Estudo sobre tensões de warpage em pacotes SiP durante a soldagem por refluxo

Por que pequenas curvaturas em eletrônicos importam

Gadgets modernos e hardware de IA comprimem enorme poder de processamento em pacotes menores que um selo. Dentro desses sistemas compactos, chips, camadas de fiação e juntas de solda precisam resistir a aquecimentos e resfriamentos extremos durante a fabricação. Mesmo uma leve curvatura — chamada warpage — pode rachar esferas de solda ou romper conexões, encurtando silenciosamente a vida útil de um dispositivo. Este artigo explora como e por que essas pequenas estruturas se curvam durante a etapa de soldagem e como modelos computacionais mais inteligentes podem ajudar engenheiros a projetar pacotes de chips avançados mais planos e confiáveis.

Como sistemas de chips em camadas são construídos

O estudo foca em um tipo de pacote avançado chamado System‑in‑Package (SiP). Em vez de um único chip em uma placa simples, um SiP empilha vários chips em um substrato de circuito de alta densidade composto por muitas camadas ultrafinas. Traços de cobre roteiam sinais entre os chips, enquanto pequenas esferas metálicas (bolas de solda) conectam todo o módulo à placa principal. Durante a fabricação, o conjunto passa por um forno de refluxo: sua temperatura sobe da ambiente até cerca de 240 °C e depois esfria. Como cobre, polímeros e solda se expandem e contraem em graus diferentes com a temperatura, o sanduíche de materiais pode arquejar em uma leve forma de sorriso ou de carranca, tensionando tudo o que há dentro.

Observando internamente com simulações realistas

Modelos computacionais anteriores do warpage frequentemente adotavam atalhos. Tratavam polímeros complexos como sólidos elásticos simples, homogeneizaram os finos condutores de cobre em blocos uniformes e ignoraram qualquer curvatura que a placa já apresentasse antes da soldagem. Este trabalho constrói uma imagem mais fiel. Os autores mapeiam explicitamente os padrões reais de trilhas de cobre no modelo e atribuem às camadas poliméricas chave um comportamento viscoelástico, o que significa que elas podem relaxar lentamente sob carga, como um mel muito rígido. Eles também incluem o efeito de ‘‘creep’’ dependente do tempo nas bolas de solda, em que o metal se deforma lentamente sob tensão em alta temperatura. Uma malha afinada para o modelo de elementos finitos equilibra precisão e tempo de processamento, e o método geral é verificado contra medidas ópticas precisas de placas reais, concordando em cerca de 7 por cento.

O que realmente impulsiona a curvatura e a tensão

As simulações aprimoradas revelam várias surpresas. Primeiro, o padrão de curvatura do substrato inverte entre formas de ‘‘sorriso’’ e ‘‘carranca’’ conforme a temperatura ultrapassa o ponto de amolecimento dos polímeros e depois cai novamente. Crucialmente, incluir a curvatura inicial medida do substrato altera o warpage máximo em dezenas de micrômetros; ignorá‑la faz o conjunto parecer mais seguro do que realmente é. O layout das trilhas de cobre age como vergalhões ocultos: quando modelado realisticamente com mapeamento das trilhas, a forma prevista do warpage torna‑se mais ondulada — combinando com experimentos — em vez de uma tigela simples. O estudo também mostra que apenas tornar o núcleo da placa mais rígido não garante pacotes mais planos. Como a expansão é fortemente dependente da direção, um núcleo muito rígido pode na verdade aprisionar mais tensão, forçando a estrutura a se curvar mais como forma de aliviar essa tensão.

Escolhendo materiais mais inteligentes, não apenas mais fortes

Trocando diferentes dielétricos e materiais de núcleo no modelo, os autores concluem que o substrato ‘‘ideal’’ é aquele cuja expansão térmica combina com a dos vizinhos e cuja rigidez é moderada, não extrema. Entre vários filmes dielétricos candidatos, um material de engenharia rotulado ABF‑L apresenta o menor warpage porque se expande menos na faixa de temperatura crítica do processo de refluxo. O estudo também compara a solda tradicional com chumbo e duas ligas sem chumbo. A clássica Sn63Pb37 desenvolve a menor tensão após a soldagem, mas a maior deformação permanente, tornando‑a mais suscetível a trincas por fadiga ao longo de muitos ciclos térmicos. Uma liga sem chumbo, SAC405, mostra tensão mais alta, porém deformação acumulada muito menor, o que se traduz em melhor confiabilidade a longo prazo para as pequenas bolas de solda que sustentam o pacote.

O que isso significa para a eletrônica do futuro

Em termos simples, o trabalho mostra que o warpage em pacotes de chips avançados não é controlado por uma única escolha de material do tipo ‘‘mais forte é melhor’’. Em vez disso, ele emerge de como várias camadas com diferentes comportamentos térmicos são empilhadas, como as linhas finas de cobre são arranjadas e como metais e polímeros relaxam lentamente sob calor. Ao capturar esses efeitos em detalhe, o método de simulação proposto prevê curvaturas e tensões com muito mais precisão sem exigir recursos computacionais inviáveis. Isso dá aos projetistas uma ferramenta prática para escolher empilhamentos de substrato e ligas de solda que mantenham os dispositivos mais planos e as conexões mais saudáveis, abrindo caminho para eletrônicos e hardware de IA mais confiáveis e compactos.

Citação: 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

Palavras-chave: embalagem eletrônica, warpage, sistema-em-pacote, soldagem por refluxo, fadiga da solda