Estudio sobre el estrés por deformación en paquetes SiP durante la soldadura por reflujo

Por qué importan las pequeñas curvaturas en la electrónica

Los dispositivos modernos y el hardware de IA concentran una enorme potencia de cálculo en paquetes más pequeños que un sello postal. Dentro de estos sistemas compactos, los chips, las capas de cableado y las uniones de soldadura deben sobrevivir a calentamientos y enfriamientos extremos durante la fabricación. Incluso una leve curvatura —llamada warpage o deformación— puede agrietar las bolas de soldadura o romper conexiones, acortando discretamente la vida útil del dispositivo. Este artículo explora cómo y por qué se deforman estas pequeñas estructuras durante el paso de soldadura, y cómo modelos informáticos más inteligentes pueden ayudar a los ingenieros a diseñar paquetes de chips avanzados más planos y fiables.

Cómo se construyen los sistemas de chips en capas

El estudio se centra en un tipo de paquete avanzado llamado System‑in‑Package (SiP). En lugar de un único chip sobre una placa simple, un SiP apila varios chips sobre un sustrato de circuito de alta densidad compuesto por muchas capas ultrafinas. Líneas de cobre direccionan las señales entre chips, mientras pequeñas esferas metálicas (bolas de soldadura) conectan todo el módulo a la placa de circuito impreso principal. Durante la fabricación, el conjunto pasa por un horno de reflujo: su temperatura sube desde la ambiente hasta alrededor de 240 °C y luego vuelve a bajar. Debido a que el cobre, los polímeros y la soldadura se expanden y contraen en distinta medida con la temperatura, el sándwich de materiales puede curvarse formando una ligera sonrisa o ceño fruncido, causando tensiones en todos los elementos internos.

Mirar en el interior con simulaciones realistas

Modelos informáticos anteriores del warpage a menudo tomaban atajos. Trataban polímeros complejos como sólidos elásticos simples, promediaban el fino cableado de cobre en bloques uniformes e ignoraban cualquier curvatura previa que la placa tuviera antes de la soldadura. Este trabajo construye una imagen más fiel. Los autores mapean explícitamente los patrones reales de trazas de cobre en el modelo y otorgan a las capas poliméricas clave un comportamiento "viscoelástico", es decir, pueden relajarse lentamente bajo carga como una miel muy rígida. También incluyen el "fluido" dependiente del tiempo en las bolas de soldadura, donde el metal se deforma lentamente bajo tensión a alta temperatura. Una malla cuidadosamente ajustada para el modelo de elementos finitos equilibra precisión y tiempo de cálculo, y el método global se verifica frente a mediciones ópticas precisas de placas reales, coincidiendo en torno a un 7 por ciento.

Qué es lo que realmente impulsa la curvatura y el estrés

Las simulaciones mejoradas revelan varias sorpresas. Primero, el patrón de curvatura del sustrato cambia entre formas de "sonrisa" y "ceño" cuando la temperatura supera el punto de ablandamiento de los polímeros y luego vuelve a descender. De forma crucial, incluir la curvatura inicial medida del sustrato altera la warpage máxima en decenas de micrómetros; ignorarla hace que el conjunto parezca más seguro de lo que en realidad es. La disposición de las trazas de cobre actúa como barras de refuerzo ocultas: cuando se modelan de forma realista mediante el mapeo de trazas, la forma prevista de la deformación pasa a ser más ondulada —coincidiendo con los experimentos— en lugar de un simple cuenco. El estudio muestra también que el hecho de endurecer únicamente la placa central no garantiza paquetes más planos. Debido a que la expansión es fuertemente anisótropa, un núcleo muy rígido puede atrapar más tensión, forzando a la estructura a curvarse más como forma de aliviar ese estrés.

Elegir materiales más inteligentes, no solo más fuertes

Al intercambiar diferentes dieléctricos y materiales del núcleo en el modelo, los autores encuentran que el sustrato "óptimo" es el que tiene una expansión térmica que coincide con la de sus vecinos y una rigidez moderada, no extrema. Entre varios filmes dieléctricos candidatos, un material de ingeniería etiquetado ABF‑L presenta la menor deformación porque se expande menos en el rango de temperatura clave del proceso de reflujo. El estudio también compara la soldadura tradicional con plomo frente a dos aleaciones sin plomo. La clásica soldadura Sn63Pb37 desarrolla las tensiones más bajas tras la soldadura pero la mayor deformación permanente, lo que la hace más propensa a grietas por fatiga tras muchos ciclos térmicos. Una aleación sin plomo, SAC405, muestra tensiones mayores pero una deformación acumulada mucho menor, lo que se traduce en mejor fiabilidad a largo plazo para las pequeñas bolas de soldadura que sustentan el paquete.

Qué significa esto para la electrónica futura

En términos sencillos, el trabajo demuestra que la warpage en paquetes de chips avanzados no está controlada por una única elección material del tipo "más fuerte es mejor". En cambio, surge de cómo se apilan capas con comportamientos térmicos distintos, de cómo se disponen las líneas finas de cobre y de cómo metales y polímeros se relajan lentamente con el calor. Al capturar estos efectos en detalle, el método de simulación propuesto predice la curvatura y las tensiones con mucha más precisión sin requerir recursos computacionales inabordables. Eso ofrece a los diseñadores una herramienta práctica para elegir pilas de sustrato y aleaciones de soldadura que mantengan los dispositivos más planos y las conexiones más sanas, allanando el camino hacia electrónicos y hardware de IA más fiables y compactos.

Cita: Qu, R.N., Li, D.S., Pan, L. et al. Study on warpage stress in SiP packages during reflow soldering. Sci Rep 16, 14326 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38115-4

Palabras clave: empaquetado electrónico, deformación, sistema en paquete, soldadura por reflujo, fatiga de la soldadura