压缩成型SiP带材的翘曲gydF4y2Ba

文/ Eric Ouyang, Yonghyuk Jeong, JaeMyong Kim, JaePil Kim, OhYoung Kwon，和JCET的Michael Liu;以及CoreTech System (Moldex3D)的Susan Lin、Jenn An Wang、Anthony Yang和Eric Yang。gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba
封装系统(SiP)技术已广泛应用于电子设备，但由于复杂的制造参数和工艺，封装的翘曲行为难以控制和预测[1,2]。以往对翘曲的研究主要集中在SiP模块单元，而对带材翘曲作为制造工艺的函数的考虑通常没有进行理论和实验研究。本文从实验和数值上研究了生产工艺，主要是压缩成型工艺对翘曲的影响。为了更好地理解压缩成型的优点，我们还将使用计算机模拟比较压缩成型与传递成型。本文将指出这两种不同制造工艺的优缺点。gydF4y2Ba

我的介绍。gydF4y2Ba
本文采用压缩成型工艺制造了一种SiP带材。采用一种先进的材料表征方法研究了模具化合物的固化反应和压力-体积-温度-固化动力学。实验确定了环氧树脂的固化反应随温度和活化能的变化规律。在固化过程中，环氧树脂的粘度随温度和转化率的变化而变化。采用Castro-Macosko模型描述了环氧树脂的流变性能。gydF4y2Ba

实验上，我们制备了许多衬底条带样品。每条带包括968个SiP单元。对压缩成型工艺的制造参数，如温度、压力和工艺时间进行了仔细控制和监测，以研究翘曲和空隙的影响。使用阴影云纹和扫描声波断层扫描(SAT)仔细测量翘曲和空隙。gydF4y2Ba

除了实验外，还采用了两种不同的有限元方法来模拟带钢的翘曲。测量了带钢在不同方向上的翘曲，并与模拟结果进行了比较。第一种模拟方法采用传统力学模拟方法，只考虑热应力;第二种模拟方法采用PVTC模拟方法，考虑环氧化合物的瞬态动力学反应和粘弹性行为。gydF4y2Ba

通过本文所描述的工作，我们将提供一个独特的表征和数值方案，以更好地理解使用压缩成型工艺的带材的翘曲行为。压缩成型和传递成型工艺的比较为开发更好、更可靠的下一代IC封装提供了至关重要的见解。gydF4y2Ba

2SiP衬底的制备gydF4y2Ba
SiP基板带，其中有六个金属堆叠层，准备容纳968个SiP单元。表1显示了带材层的厚度和材料，其中SR代表阻焊剂，M1至M6为金属层，PP代表预浸料。gydF4y2Ba

为了研究带钢的翘曲，计算了每层铜材料的百分比。为了简化模拟过程，考虑了基于铜分布百分比的各带材层的有效材料特性。条带的尺寸约为240mm × 95mm, SiP单元均匀地分布在顶部。每个SiP都有许多无源和有源组件，如电容器、电阻、电感和倒装芯片芯片。无源组件的有效材料特性再次基于内部组件的体积百分比考虑。gydF4y2Ba

3工艺流程gydF4y2Ba
SiP带材的压缩成型涉及复杂的程序，图1说明了基本工艺流程。在本文中，我们主要关注的可靠性问题是SiP带材的翘曲和空隙，我们主要关注“成型”、“C-SAM”和“模后固化”。gydF4y2Ba

图1。压缩成型工艺流程gydF4y2Ba

图2是压缩成型实现的图形表示，其中一个模具握住基板带和其他IC组件，另一个模具握住熔化的树脂。将两个模具夹紧并加热在一起，将模具化合物固化并与IC组件和衬底条粘结，形成多个SiP模块。根据SiP模块大批量生产的推荐规格，仔细控制模具化合物和钢模具的温度。除了温度控制外，还设计了压缩速度或钢模移动距离随时间的变化规律，以确保模料的最大均匀性和最小剪切应力。采用专利的多步压缩工艺，图3是压缩成型步骤示意图，其中t为时间，单位为秒，d为距离，单位为mm。压缩成型后，模具复合样品的最终厚度约为500um。gydF4y2Ba

图2。压缩成型示意图gydF4y2Ba

图3。压缩成型工艺gydF4y2Ba

成型后，我们的下一步是检查带材的空隙。我们观察到，空洞要么太小，要么没有发生在关键位置。图4是SiP包[3]的SAT图像。微小的空隙显然不是可靠性问题，因此我们将重点转移到压缩模压带材的翘曲上。gydF4y2Ba

图4:用SAT检测空隙gydF4y2Ba

四、传统力学模拟gydF4y2Ba
为了分析翘曲行为，我们的第一个方法是实现传统的有限元力学模拟。这里的传统力学模拟是指对整个带钢组件进行简单的热加载，从参考温度到设备的最终状态。在热载荷作用下，材料性能的差异，如CTE和杨氏模量，会引起带钢的变形。模具化合物作为设备的主要组成部分，被认为是控制带钢翘曲的主要因素。因此，模具化合物的固化温度被选择为参考温度，或无应力温度，热加载的最后一步通常是室温。在传统的力学模拟中，无法考虑结晶器复合材料的动力学行为，仅受热应力的影响。gydF4y2Ba

表二显示了用于传统力学模拟的材料特性，图5是模拟带材在平面外方向的翘曲示例。为了将模拟的翘曲数据与实验数据进行比较，定义了翘曲幅度作为沿宽度、长度和对角线方向三个不同路径距离的函数，如图6所示。gydF4y2Ba

图5。来自传统力学模拟的翘曲gydF4y2Ba

图6。带材沿不同方向的翘曲gydF4y2Ba

五、PVTC仿真gydF4y2Ba
除了传统的机械仿真外，我们还实现了模具复合工艺流程的仿真。gydF4y2Ba

A.控制方程和化学流变学gydF4y2Ba
采用三维模流建模工具Moldex3D R17对其成型过程进行了研究。从理论上讲，微芯片封装过程是一个三维、瞬态、反应性的移动树脂前沿问题。模腔内树脂的非等温流动可以用以下公式进行数学描述:gydF4y2Ba

其中μ是速度矢量，T是温度，T是时间，p是压力，σ是总应力张量，ρ是流体密度，k是热导率，Cp是比热，Φ是能量来源。在这项工作中，能量源包含两个贡献:gydF4y2Ba

其中η为粘度，ϒ为变形张量速率的大小，α为转化率，ΔΗ为聚合的放热。gydF4y2Ba

环氧树脂比体积是压力、温度和固化动力学(PVTC)的函数。成型模拟将提供压力和温度，固化程度应计算固化动力学模型。PVTC的优点是它可以描述整体的具体体积变化。本文采用双域修正Tait模型描述PVTC:gydF4y2Ba

bgydF4y2Ba_1gydF4y2Bab ~gydF4y2Ba_5gydF4y2Ba为模型参数。gydF4y2Ba

环氧树脂的固化反应得到了不同分析方法的广泛关注。在这项工作中，由于组合模型能够准确预测实验数据，因此应用它来研究给定电磁兼容的固化动力学。组合模型可表示为:gydF4y2Ba

其中α为反应的转化率，A1, A2, E1, E2, m, n为模型参数。在固化过程中，环氧树脂的粘度随温度和转化率的变化而变化。采用Castro-Macosko模型描述环氧树脂的流变性能:gydF4y2Ba

Α,ΕgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}CgydF4y2Ba_1gydF4y2BaCgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba模型参数，αgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba表示胶凝转化时粘度曲线因环氧树脂三维网络结构的形成而上升。gydF4y2Ba

产品从模具弹出后，由于温度和转化率的差异，出现了自由热固化收缩。力学性能如表二所示。表示应力的平衡方程为:gydF4y2Ba

应力和应变之间的关系，gydF4y2Ba

其中σ为应力，C为第4张量，弛豫模量E(t, t， α)的函数，ε为应变张量，υ为位移向量。刚度张量可表示为:gydF4y2Ba

热诱导应变和固化诱导应变可表示为:gydF4y2Ba

αgydF4y2Ba_{CLTEgydF4y2Ba}为CTE张量，VS(P,V,T,C)可由化学体积收缩量通过测量计算得到。gydF4y2Ba

B.粘弹性本构行为[4]gydF4y2Ba
假设环氧模塑料的本构行为为线性粘弹性，将环氧模塑料的粘弹性性质定义为具有时温位移因子的Prony级数。采用Prony系列(也称为广义Maxwell模型)拟合模具剪切模量和体模量的主松弛曲线如下:gydF4y2Ba

在GgydF4y2Ba_∞gydF4y2Ba和KgydF4y2Ba_∞gydF4y2Ba表示成型材料完全松弛后的平衡剪切模量和体模量;GgydF4y2Ba_我gydF4y2BaKgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，和λgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba分别为各元素的普罗尼系数和松弛时间。位移因子是根据时间-温度叠加原理(TTS)确定的，该原理假定聚合物材料的粘弹性行为是一个参考温度(T0)，可以通过乘以时间或频率尺度a与温度T相关gydF4y2Ba_TgydF4y2Ba．通常有两个模型来描述agydF4y2Ba_TgydF4y2Ba．它们是Arrhenius型方程和WLF方程。阿伦尼乌斯方程表示在gydF4y2Ba

在ΔΗgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba是化学活化能，R是气体常数。wlf方程由方程21中描述的自由体积理论推导而来，其中许多聚合物的C1 = 17.44和C2 = 51.6:gydF4y2Ba

Arrhenius方程用于高于参考温度的温度，而WLF方程用于低于参考温度的温度。gydF4y2Ba

对于粘弹性性能的测量，使用DMA(动态机械分析仪)来测量材料模量作为松弛时间和温度的函数。gydF4y2Ba

C.材料性能表征gydF4y2Ba
在本节中，将解释材料表征的细节。图7显示了粘度与剪切速率、温度和加热速率(Q)的关系。采用Cross Castro Macosko模型来描述这种关系。对于热固性材料，粘度随温度的升高而增大。在高温下，材料的交联使粘度迅速增加。gydF4y2Ba

图7。粘度是加热速率和温度的函数gydF4y2Ba

图8和图9显示了固化和未固化的模具化合物的比体积与压力和温度的关系。PVTC模拟考虑了两条曲线中特定体积的变化。gydF4y2Ba

图8。固化后的模具化合物的体积与压力和温度的关系gydF4y2Ba

图9。未固化的模具化合物的体积与压力和温度的关系gydF4y2Ba

图10为模具化合物的固化动力学。固化动力学由一个组合模型描述，图中显示在较高的温度下转化率增加。gydF4y2Ba

图10。转换率是温度和时间的函数gydF4y2Ba

图11是完全固化的模具化合物的剪切模量随松弛时间和温度的函数。用广义麦克斯韦模型描述了这种关系。温度位移因子(TTS)用于描述材料软化作为温度和时间的函数。gydF4y2Ba

图11。完全固化的模量是松弛时间和温度的函数gydF4y2Ba

六、翘曲比较gydF4y2Ba
对比了实验和模拟的翘曲数据，图12是用阴影云纹法测量的实验翘曲数据之一。变形条沿长度方向在中间凹。图12和图5看起来很相似，但是如果不同时显示翘曲幅度，就很难比较它们之间的差异。在这方面，我们将所有的翘曲数据放在同一个图中，图13、14和15说明了沿宽度、长度和对角线方向的翘曲数据。为了便于比较，将每条曲线的最低翘曲值在Y轴上偏移为零，使所有曲线具有相同的参考点。图中仅放置了两组实验数据exp1和exp2，与传统力学和PVTC仿真数据进行比较。gydF4y2Ba

总体而言，模拟数据的翘曲方向与实验数据的翘曲方向吻合。但与PVTC模拟相比，传统力学模拟在长度方向和对角线方向上的数据明显超过实验数据。可能的原因之一是传统的力学模拟不能考虑模具复合材料在成型过程中的动力学行为和退火过程中模具复合材料应力的松弛。另一个观察结果是，与PVTC模拟相比，传统力学模拟在宽度方向上与实验数据更吻合。gydF4y2Ba

图12。实验翘曲数据gydF4y2Ba

图13。带材沿宽度方向的翘曲。gydF4y2Ba

图14。带材沿长度方向的翘曲。gydF4y2Ba

图15。带材沿对角线方向的翘曲。gydF4y2Ba

7压缩与传递成型gydF4y2Ba
压缩成型和传递成型的制造机理有很大的不同，例如，传递成型是将模具化合物从浇口沿带材长边注入模腔，如图16所示，然后模具化合物逐渐流动，充满整个模腔。在本节中，我们将比较压缩成型和传递成型工艺的优缺点。gydF4y2Ba

图16。模具复合流程的传递成型gydF4y2Ba

A.压缩成型所需要的压力要比传递成型均匀得多，压力要低得多，如图17所示。转移成型的模门设置在带钢的一侧，使流道变长。因此，在充填方向上出现了较高的注入压力和压力梯度。另一方面，对于压缩成型，在成型过程之前，模具化合物均匀地放置在模腔内，这样所需的成型压力要求就低得多，压力也会非常均匀。gydF4y2Ba

B.对于尺寸较大、零件较薄的器件，压缩成型工艺对夹紧力要求较低，如图19所示。gydF4y2Ba

C.为了加强传递成型过程的模料流动，较高的压力和较高的流速会导致模料的剪切速率较高。化合物的剪切速率越高gydF4y2Ba不仅会造成凹凸或模具开裂的危险，而且还会造成较弱的封装性。gydF4y2Ba

d .我gydF4y2Ba如果IC封装非常薄，传递成型将需要非常高的压力来填充模腔，这可能是不可能实现或实际的。gydF4y2Ba

E.如果设备尺寸较大，压缩成型可能是更好的选择，因为成型过程更节能，材料浪费更少。gydF4y2Ba

图17。压力分布比较。gydF4y2Ba

图18。剪切速率比较。gydF4y2Ba

图19所示。转移成型和压缩成型的夹紧力。gydF4y2Ba

8结论gydF4y2Ba
通过数值模拟和实验研究了压缩成型SiP衬底带材的翘曲现象。采用Shadow Moire测量了SiP模块的翘曲，并采用传统力学模拟和PVTC模拟两种不同的建模方法计算了翘曲并与实验数据进行了比较。对模具复合材料的PVTC材料特性进行了详细的表征以进行模拟。后续工作的结论或建议如下:gydF4y2Ba

a .一般情况下，传统模拟和PVTC模拟都可以预测带钢的翘曲方向。然而，传统的力学模拟会在带材长度方向上出现明显的翘曲幅度超调。在这方面，我们认为传统的力学模拟不适合预测带材的翘曲程度，而过程流模拟，如PVTC模拟，更适合捕捉压缩模压带材的翘曲行为。gydF4y2Ba

B.如本文所述，用两种不同的成型工艺(传递成型和压缩成型)制造SiP带材是不实际的。对于传递成型，我们必须使用数值模拟来获得翘曲、压力和剪应力的数据。为了更好地了解两种成型工艺的优缺点，我们建议选择一种合适的设备来制造这两种成型工艺，以便我们也可以进行实验比较。gydF4y2Ba

C.在论文完成时，对带材沿宽度方向的翘曲行为还不清楚，PVTC模拟数据与实验数据吻合不太好。可能的原因是:(a)没有考虑带材组件的各向异性材料特性，包括衬底层和模具化合物。(b)模拟中不考虑衬底带材的本征应力。(3)现有的粘弹性模型不能反映实际的翘曲行为，需要建立更好的粘弹性模型。gydF4y2Ba

D.更好的材料表征方法和先进模拟方案的开发仍然需要，这两点对于解决上述问题至关重要。对材料和工艺进行更深入和更彻底的基础研究是拥有可靠的IC封装的关键。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

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