מחקר על לחצי עיקום באריזות SiP בזמן הלחמת reflow

מדוע כפיצות זעירות באלקטרוניקה חשובות

גאדג'טים מודרניים וחומרת בינה מלאכותית מדחסים כוח חישובי עצום בתוך חבילות הקטנות ממלח סְפַר הדואר. בתוך מערכות קומפקטיות אלה, שבבים, שכבות הולכה ומחברים בהלחמה חייבים לעמוד בחימום וקירור קיצוניים בזמן הייצור. אפילו כפיצות קלות—המכונות עיקום—יכולות לסדוק כדורי הלחמה או לשבור חיבורים, ובכך לקצר את חיי המכשיר בשקט. מאמר זה חוקר כיצד ומדוע מבנים זעירים אלה מעוקמים בשלב ההלחמה, וכיצד מודלים ממוחשבים חכמים יותר יכולים לעזור למהנדסים לתכנן חבילות שבבים שטוחות ואמינות יותר.

כיצד נבנים מערכות שבבים מרובות שכבות

המחקר מתמקד בסוג מתקדם של אריזה הנקראת System‑in‑Package (SiP). במקום שבב יחיד על לוח פשוט, ב‑SiP מצטברים כמה שבבים על מצע מעגלים בצפיפות גבוהה המורכב מהרבה שכבות דקיקות מאוד. קווי נחושת ממקמים אותות בין השבבים, בעוד כדורים מתכתיים קטנים (כדורי הלחמה) מחברים את המודול כולו ללוח המעגל המודפס הראשי. במהלך הייצור, ההרכבה עוברת בתנור ריפלו: הטמפרטורה עולה מטמפרטורת החדר לכ‑240 °C ואז מתקררת שוב. מאחר שנחושת, פולימרים והלחמה מתרחבים ומתקפלים בכמויות שונות עם שינוי טמפרטורה, הסנדוויץ' של החומרים עלול להתעקם לצורת חיוך או לעגמומיות קלה, ולמתוח את כל הרכיבים שבתוכו.

מבט פנימי באמצעות סימולציות ריאליסטיות

מודלים ממוחשבים מוקדמים של עיקום נטו קיצורי דרך. הם טיפלו בפולימרים מורכבים כמוצקים אלסטיים פשוטים, איחדו את קווי הנחושת הדקים לבלוקים אחידים והתעלמו מכל עיקום שהיה כבר בלוח לפני ההלחמה. עבודה זו בונה תמונה נאמנה יותר. הכותבים ממפים במפורש את דפוסי מסלולי הנחושת האמיתיים לתוך המודל ומייחסים לשכבות פולימר מרכזיות התנהגות "ויסקואלקית"—כלומר יכולת להרפיה איטית תחת עומס כמו דבש מאוד קשיח. הם גם כוללים "קריפ" תלוי זמן בכדורי ההלחמה, שבו המתכת מתעוותת לאט תחת מאמץ בטמפרטורה גבוהה. רשת מתואמת בקפידה עבור מודל האלמנטים הסופיים מאזנת בין דיוק לזמן חישוב, והשיטה הכוללת נבדקת מול מדידות אופטיות מדויקות של לוחות אמיתיים, וההתאמה היא בערך עד 7 אחוזים.

מה באמת מניע את העיקום והעומס

הסימולציות המשופרות חושפות כמה הפתעות. ראשית, דפוס העיקום של המצע משתנה בין צורת "חיוך" ל"עקום" כאשר הטמפרטורה עולה מעל נקודת ריכוך הפולימרים ואז יורדת שוב. מכריע, הכללת העיקום ההתחלתי הנמדד של המצע משנה את שיא העיקום בעשרות מיקרומטרים; התעלמות ממנו מצטיירת כאילו ההרכבה בטוחה יותר ממה שהיא באמת. פריסת מסלולי הנחושת עצמה מתנהגת כמו חישוקים מחזקים נסתרים: כאשר מדמים אותה בריאליזם עם מיפוי המסלולים, צורת העיקום החזויה הופכת לגלית יותר—התאמה לניסויים—ולא לקערה פשוטה. המחקר גם מראה כי קירור הלוח המרכזי בלבד לא בהכרח מביא לחבילות שטוחות יותר. משום שההתפשטות תלויה בכיוון באופן חזק, ליבה מאוד קשיחה יכולה למעשה לכלא עומס רב יותר, ולכפות על המבנה להתעקם יותר כדי לשחרר את המתח.

בחירת חומרים חכמים, לא רק חזקים

על ידי החלפת חומרים דיאלקטריים וליבתיים שונים במודל, המחברים מגלים שה"מצע הטוב" הוא זה שההתפשטות התרמית שלו תואמת לשכניו והקושי שלו נמצא בטווח מתון, לא קיצוני. מבין כמה סרטי דיאלקטריקה מועמדים, חומר הנדסי המסומן ABF‑L מראה את העיקום הנמוך ביותר כי הוא מתרחב פחות בטווח הטמפרטורות המרכזי של תהליך הריפלו. המחקר משווה גם בין הלחמת עופרת מסורתית לבין שתי סגסוגות ללא עופרת. הלחמת Sn63Pb37 הקלאסית מפתחת את המאמץ הנמוך ביותר לאחר ההלחמה אך את העיוות הקבוע הגבוה ביותר, מה שהופך אותה רגישת יותר לסדקי עייפות אחרי מחזורים רבים של טמפרטורה. אחת הסגסוגות ללא עופרת, SAC405, מראה מאמץ גבוה יותר אך עיוות מצטבר נמוך בהרבה, מה שמתורגם לאמינות טובה יותר לטווח הארוך עבור כדורי ההלחמה הזעירים שמחזיקים את החבילה.

מה משמעות הדבר לאלקטרוניקה העתידית

במילים פשוטות, העבודה מראה שעיקום בחבילות שבבים מתקדמות אינו נשלט על‑ידי בחירת חומר יחידה של "החזק יותר הוא טוב יותר". במקום זאת, הוא נובע מאופן הערמת שכבות רבות עם התנהגויות תרמיות שונות, כיצד מסודרות שורות נחושת דקיקות, וכיצד מתכות ופולימרים מרפאים לאט תחת חום. על ידי לכידת אפקטים אלה בפרטים, שיטת הסימולציה המוצעת חוזה עיקום ומתח בצורה מדויקת הרבה יותר מבלי לדרוש משאבי חישוב בלתי ניתנים לניהול. זה נותן למעצבים כלי מעשי לבחור ערימות מצע וסגסוגות הלחמה שישמרו על מכשירים שטוחים יותר וחיבורים בריאים יותר, ובכך פותח את הדרך לאלקטרוניקה וחומרת AI מהימנים וצפופים יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אריזת אלקטרוניקה, עיקום, System-in-Package, הלחמת reflow, עייפות הלחמה