Исследование напряжений изгиба в SiP‑пакетах во время оплавления припоя

Почему небольшие изгибы в электронике имеют значение

Современные гаджеты и аппаратное обеспечение для ИИ упаковывают огромную вычислительную мощность в корпуса меньше марки. Внутри этих компактных систем кристаллы, проводящие слои и паяные соединения подвергаются экстремальным нагреву и охлаждению в процессе производства. Даже незначительный изгиб — называемый warpage — может треснуть паяные шарики или разорвать контакты, незаметно сокращая срок службы устройства. В этой статье рассматривается, как и почему эти микро‑структуры изгибаются во время стадии пайки и как более точные компьютерные модели могут помочь инженерам проектировать более плоские и надёжные современные пакетные решения.

Как строятся многослойные системы на кристалле

Исследование сосредоточено на типе продвинутых пакетов, называемом System‑in‑Package (SiP). Вместо одного кристалла на простой плате SiP укладывает несколько кристаллов на высокоплотный подложковый слой, состоящий из множества ультратонких слоёв. Медные проводники направляют сигналы между кристаллами, а небольшие металлические шарики (паяные шарики) соединяют весь модуль с основной печатной платой. В ходе производства сборку пропускают через печь оплавления: её температура повышается от комнатной примерно до 240 °C, а затем снова снижается. Поскольку медь, полимеры и припой расширяются и сжимаются при изменении температуры в разной степени, «сэндвич» из материалов может прогибаться в лёгкую «улыбку» или «хмурое» состояние, создавая напряжения внутри конструкции.

Заглядывая внутрь с помощью реалистичных симуляций

Ранние компьютерные модели warpage часто допускали упрощения. Сложные полимеры рассматривались как простые упругие тела, тонкие медные проводники усреднялись в однородные блоки, а существующий до пайки изгиб платы игнорировался. В этой работе построена более правдивая картина. Авторы явно отображают реальные узоры медных трасс в модель и задают ключевым полимерным слоям «вязкоупругое» поведение, то есть способность медленно расслабляться под нагрузкой, как очень густой мёд. Они также включают зависимую от времени «ползучесть» в паяных шариках, когда металл медленно деформируется под напряжением при высокой температуре. Тщательно настроенная сетка конечных элементов балансирует точность и время расчёта, а общий метод проверен по точным оптическим измерениям реальных плат, согласуясь примерно в пределах 7 процентов.

Что действительно вызывает изгиб и напряжения

Улучшенные симуляции дают несколько неожиданных результатов. Во‑первых, рисунок прогиба подложки меняется между формами «улыбки» и «хмурого лица» по мере того, как температура поднимается выше точки смягчения полимеров и затем падает снова. Критично то, что включение измеренного начального изгиба подложки изменяет пиковый warpage на десятки микрометров; игнорирование этого делает сборку визуально безопаснее, чем она есть на самом деле. Сам шаблон медных трасс действует как скрытая арматура: при реалистичном моделировании с картированием трасс предсказанная форма изгиба становится более волнистой — что совпадает с экспериментами — а не простой чашеобразной. Исследование также показывает, что простое повышение жёсткости сердечника платы не гарантирует получения более плоских пакетов. Поскольку расширение сильно анизотропно, очень жёсткий сердечник может фактически удерживать больше напряжения, заставляя конструкцию больше изгибаться как способ его снять.

Выбирать умные материалы, а не просто более прочные

Меняя в модели разные диэлектрические и сердечные материалы, авторы обнаружили, что «лучшей» подложкой является та, чей коэффициент термического расширения согласован с соседними слоями и чья жёсткость умеренна, а не экстремально велика. Среди нескольких кандидатных диэлектрических плёнок инженерный материал, обозначенный ABF‑L, даёт наименьший warpage, поскольку он расширяется меньше в ключевом температурном диапазоне процесса оплавления. Исследование также сравнивает традиционный свинцовый припой с двумя бессвинцовыми сплавами. Классический припой Sn63Pb37 даёт наименьшие напряжения после пайки, но наибольшую остаточную деформацию, что делает его более склонным к усталостным трещинам при многократных температурных циклах. Один из бессвинцовых сплавов, SAC405, показывает более высокие напряжения, но значительно меньшую накопленную деформацию, что переводится в лучшую долговременную надёжность для крошечных паяных шариков, поддерживающих пакет.

Что это означает для будущей электроники

Проще говоря, работа показывает, что warpage в продвинутых пакетах не контролируется одним единственным принципом «чем прочнее, тем лучше». Вместо этого он возникает из того, как складываются слои с разным термическим поведением, как расположены тонкие медные линии и как металлы и полимеры медленно релаксируют под действием тепла. Захватив эти эффекты в деталях, предложенный метод моделирования предсказывает изгиб и напряжения гораздо точнее без неприемлемых вычислительных затрат. Это даёт конструкторам практичный инструмент для выбора стеков подложек и припойных сплавов, которые сохраняют устройства более плоскими и соединения — более здоровыми, прокладывая путь к более надёжной, плотно упакованной электронике и аппаратуре для ИИ.

Цитирование: 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

Ключевые слова: электронная упаковка, изгиб (warpage), система‑в‑пакете, оплавление припоя, усталость припоя