基板封裝注塑中芯片斷裂的有限元分析

顧 驍，宋 健，顧炯炯，李全兵

（江蘇長電科技股份有限公司，江蘇無錫 214437）

1 引言

格柵陣列封裝（LGA）是目前射頻、微波、電源類芯片最常用的封裝類型之一。它有著優秀的電性能、散熱性能以及大批量生產的可加工性等特征，已經被廣泛應用在各種設備中。LGA為了滿足電熱性能要求，其背面管腳以較大面積的金屬外露為主[1]。上述的封裝形式會有產品在塑封后出現芯片斷裂問題，經失效分析排查到芯片裂縫中存在塑封料，可確定芯片斷裂是在注塑過程中產生[2]。對于此類問題，如果單純通過大量工藝優化試驗來解決問題，將會極大地消耗時間和經費。有限元分析可以利用其自身的優勢，將復雜問題簡單化，通過模擬復現失效原因，并且通過大量因子的優化分析找到最佳的解決方案[3]。本文分析注塑時芯片受力情況，通過有限元分析對此類問題進行仿真，探究基板厚度、芯片厚度、裝片位置與基板底面無阻焊層區域的不同搭配等對芯片受力的影響趨勢。

2 注塑壓力下芯片受力原理

常規基板封裝產品的主要工藝流程如圖1所示[4]。

圖1 半導體封裝主要工藝流程

塑封是封裝流程中的關鍵環節之一，芯片注塑過程中，基板被裝載到模具的下模并通過定位孔固定，下模中的真空吸附裝置將基板緊貼于下模具。合模后塑封料加熱到熔融狀態，施加注塑壓力擠壓進入模腔內。隨著塑封料被不斷地向模腔底部推進，注塑壓力會不斷增大，確保塑封料最終可以充滿整個型腔。根據芯片封裝形式、材料、結構的不同，對應的注塑壓力值也不同。整個注塑過程中保壓階段壓力最大，轉注成型的工藝最大模壓一般會在4～9 MPa[5]。保壓階段注塑壓力會傳遞到流體的各個位置，包括與基板接觸的位置。芯片受力如圖2所示，基板背面懸空位置在模壓下產生凹陷，上方芯片也會因此產生彎曲變形從而引發應力問題[6]。

圖2 芯片受力原理

3 有限元分析

3.1 封裝結構

本研究中LGA封裝尺寸為5.30 mm×5.50 mm×0.70 mm（長×寬×高），其中基板采用4層結構，基板厚度0.25 mm，基板阻焊層厚度15μm，塑封體高度0.45 mm，右上角為斷裂芯片，尺寸為2.00 mm×0.84 mm×0.15 mm，封裝的俯視圖如圖3所示。封裝底面如圖4所示，無阻焊覆蓋區域面積為3.89 mm×3.69 mm。

圖3 封裝俯視圖

圖4 封裝底部視圖

3.2 仿真建模

根據封裝真實結構尺寸建立全局模型，基板線路層根據含銅率并采用等效體積方式求取等效材料特性。考慮到基板背面有下模具做支撐，油墨開窗位置只能做有限度的下凹，故模型中在基板下方建立剛體，限制基板過度下凹。所有模型建立、網格劃分、計算求解均采用ANSYS仿真軟件Static Structural模塊完成。有限元全局模型及網格如圖5所示[7]。

圖5 有限元模型和網格

3.3 材料屬性

計算中假設各種材料均為各向同性和線彈性，各種材料機械參數列于表1中。由于硅芯片使用了鐳射加機械的切割工藝，芯片邊緣粗糙度增加，抗彎強度降低，經測試芯片正面抗彎強度約為17 MPa。

表1 材料特性

3.4 負載和邊界條件

對基板正面施加注塑壓力，取此產品注塑過程最大壓力4.8 MPa[8]。剛體底面固定以限制模型的剛體位移，剛體表面與基板底部外露引腳做無摩擦接觸，負載和邊界條件如圖6所示。

圖6 負載和邊界條件

3.5 計算結果與分析

通過仿真分析可以看到，在注塑壓力下基板底面已經明顯凹陷，變形值達到15μm，即阻焊層厚度，說明阻焊層開窗位置已經變形至最大值并接觸到了下模具表面，基板底部變形如圖7所示。芯片表面的應力分布云圖與實際斷裂模式一致，符合模壓導致芯片斷裂的機理[9]，應力值為15 MPa，非常接近于此芯片彎曲強度，仿真實物對照如圖8所示。

圖7 基板底部變形

圖8 仿真實物對照

4 影響因子分析

封裝體各器件的彈性模量以及泊松比均有其固有特性，在不改變材料的基礎上，通過改變基板厚度、芯片厚度、阻焊層厚度、注塑壓力、裝片位置和基板底面阻焊層覆蓋形狀，觀察芯片上應力的變化情況。

考慮到盡量減少計算量及減少干擾因子，模型中只保留了基板和芯片等結構。為了較好地反映芯片與基板底部阻焊的相對位置，圖中隱藏了部分基板和底部剛體，基板底部阻焊與芯片的相對位置如圖9所示。

圖9 基板底部阻焊與芯片的相對位置

4.1 基板厚度、芯片厚度、阻焊層厚度及注塑壓力的影響

設計如表2所示的組別，對相關因子進行仿真分析。Leg1為原始結構，Leg2增加基板厚度，Leg3增加芯片厚度，Leg4減薄阻焊層厚度，Leg5減小注塑壓力，仿真中僅考慮芯片沒有任何損傷的情況。

表2 分析組別信息

各組變應力如表3所示，由以上仿真結果可以看到，基板厚度增加可以有效減小模壓下芯片的應力；增加芯片厚度對應力有比較大的改善；油墨厚度減薄后芯片應力也改善明顯；注塑壓力減小后芯片應力也相應減小。

表3 基板厚度、芯片厚度、阻焊層厚度、注塑壓力對芯片應力的影響

4.2 芯片長邊懸空比例影響

Leg6為將芯片長邊的一端放置在基板底面阻焊上方而另一端則懸空，向上移動芯片位置，改變懸空比例，觀察芯片應力的變化情況。從仿真結果看到，隨著芯片懸空比例的減小，芯片正面應力變化不大，背面應力有減小的趨勢，應力變化如表4所示。

表4 芯片長邊懸空比例影響

4.3 芯片短邊懸空比例影響

Leg7為將芯片短邊的一端放置在基板底面阻焊層上方而另一端則懸空，改變芯片的懸空比例，觀察應力的變化情況。從仿真結果看到，當芯片大部分懸空時，芯片背面的最大主應力明顯大于芯片正面；當芯片小部分懸空時，芯片正面的最大主應力明顯大于芯片背面，應力變化如表5所示。

表5 芯片短邊懸空比例影響

4.4 芯片兩端有支撐、中間懸空比例影響

Leg8將芯片短邊的兩端架在基板底面阻焊層上，減小無阻焊區域的面積，從而改變芯片的懸空比例，觀察應力的變化情況。從仿真結果看到，此模式下芯片背面的最大主應力較大，當芯片懸空比例減小時，芯片背面應力有減小的趨勢，應力變化如表6所示。

表6 芯片兩端有支撐、中間懸空比例影響

4.5 芯片中間有支撐、兩端懸空比例影響

Leg9為將芯片橫跨在基板底面阻焊條的上方，改變阻焊條的寬度，觀察應力的變化情況。根據仿真結果可以看到，在阻焊條寬度很窄的情況下，芯片正面最大主應力較小，隨著阻焊條寬度的增加，芯片應力有增大的趨勢，而到阻焊條寬度占芯片寬度比例較大時，芯片應力有減小的趨勢，應力變化如表7所示。

表7 芯片中間有支撐、兩端懸空比例影響

4.6 芯片全部懸空

Leg10為將芯片全部懸空在基板底面阻焊未覆蓋區域內，從仿真結果看到，與Leg1相比，芯片正背面最大主應力都有減小，應力變化如表8所示。

表8 芯片全部懸空應力變化

綜合上述所有影響因子的分析，匯總規律如表9所示。

表9 影響因子分析

5 結論

本文探討了LGA封裝芯片在注塑壓力下的受力問題，采用完整全局模型進行有限元仿真，對模壓下芯片應力進行多因子分析，結果表明注塑壓力導致的基板變形是芯片斷裂的根本原因。增加基板厚度、芯片厚度，減小阻焊層厚度，注塑壓力可以通過減少基板變形和增加芯片剛度的方式來減少芯片應力。另外，芯片適當的擺放位置也可以避免芯片較大的變形和應力集中。在封裝設計時對芯片應力進行評估，從而避免此類風險發生。