Badanie naprężeń wywołanych wypaczeniem w pakietach SiP podczas lutowania rozpływowego

Dlaczego drobne zagięcia w elektronice mają znaczenie

Nowoczesne gadżety i sprzęt AI upychają ogromną moc obliczeniową w obudowach mniejszych niż znaczek pocztowy. W tych kompaktowych systemach układy, warstwy przewodzące i połączenia lutowane muszą przetrwać ekstremalne nagrzewanie i chłodzenie podczas produkcji. Nawet niewielkie zagięcie — zwane wypaczeniem — może pękać kuleczki lutownicze lub przerywać połączenia, cicho skracając żywotność urządzenia. Niniejsza praca bada, jak i dlaczego te drobne struktury wypaczają się podczas etapu lutowania oraz jak inteligentniejsze modele komputerowe mogą pomóc inżynierom projektować bardziej płaskie i niezawodne zaawansowane pakiety układów.

Jak powstają wielowarstwowe systemy układów

Badanie koncentruje się na typie zaawansowanego pakietu zwanego System‑in‑Package (SiP). Zamiast pojedynczego układu na prostej płytce, SiP stackuje kilka układów na substracie o wysokiej gęstości ścieżek złożonym z wielu ultracienkich warstw. Miedziane ścieżki prowadzą sygnały między układami, podczas gdy małe metalowe kuleczki (kule lutownicze) łączą cały moduł z główną płytą drukowaną. W trakcie produkcji zespół przechodzi przez piec rozpływowy: jego temperatura rośnie od temperatury pokojowej do około 240 °C, a następnie spada. Ponieważ miedź, polimery i lut rozszerzają się i kurczą w różnym stopniu pod wpływem temperatury, kanapka materiałów może wygiąć się w delikatny łuk w kształcie uśmiechu lub smutku, naprężając wszystkie elementy wewnątrz.

Przegląd wnętrza za pomocą realistycznych symulacji

Wcześniejsze modele komputerowe wypaczeń często stosowały uproszczenia. Traktowały złożone polimery jako proste ciała sprężyste, uśredniały drobne ścieżki miedziane do jednorodnych bloków i ignorowały wszelkie zgięcia płytek przed lutowaniem. Niniejsza praca buduje wierniejszy obraz. Autorzy wyraźnie odwzorowują rzeczywiste wzory ścieżek miedzianych w modelu i nadają kluczowym warstwom polimerowym zachowanie „wiskoelastyczne”, co oznacza, że mogą one powoli odprężać się pod obciążeniem jak bardzo sztywny miód. Uwzględniono także zależne od czasu „ pełzanie” w kuleczkach lutowniczych, gdzie metal powoli odkształca się pod naporem przy wysokiej temperaturze. Starannie dostrojona siatka modelu elementów skończonych równoważy dokładność i czas obliczeń, a cała metoda została zweryfikowana względem precyzyjnych pomiarów optycznych rzeczywistych płytek, zgadzając się w przybliżeniu w granicach około 7 procent.

Co naprawdę napędza zgięcia i naprężenia

Ulepszone symulacje ujawniają kilka niespodzianek. Po pierwsze, wzorzec wyginania podłoża odwraca się między kształtami „uśmiechu” i „smutku” w miarę, jak temperatura przekracza punkt zmiękczenia polimerów, a następnie spada. Kluczowe znaczenie ma uwzględnienie zmierzonego początkowego zgięcia podłoża — zmienia ono maksymalne wypaczenie o dziesiątki mikrometrów; zignorowanie go sprawia, że zespół wydaje się bezpieczniejszy, niż jest w rzeczywistości. Sama topologia ścieżek miedzianych działa jak ukryte pręty wzmacniające: przy realistycznym odwzorowaniu ścieżek przewidywany kształt wypaczenia staje się bardziej falisty — zgodny z eksperymentami — zamiast prostego kształtu miski. Badanie pokazuje również, że samo usztywnienie rdzenia płytki nie gwarantuje płaskich pakietów. Ponieważ rozszerzalność cieplna jest silnie zależna od kierunku, bardzo sztywny rdzeń może faktycznie zatrzymywać więcej naprężeń, zmuszając strukturę do większego zgięcia jako sposobu ich złagodzenia.

Wybieranie mądrzejszych materiałów, nie tylko mocniejszych

Poprzez podmianę różnych dielektryków i materiałów rdzeniowych w modelu autorzy stwierdzają, że „najlepsze” podłoże to takie, którego rozszerzalność cieplna odpowiada sąsiadom i którego sztywność jest umiarkowana, a nie ekstremalna. Spośród kilku rozważanych filmów dielektrycznych materiał inżynierski oznaczony ABF‑L daje najmniejsze wypaczenie, ponieważ rozszerza się mniej w kluczowym zakresie temperatur procesu rozpływu. Badanie porównuje także tradycyjny lut ołowiowy z dwoma stopami bezołowiowymi. Klasyczny Sn63Pb37 wykazuje najniższe naprężenia po lutowaniu, ale największe trwałe odkształcenie, co czyni go bardziej podatnym na pęknięcia zmęczeniowe przy wielu cyklach temperaturowych. Jeden ze stopów bezołowiowych, SAC405, wykazuje wyższe naprężenia, ale znacznie niższe nagromadzone odkształcenie, co przekłada się na lepszą długoterminową niezawodność drobnych kuleczek lutowniczych podtrzymujących pakiet.

Co to oznacza dla przyszłej elektroniki

Mówiąc prosto, praca pokazuje, że wypaczenie w zaawansowanych pakietach układów nie jest kontrolowane przez pojedynczy wybór materiału „im mocniej, tym lepiej”. Zamiast tego wynika z tego, jak wiele warstw o różnych zachowaniach termicznych jest ułożonych, jak rozmieszczone są cienkie ścieżki miedziane oraz jak metale i polimery powoli odprężają się pod wpływem ciepła. Uchwycenie tych efektów w szczegółach pozwala proponowanej metodzie symulacyjnej przewidywać wyginanie i naprężenia znacznie dokładniej bez żądania niezarządzalnych zasobów obliczeniowych. To daje projektantom praktyczne narzędzie do wyboru stosów podłoży i stopów lutowniczych, które pomagają utrzymać urządzenia bardziej płaskie i połączenia w lepszym stanie, torując drogę do bardziej niezawodnej, gęsto upakowanej elektroniki i sprzętu AI.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: opakowania elektroniczne, wypaczenie, system-w-pakiecie, lutowanie rozpływowe, zmęczenie lutów