊前對電路進行烘烤脫濕處理是十分必要的，不同濕敏等級的有機基板的脫濕處理要求可參照IPC-J-STD-033D 標準中的相關條例[14]。

圖7 吸潮36 h 的有機基板經過再流焊后的剖面圖

3.2 夾持載具

在封裝過程中使用載具主要起固定、限位及導向等作用。在熱壓超聲金絲鍵合中使用夾持載具起到固定產品的作用，防止由于超聲熱壓產生的振動導致電路偏移。在裝片環節，在真空燒結工藝中使用限位框可有效控制金錫焊料流淌，防止焊料外溢，在散熱片貼裝工藝中使用固化載具可將貼裝偏移控制在工藝范圍內，植球時，落球網版的導向作用使焊球能夠掉落到對應的焊盤位置。在封裝過程中較少使用施加外力的載具，一方面，過度施加外力會使電路產生不必要的外觀缺陷；另一方面，如果施加外力不均勻，應力集中會導致電路產生微裂紋、微形變，從而對封裝的長期可靠性構成隱患。本文采用四角夾持方式，根據有機基板外形特點，設計了磁性夾持載具，該載具采用均勻排布的永磁鐵，使有機基板邊緣承受相對均勻的面載荷。通過使用磁性夾持載具，改善有機基板在再流焊過程中的翹曲，圖8 為磁性夾持載具示意圖。

圖8 磁性夾持載具示意圖

尺寸為29 mm×29 mm 的有機基板在使用磁性夾持載具前后的共面性如圖9 所示。從圖9 可知，除初始的25 ℃外，在其他的溫度測量點進行測試時，使用磁性夾持載具后的有機基板的共面性均有降低，尤其在高溫及降溫階段，使用磁性夾持載具對有機基板翹曲的改善程度接近50%，同時，使用磁性夾持載具后有機基板的共面性波動幅度顯著降低，因此，磁性夾持載具有效降低了溫度對基板翹曲的影響。但在25 ℃時，使用磁性夾持載具后有機基板的共面性增大，可能增加基板形變的風險。因此，在實際使用時應考慮有機基板的強度特性，使用COMSOL 等仿真軟件進行仿真與理論計算，以選擇合適的磁力強度。

圖9 使用磁性夾持載具前后有機基板的共面性

永磁鐵磁力F 的計算公式為

其中，μ0為真空磁導率，μr為磁體的相對磁導率，B 為磁體與導磁材料作用處的磁感應強度，S 為磁場與導磁材料作用面的面積。Br為磁體的磁化強度，B 是由磁體與磁介質距離以及所使用的磁體材料特性決定的，L、W、H 分別為磁體的長、寬、高，x 為物體與磁體的距離。

尺寸為29 mm×29 mm 的有機基板在使用磁性夾持載具前后的表面形變情況如圖10 所示。

圖10 使用夾持載具前后有機基板的表面形變情況

由圖10 可知，使用磁性夾持載具后有機基板的表面形變分布趨向均勻，形變引起的應力集中情況得到改善。因此，使用磁性夾持載具能降低再流焊過程中的翹曲最大值及變化幅度，使有機基板表面形變分布更均勻，有利于提升大尺寸倒裝產品的封裝良率及可靠性，但在使用時需選用合適的磁力，避免對有機基板造成不必要的損傷。

3.3 再流焊曲線優化

再流焊的本質是加熱處理，其核心工藝是再流焊曲線的設置，再流焊曲線的關鍵參數主要有升溫速率、峰值溫度以及降溫速率。升溫速率主要影響焊膏、助焊劑的揮發速度，揮發過快會導致焊料飛濺形成錫珠，通常將升溫速率設置在2 ℃/s 以下。降溫速率會影響基板翹曲、焊點質量等[15-16]，依靠風冷對再流爐降溫，其降溫速率非常緩慢，因此，在實際的再流焊曲線優化中，受限于設備條件，調節降溫速率對改善基板翹曲的效果有限。本文重點研究再流焊過程中可調節幅度較大的峰值溫度，研究峰值溫度對有機基板翹曲的影響，提出再流溫度的優化方法。不同峰值溫度下有機基板的共面性如圖11 所示。

圖11 不同峰值溫度下有機基板的共面性

由圖11（a）可知，當峰值溫度分別為200 ℃、225 ℃、245 ℃、265 ℃、275 ℃時，尺寸為25 mm×25 mm 的有機基板的共面性分別為29.3 μm、40.5 μm、41.3 μm、49.5 μm 及43.7 μm。在265 ℃以下，隨著再流峰值溫度的升高，有機基板的共面性逐漸增大，當基板表面溫度達到265 ℃后，有機基板共面性開始下降，這是因為在高溫的作用下，有機基板的應力得到釋放，應變減小，表面變得“平順”。從圖11（b）可知，不同尺寸的有機基板共面性隨著再流峰值溫度的升高而增大，對于尺寸較大的有機基板，在275 ℃時其共面性仍未出現下降趨勢，因此，其“平順”效應與有機基板的尺寸存在一定的關聯。此外，再流峰值溫度設置過高也會影響焊點的質量，過高的焊接溫度會使Ag3Sn、Cu6Sn5晶相細化，焊點IMC 層厚度增加，焊點塌陷度過高，從而影響焊點的強度與可靠性。

因此，對FCBGA 有機基板的再流焊曲線進行優化時，在確保再流峰值溫度高于焊接材料熔點至少15 ℃的前提下，應盡可能地設置較低的再流峰值溫度，這不僅能改善有機基板的翹曲問題，同時也能提高焊點的可靠性。

4 結論

本文采用熱形變測試儀研究再流焊過程中有機基板的尺寸、芯板厚度對基板共面性和形變的影響，再流焊過程中有機基板的共面性與基板尺寸正相關，與芯板厚度負相關。當基板尺寸大于25 mm×25 mm 或芯板厚度小于400 μm 時，有機基板的共面性最大值超過60 μm?；灞砻嫘巫兎植紶顟B與芯板厚度也有較強的關聯性，芯板越厚，有機基板形變分布越均勻，越不易出現翹曲。針對存在較高翹曲風險的有機基板，本文從烘烤脫濕處理、夾持載具以及再流焊曲線優化等方面提出改善措施。

1）在再流焊前，依據有機基板的濕敏等級對其進行烘烤脫濕處理，可有效改善有機基板因吸濕導致的形變、分層。

2）在再流焊過程中，使用磁性夾持載具可有效控制共面性波動幅度，加裝磁性夾持載具后有機基板表面形變分布更均勻，可有效避免熱形變造成的應力集中、基板翹曲問題，但夾持力會使有機基板發生輕微形變，導致初始狀態共面性增加，因此，在實際使用時應結合仿真及理論估算，選擇合適的磁力大小及排布方式。

3）設置再流焊曲線時，在保證焊點充分熔融的前提下，盡可能降低再流峰值溫度及降溫速率，可有效改善有機基板翹曲，提高焊點可靠性。