Studie om böjspänningar i SiP‑paket under reflowlödning

Varför små böjningar i elektronik spelar roll

Moderna prylar och AI‑hårdvara pressar enorm beräkningskraft ner i paket mindre än ett frimärke. Inuti dessa kompakta system måste chip, ledningslager och lödfogar klara extrema uppvärmnings‑ och nedkylningcykler under tillverkningen. Även liten böjning — kallad warpage — kan spräcka lödkulor eller bryta kontakt, och därigenom tysta och förkorta enhets livslängd. Denna artikel undersöker hur och varför dessa små strukturer böjer sig under lödningssteget, och hur smartare datorbaserade modeller kan hjälpa ingenjörer att utforma flatare, mer tillförlitliga avancerade chippaket.

Hur lagerbyggda chipsystem konstrueras

Studien fokuserar på en typ av avancerat paket som kallas System‑in‑Package (SiP). Istället för ett enda chip på ett enkelt kort staplar en SiP flera chip ovanpå ett högdensitetssubstrat byggt av många ultratunna lager. Kopparspår leder signaler mellan chipen, medan små metallkulor (lödkulor) förbinder hela modulen med huvudkortet. Under tillverkningen passerar monteringen genom en reflowugn: temperaturen stiger från rumstemperatur till omkring 240 °C och sjunker sedan igen. Eftersom koppar, polymerer och lödlegeringar expanderar och krymper olika mycket med temperatur kan materialsmörgåsen buga sig i en svag leende‑ eller rynkform och därigenom spänna allt innehåll.

Insikt med realistiska simuleringar

Tidigare datormodeller av warpage tog ofta genvägar. De behandlade komplexa polymerer som enkla elastiska material, homogeniserade fina kopparledningar till enhetliga block och ignorerade eventuell befintlig böjning i kortet före lödning. Det här arbetet bygger en mer trogen bild. Författarna kartlägger uttryckligen de verkliga kopparspårens mönster i modellen och ger viktiga polymerlager viskoelastiskt beteende, vilket betyder att de kan långsamt relaxera under belastning likt mycket styv honung. De inkluderar också tidsberoende krypning i lödkulorna, där metallen långsamt deformeras under spänning vid hög temperatur. Ett noggrant anpassat nät för finita element‑modellen balanserar noggrannhet och beräkningstid, och metoden kontrolleras mot precisa optiska mätningar av verkliga kort, med överensstämmelse inom cirka sju procent.

Vad som verkligen driver böjning och spänning

De förbättrade simuleringarna avslöjar flera överraskningar. För det första växlar substratets böjningsmönster mellan "leende" och "rynka" när temperaturen klättrar över polymerernas mjukningspunkt och sedan sjunker igen. Avgörande är att inkludera den uppmätta initiala böjningen av substratet förändrar topp‑warpage med tiotals mikrometer; att ignorera den får monteringen att se säkrare ut än den verkligen är. Kopparspårens layout fungerar som dolda armeringsstänger: när de modelleras realistiskt med spårkartläggning blir den förutsagda warpageformen mer vågig — i överensstämmelse med experiment — snarare än en enkel skålform. Studien visar också att det inte räcker att bara göra kärnkortet styvare för att få flatare paket. Eftersom expansion är starkt riktningberoende kan ett mycket styvt kärnmaterial faktiskt låsa in mer spänning, vilket tvingar strukturen att böja mer som ett sätt att lätta på den spänningen.

Välja smartare material, inte bara starkare

Genom att byta olika dielektriska och kärnmaterial i modellen finner författarna att det "bästa" substratet är det vars termiska expansion matchar grannarnas och vars styvhet är måttlig, inte extrem. Bland flera kandidatfilmer ger ett ingenjörsmaterial märkta ABF‑L lägst warpage eftersom det expanderar mindre i den viktiga temperaturintervallet för reflowprocessen. Studien jämför också traditionellt blyhaltigt lödtenn med två blyfria legeringar. Klassisk Sn63Pb37‑lödning utvecklar lägst spänning efter lödning men störst permanent deformation, vilket gör den mer benägen för utmattningssprickor över många temperaturcykler. En blyfri legering, SAC405, uppvisar högre spänning men mycket lägre ackumulerad töjning, vilket översätts till bättre långsiktig tillförlitlighet för de små lödkulorna som bär upp paketet.

Vad detta betyder för framtidens elektronik

Enkelt uttryckt visar arbetet att warpage i avancerade chippaket inte styrs av något enstaka "starkare är bättre"‑materialval. I stället uppstår det av hur många lager med olika termiska egenskaper som staplats, hur tunna kopparspår arrangerats och hur metaller och polymerer långsamt relaxerar under värme. Genom att fånga dessa effekter i detalj förutspår den föreslagna simuleringsmetoden böjning och spänning mycket mer exakt utan att kräva ohanterliga beräkningsresurser. Det ger konstruktörer ett praktiskt verktyg för att välja substratstackar och lödlegeringar som håller enheter flatare och kontakter friskare, vilket banar väg för mer tillförlitlig, tätt packad elektronik och AI‑hårdvara.

Citering: 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

Nyckelord: elektronisk förpackning, böjning, system‑i‑paket, reflowlödning, lödutmattning