Onderzoek naar vervormingsspanningen in SiP‑verpakkingen tijdens reflowsolderen

Waarom kleine buigingen in elektronica ertoe doen

Moderne apparaten en AI‑hardware persen enorme rekenkracht in behuizingen die kleiner zijn dan een postzegel. Binnen deze compacte systemen moeten chips, bedradinglagen en soldeerverbindingen extreme verwarming en afkoeling tijdens de fabricage doorstaan. Zelfs een lichte buiging—ook wel vervorming genoemd—kan soldeerballetjes doen barsten of verbindingen doen breken, waardoor de levensduur van een apparaat onopgemerkt wordt verkort. Dit artikel onderzoekt hoe en waarom deze kleine structuren buigen tijdens de soldeerstap en hoe slimmere computer‑modellen ingenieurs kunnen helpen plattere, betrouwbaardere geavanceerde chipverpakkingen te ontwerpen.

Hoe gelaagde chipsystemen worden opgebouwd

De studie richt zich op een type geavanceerde verpakking genaamd System‑in‑Package (SiP). In plaats van één enkele chip op een eenvoudig bord stapelt een SiP meerdere chips op een hoog‑dichtheid circuitsubstraat dat uit vele ultradunne lagen bestaat. Koperen banen voeren signalen tussen chips, terwijl kleine metalen bolletjes (soldeerballetjes) het hele module verbinden met het hoofdprintplaat. Tijdens de fabricage wordt de montagemodule door een reflow‑oven geleid: de temperatuur stijgt van kamertemperatuur tot ongeveer 240 °C en koelt vervolgens weer af. Omdat koper, polymeren en soldeer bij temperatuurverschillen verschillend uitzetten en krimpen, kan de materialen‑sandwich lichtjes doorbuigen in een glimlach‑ of fronsvorm, wat spanning op alles binnenin veroorzaakt.

Inzicht met realistische simulaties

Vroege computermodellen van vervorming namen vaak vereenvoudigingen. Ze behandelden complexe polymeren als eenvoudige elastische stoffen, middelen de fijne koperen bedrading uit tot uniforme blokken en negeerden elke buiging die het bord al vóór het solderen had. Dit werk bouwt een getrouwere weergave. De auteurs brengen expliciet de echte koperen sporenpatronen in het model in kaart en geven sleutel‑polymeerlagen een visco‑elastisch gedrag, wat betekent dat ze onder belasting langzaam kunnen ontspannen, als een zeer stijve stroop. Ze nemen ook tijdsafhankelijke kruip in soldeerballetjes mee, waarbij metaal bij hoge temperatuur onder spanning langzaam plastisch vervormt. Een zorgvuldig afgestemde mesh voor het eindige‑elementenmodel balanceert nauwkeurigheid en rekentijd, en de methode wordt gecontroleerd met precieze optische metingen van echte borden, met overeenstemming binnen ongeveer 7 procent.

Wat vervorming en spanning echt aandrijft

De verbeterde simulaties onthullen enkele verrassingen. Ten eerste draait het buigpatroon van het substraat om tussen "glimlachende" en "fronsende" vormen naarmate de temperatuur boven het verzachtingspunt van de polymeren stijgt en vervolgens weer daalt. Cruciaal is dat het opnemen van de gemeten initiële buiging van het substraat de piekvervorming met tientallen micrometers verandert; het negeren ervan doet de montage veiliger lijken dan hij in werkelijkheid is. De lay‑out van de koperen sporen zelf werkt als verborgen wapening: wanneer realistisch gemodelleerd met spoormapping, wordt de voorspelde vervormingsvorm grilliger—en komt die overeen met experimenten—in plaats van een simpele komvorm. De studie laat ook zien dat het alleen stijver maken van de kernplaat niet gegarandeerd tot plattere verpakkingen leidt. Omdat uitzetting sterk anisotropisch is, kan een zeer stijve kern juist meer spanning opbouwen, waardoor de structuur meer gaat buigen als manier om die spanning te verlichten.

Slimmere materialen kiezen, niet alleen sterkere

Door verschillende dielektrische en kernmaterialen in het model te vervangen, vinden de auteurs dat het "beste" substraat degene is waarvan de thermische uitzetting past bij die van de naburige lagen en waarvan de stijfheid gematigd is, niet extreem. Onder meerdere kandidaat‑dielektrische films levert een engineeringmateriaal aangeduid als ABF‑L de laagste vervorming omdat het minder uitzet in het belangrijke temperatuurbereik van het reflow‑proces. De studie vergelijkt ook traditioneel loodhoudend soldeer met twee loodvrije legeringen. Klassiek Sn63Pb37‑soldeer ontwikkelt na het solderen de laagste spanning maar de hoogste permanente vervorming, waardoor het gevoeliger is voor vermoeiingsscheuren gedurende veel temperatuurcycli. Eén loodvrije legering, SAC405, vertoont hogere spanningen maar veel lagere geaccumuleerde rek, wat vertaalt naar betere langetermijnbetrouwbaarheid voor de kleine soldeerballetjes die de verpakking dragen.

Wat dit betekent voor toekomstige elektronica

Simpel gezegd toont het werk aan dat vervorming in geavanceerde chipverpakkingen niet te sturen is door één enkele materiaalkeuze volgens het principe "sterker is beter". In plaats daarvan ontstaat het uit hoe vele lagen met verschillende thermische eigenschappen worden gestapeld, hoe dunne koperen lijnen zijn gerangschikt en hoe metalen en polymeren onder hitte langzaam ontspannen. Door deze effecten gedetailleerd vast te leggen, voorspelt de voorgestelde simulatiewijze buiging en spanning veel nauwkeuriger zonder onhoudbare rekenkosten. Dat geeft ontwerpers een praktisch hulpmiddel om substraatstacks en soldeerlegeringen te kiezen die apparaten platter en verbindingen gezonder houden, en zo de weg vrijmaken voor betrouwbaardere, dichter verpakte elektronica en AI‑hardware.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: elektronische verpakking, vervorming, system‑in‑package, reflowsolderen, soldeermoeheid