雙邊扁平無(wú)引腳封裝翹曲和應(yīng)力有限元分析與優(yōu)化

雒繼軍

（佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司，廣東 佛山 528051）

0 引言

微電子工藝對(duì)產(chǎn)品封裝精密化、集成化的追求促使產(chǎn)品封裝工藝與材料技術(shù)持續(xù)突破，DFN封裝技術(shù)以其優(yōu)異的熱性能、更輕薄微小的尺寸在封裝領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在眾多微電子企業(yè)對(duì)封裝產(chǎn)品性能要求不斷提升的情況下，DFN封裝企業(yè)需要進(jìn)行新材料、新工藝的研究，而有限元分析成為解決開(kāi)發(fā)難題的重要助力，通過(guò)有限元模擬分析的方式，相關(guān)生產(chǎn)單位能夠更高效、直觀地了解DFN封裝翹曲和應(yīng)力的影響因素，為工藝和材料的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 雙邊扁平無(wú)引腳封裝技術(shù)概述

方形扁平無(wú)引腳封裝形式主要包括QFN和DFN，前者為四邊出腳，而后者為兩邊出腳，DFN即為雙邊扁平無(wú)引腳封裝技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用該封裝技術(shù)時(shí)，生產(chǎn)單位使用的電路板連接焊點(diǎn)即為取代傳統(tǒng)引腳焊接方式的底部金屬焊盤(pán)，在封裝體中的芯片與金屬焊盤(pán)相互連接，具有比有引腳封裝技術(shù)更短的導(dǎo)電和傳熱路徑，有效提高了封裝產(chǎn)品的導(dǎo)電性和散熱性。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，DFN封裝多用于二極管、MOS管等尺寸不超出500μm的電子產(chǎn)品封裝，其結(jié)構(gòu)組成主要包括EMC環(huán)氧塑封材料、金屬引線、芯片、貼片膠以及引線框架等，而EMC與引線框架為封裝體的重要組成部分。

2 材料熱膨脹系數(shù)和楊氏模量對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響分析

為降低翹曲與應(yīng)力有限元分析難度，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，該文將金屬引線與芯片、貼片膠的影響忽略不計(jì)，可以將DFN封裝模型簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化情況見(jiàn)圖1。

2.1 建立有限元模型

為驗(yàn)證2種材料參數(shù)對(duì)翹曲和應(yīng)力的具體影響，在有限元模型中建立塑封體，其高、長(zhǎng)、寬分別為0.55mm、2mm、2mm，其芯片高、長(zhǎng)、寬分別為0.13mm、0.87mm、0.87mm，該模型還包括0.15mm厚度的引線框架和0.02mm厚度貼片膠。相對(duì)來(lái)說(shuō)，鍵合金線20μm的直徑對(duì)應(yīng)力和翹曲仿真結(jié)果無(wú)明顯影響，因此在模型建立時(shí)將其忽略[1]。DNF封裝所應(yīng)用的貼片膠、引線框架、芯片以及EMC等材料均設(shè)定0.3的泊松比，貼片膠和EMC的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度分別為120℃和130℃。

DFN 封裝有限元模型是通過(guò)約29萬(wàn)個(gè)三維實(shí)體單元?jiǎng)?chuàng)建的，設(shè)定25℃和260℃的溫度體載荷以及175℃的塑封模具溫度，如圖2所示。

將EMC楊氏模量與熱膨脹系數(shù)2種材料參數(shù)對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，在有限元仿真時(shí)設(shè)置3組模型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

圖1 簡(jiǎn)化前后DFN封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 DFN封裝實(shí)物圖和有限元模型

表1 EMC材料3組對(duì)比參數(shù)配置表

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 楊氏模量對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

按照表1所示參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)配置3種有限元模型楊氏模量參數(shù)，通過(guò)分析得到的仿真結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，隨著楊氏模量的提升，DFN封裝的應(yīng)力數(shù)值提升，但翹曲幅度均有所降低；當(dāng)溫度為260℃時(shí)，隨著楊氏模量的提升，DFN封裝的應(yīng)力數(shù)值提升，但翹曲幅度均有所降低?？梢?jiàn)，通過(guò)調(diào)整EMC材料楊氏模量的方式，能夠改善DFN封裝的翹曲幅度，但也會(huì)因此提升封裝應(yīng)力[2]。

表2 EMC楊氏模量對(duì)DFN封裝翹曲和應(yīng)力影響結(jié)果

2.2.2 熱膨脹系數(shù)對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

按照表1所示參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)配置3種有限元模型熱膨脹系數(shù)參數(shù)，得到仿真結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，隨著熱膨脹系數(shù)的提升，DFN封裝的應(yīng)力數(shù)值與翹曲幅度均有所增加；當(dāng)溫度為260℃時(shí)，隨著熱膨脹系數(shù)的提升，DFN封裝的應(yīng)力數(shù)值與翹曲幅度均有所增加[3]?？梢?jiàn)，通過(guò)調(diào)整EMC材料熱膨脹系數(shù)的方式，能夠改善DFN封裝的翹曲幅度和應(yīng)力大小。

表3 EMC熱膨脹系數(shù)對(duì)DFN封裝翹曲和應(yīng)力影響結(jié)果

2.3 DFN封裝材料的選型優(yōu)化分析

由上文可知，在260℃和25℃的狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)整EMC楊氏模量與熱膨脹系數(shù)的方式能夠改善DFN的封裝翹曲幅度與應(yīng)力數(shù)值，熱膨脹系數(shù)的降低能夠幫助降低翹曲幅度、減少應(yīng)力，但降低楊氏模量能夠在降低翹曲幅度的同時(shí)增加封裝體應(yīng)力。針對(duì)該情況，須綜合考慮2種參數(shù)共同作用下對(duì)翹曲幅度和應(yīng)力數(shù)值的影響，提升DFN 封裝質(zhì)量。因此，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)以前應(yīng)用的EMC材料進(jìn)行優(yōu)化，使用260℃等效熱膨脹系數(shù)310-6℃-1、楊氏模量 740MPa且25℃時(shí)等效熱膨脹系數(shù)16.0710-6℃-1、楊氏模量24500MPa，其他材料參數(shù)維持不變，參數(shù)優(yōu)化后的模型假設(shè)為BOM2，優(yōu)化前的模型假設(shè)為BOM1，進(jìn)行有限元分析，得到結(jié)果如下。

2.3.1 翹曲結(jié)果分析

針對(duì)優(yōu)化前后的2種模型進(jìn)行仿真分析，得到翹曲幅度變化情況，翹曲圖形態(tài)均接近，均為哭臉狀。選擇路徑為封裝底面對(duì)角線，對(duì)與路徑垂直方向的翹曲變形情況進(jìn)行計(jì)算，得到變形高差最大值即為封裝翹曲值，得到優(yōu)化前后2組模型在2種不同溫度下的翹曲幅度結(jié)果。低于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度25℃的狀態(tài)下，參數(shù)優(yōu)化后的翹曲幅度高于優(yōu)化前的，2者數(shù)值分別為1.26μm和1.06μm；高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度260℃的狀態(tài)下，參數(shù)優(yōu)化后的翹曲幅度低于優(yōu)化前的，二者數(shù)值分別為0.91μm和1.67μm；在25℃狀態(tài)下，參數(shù)優(yōu)化導(dǎo)致封裝翹曲幅度提升約18.9%；在260℃狀態(tài)下，參數(shù)優(yōu)化后導(dǎo)致封裝翹曲幅度降低約45.5%，翹曲變化強(qiáng)化在溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度前后是相反的。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因與楊氏模量的作用有關(guān)，由于熱膨脹系數(shù)降低導(dǎo)致封裝翹曲幅度降低，但楊氏模量的降低卻增大了翹曲幅度，這也導(dǎo)致低溫情況下出現(xiàn)翹曲幅度不減反增的情況，但綜合對(duì)比可以確認(rèn)，參數(shù)優(yōu)化后的封裝翹曲效果更佳。

2.3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

針對(duì)優(yōu)化前后的2種模型進(jìn)行仿真分析，選擇路徑為封裝底面中心至頂面中心垂直線，對(duì)路徑方向的等效應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化前后2組模型在2種不同溫度下的應(yīng)力數(shù)值結(jié)果。EMC部位的應(yīng)力變化趨勢(shì)為自下而上不斷降低，引線框架部位的應(yīng)力變化趨勢(shì)為自下而上不斷增加。當(dāng)溫度為25℃時(shí)，材料參數(shù)優(yōu)化前后的應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，最大應(yīng)力均位于裸芯片底部區(qū)域，應(yīng)力數(shù)值分別為180.65MPa和172.45MPa；當(dāng)溫度為260℃時(shí)，材料參數(shù)優(yōu)化前后的應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，最大應(yīng)力均位于裸芯片頂部區(qū)域，應(yīng)力數(shù)值分別為12.88MPa和11.68MPa?？梢?jiàn)，材料參數(shù)的優(yōu)化有效降低了DFN封裝的應(yīng)力數(shù)值。

3 材料尺寸參數(shù)對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響分析

3.1 有限元模型建立及相關(guān)參數(shù)要求

為研究材料尺寸參數(shù)對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響，該文選擇研究的對(duì)象主要為IS34C02B -2DLI這一DFN2X3器件，該器件的主要結(jié)構(gòu)包括環(huán)氧模塑封材料、硅芯片、黏結(jié)劑、銅焊盤(pán)框架4個(gè)部分，封裝器件采用引線鍵合的方式連接焊盤(pán)與芯片，由于引線尺寸較小，對(duì)封裝器件的翹曲變形和應(yīng)力影響不大，因此在有限元模型建立期間將其忽略，簡(jiǎn)化封裝器件的結(jié)構(gòu)，提升建模和分析效率。上述器件結(jié)構(gòu)材料的型號(hào)分別為A194型號(hào)的銅焊盤(pán)框架、硅芯片、G770HCD型號(hào)的還原模塑封材料以及8200TU型號(hào)的芯片黏接劑，在有限元模型分析過(guò)程中將芯片黏接劑與環(huán)氧模塑封材料的熱膨脹參數(shù)以及楊氏彈性模量參數(shù)均設(shè)定為與時(shí)間、溫度存在關(guān)聯(lián)的黏彈性材料。

由于二維模型相對(duì)三維模型的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，能夠更高效、精細(xì)化地表達(dá)DFN封裝模型的各類(lèi)參數(shù)，模型分析期間不會(huì)產(chǎn)生較多節(jié)點(diǎn)，能夠利用更少的單元高精度模擬翹曲、應(yīng)力情況。在有限元模型建立期間，該文結(jié)合DFN封裝結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性特征，將一半封裝器件的截面作為主體進(jìn)行建模分析，對(duì)稱(chēng)軸中各節(jié)段約束均為X方向，對(duì)稱(chēng)軸最下方節(jié)點(diǎn)約束為X方向和Y方向。為避免網(wǎng)格密度的差異性影響分析精度，將單元類(lèi)型均設(shè)定為PLANE82，網(wǎng)格密度均設(shè)定為3，同時(shí)通過(guò)APDL編程語(yǔ)言解決ANSYS有限元仿真參數(shù)設(shè)置難題，在分析材料尺寸參數(shù)對(duì)翹曲和應(yīng)力影響時(shí)，通過(guò)數(shù)值更新的方式建立各種參數(shù)模型，提升有限元分析效率。

相關(guān)研究人員針對(duì)QFN器件的研究成果表明，銀漿（黏接劑）形態(tài)能夠?qū)Ψ庋b期間的應(yīng)力產(chǎn)生影響，而且就相對(duì)寬度和厚度變化來(lái)說(shuō)，“三角形溢出形態(tài)”的銀漿對(duì)材料界面部位的熱應(yīng)力影響更大，能夠較大幅度地降低應(yīng)力數(shù)值。因此，在相關(guān)器件封裝工藝中說(shuō)明了銀漿溢出的情況，并制定了厚度標(biāo)準(zhǔn)。該文對(duì)DFN器件封裝翹曲和應(yīng)力的分析模型對(duì)器件銀漿形態(tài)進(jìn)行了限制，統(tǒng)一設(shè)定為10μm的厚度標(biāo)準(zhǔn)且無(wú)溢出情況。為建造對(duì)SMT貼片工藝的溫度加載情況模型，在模擬過(guò)程中嚴(yán)格按照J(rèn)-STD-020D標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，確保溫度加載過(guò)程與溫度曲線契合。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 封裝體厚度對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

為驗(yàn)證封裝體厚度對(duì)翹曲幅度和應(yīng)力的影響，在相同有限元分析模型的基礎(chǔ)上，對(duì)封裝體的厚度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，厚度參數(shù)分別為0.45mm、0.55mm、0.75mm和0.95mm，得到翹曲及應(yīng)力變化。DFN封裝翹曲幅度與封裝體厚度存在關(guān)聯(lián)，且隨著厚度的提升而展現(xiàn)出更低的翹曲變形幅度，但整體變化數(shù)值相對(duì)較小。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，減少封裝體的厚度能夠改變?nèi)菂^(qū)域的應(yīng)力數(shù)值，如0.45mm時(shí)的27.88MPa和0.95mm時(shí)的46.98MPa，雖然封裝翹曲的變形量有所增加，但是0.45mm時(shí)的翹曲變形幅度依然在0.82μm內(nèi)，數(shù)值相對(duì)較低。在優(yōu)化封裝體厚度的過(guò)程中，生產(chǎn)單位需要考慮銅線或金線鍵合時(shí)的工藝要求，須將塑封體頂面與裸芯片表面的間距控制在0.127mm，由此降低封裝體厚度期間可能發(fā)生鍵合金屬線裸露問(wèn)題的概率，這需要生產(chǎn)單位從框架、芯片厚度2個(gè)方面入手對(duì)整體厚度進(jìn)行控制。

3.2.2 芯片厚度對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

在掌握芯片厚度對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響情況后，選擇0.15mm框架厚度、0.55mm封裝體厚度參數(shù)，按照0.1016mm、0.1524mm以及0.2032mm這3種芯片厚度進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力數(shù)值與翹曲變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)表明，芯片厚度對(duì)DFN封裝翹曲影響幅度較低，但應(yīng)力變化幅度相對(duì)較大，由最高厚度時(shí)的40.3MPa降低至最低厚度時(shí)的34.3MPa，在DFN封裝生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，相關(guān)生產(chǎn)單位可以從芯片厚度控制角度入手，通過(guò)降低厚度的方式優(yōu)化DFN封裝應(yīng)力。

3.2.3 框架厚度對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

為驗(yàn)證銅焊盤(pán)框架厚度對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響，在有限元模型中設(shè)定0.1524mm的芯片厚度，同時(shí)將封裝體厚度控制在0.55mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按照封裝器件原有尺寸設(shè)定，通過(guò)設(shè)定銅焊盤(pán)框架不同厚度值的方式對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行分析。有限元模擬分析結(jié)果指出，封裝期間翹曲變形程度受銅焊盤(pán)框架厚度影響較小，但應(yīng)力數(shù)值受銅焊盤(pán)框架厚度影響較大，如0.203mm厚度時(shí)的封裝體應(yīng)力可達(dá)43MPa，當(dāng)厚度降低至0.15mm時(shí)達(dá)到40.5MPa，當(dāng)厚度降低至0.1mm時(shí)達(dá)到31.6MPa，雖然厚度減少能夠有效緩解封裝體所受應(yīng)力的影響，但是較小的厚度通常會(huì)增加封裝翹曲變形幅度，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也要綜合考慮應(yīng)力和翹曲變形因素。

3.2.4 框架散熱底尺寸對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

為驗(yàn)證框架散熱底尺寸對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響，在有限元模型中設(shè)定0.1524mm的芯片厚度，同時(shí)將封裝體厚度控制在0.55mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按照封裝器件原有尺寸設(shè)定，通過(guò)設(shè)定散熱底不同尺寸參數(shù)的方式對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行分析。通過(guò)有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，封裝翹曲與應(yīng)力數(shù)值在散熱底尺寸變化過(guò)程中并未產(chǎn)生明顯變化，因此基于經(jīng)濟(jì)因素考量，封裝單位可以適當(dāng)減少散熱要求不高器件的散熱底尺寸。

3.2.5 芯片基島尺寸對(duì)封裝翹曲與應(yīng)力的影響

為驗(yàn)證芯片基島尺寸對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力的影響，在有限元模型中設(shè)定0.1524mm的芯片厚度，同時(shí)將封裝體厚度和散熱底尺寸分別控制在0.55mm和1.4mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按照封裝器件原有尺寸設(shè)定，通過(guò)設(shè)定不同芯片基島尺寸的方式對(duì)封裝翹曲和應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行分析。通過(guò)有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，封裝翹曲與應(yīng)力數(shù)值在芯片基島尺寸變化過(guò)程中并未產(chǎn)生明顯變化，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合封裝需求對(duì)該尺寸進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，微電子行業(yè)對(duì)電子元器件封裝的高要求促使封裝企業(yè)不斷推進(jìn)工藝、材料相關(guān)技術(shù)的改造工作，作為微電子封裝常用技術(shù)方法的DFN封裝優(yōu)化更是相關(guān)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，DFN封裝翹曲和應(yīng)力與封裝EMC材料的熱膨脹系數(shù)以及楊氏模量有關(guān)，生產(chǎn)單位可以通過(guò)降低楊氏模量和熱膨脹系數(shù)的方式降低應(yīng)力數(shù)值，通過(guò)提升楊氏模量并降低熱膨脹系數(shù)的方式降低翹曲幅度；DFN封裝翹曲和應(yīng)力也與封裝體、芯片等部件的厚度有關(guān)，生產(chǎn)單位可以通過(guò)降低材料厚度的方式改善翹曲與應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品封裝效果的優(yōu)化提升。