Reflow lehimleme sırasında SiP paketlerinde bükülme gerilimi üzerine çalışma

Elektronikteki küçük eğrilikler neden önem taşır

Modern cihazlar ve yapay zeka donanımları, posta pulu büyüklüğünden daha küçük paketlere muazzam hesaplama gücü sıkıştırıyor. Bu kompakt sistemlerin içinde, çipler, iletim katmanları ve lehim bağlantıları üretim sırasında yaşanan aşırı ısıtma ve soğutma döngülerine dayanmak zorunda. Warpage (bükülme) olarak adlandırılan hafif eğrilikler bile lehim toplarını çatlatabilir veya bağlantıları kopararak cihazın ömrünü sessizce kısaltır. Bu makale, lehimleme adımı sırasında bu küçük yapıların neden ve nasıl büküldüğünü ve daha akıllı bilgisayar modellerinin mühendislerin daha düz, daha güvenilir gelişmiş çip paketleri tasarlamasına nasıl yardımcı olabileceğini inceliyor.

Katmanlı çip sistemleri nasıl inşa edilir

Çalışma, System‑in‑Package (SiP) olarak adlandırılan bir tür gelişmiş pakete odaklanıyor. Basit bir kart üzerine tek bir çip yerine, SiP birçok ultra ince katmandan oluşan yüksek yoğunluklu bir devre altlığına birden fazla çip istifler. Bakır hatlar çipler arasında sinyalleri yönlendirirken, küçük metal küreler (lehim topları) tüm modülü ana baskı devre kartına bağlar. Üretim sırasında montaj, bir reflow fırınından geçirilir: sıcaklık oda sıcaklığından yaklaşık 240 °C civarına yükselir ve sonra tekrar soğur. Bakır, polimerler ve lehim farklı miktarlarda genişleyip büzüldüğü için malzeme sandviçi hafifçe gülen veya somurtan bir şekle doğru eğilebilir ve içindekilere gerilim uygular.

Gerçekçi benzetimlerle içe bakmak

Daha önceki bilgisayar modelleri warpage için sıklıkla kestirme yollara başvuruyordu. Karmaşık polimerleri basit elastik katılar olarak ele aldılar, ince bakır yolları birbirine benzer bloklar olarak ortaladılar ve lehimleme öncesi kartın zaten sahip olduğu herhangi bir eğilmeyi yok saydılar. Bu çalışma daha sadık bir anlatım kuruyor. Yazarlar gerçek bakır iz desenlerini modele açıkça yansıtıyor ve bazı ana polimer katmanlara “viskoelastik” davranış veriyor; yani çok kıvamlı bir bal gibi yük altında yavaşça gevşeyebiliyorlar. Ayrıca yüksek sıcaklıkta metalin gerilim altında yavaşça şekil değiştirmesi olan zamana bağlı lehim akması (creep) da hesaba katılıyor. Sonlu eleman modeli için dikkatle ayarlanmış bir ağ, doğruluk ile hesap süresini dengeliyor ve genel yöntem gerçek kartların hassas optik ölçümleriyle karşılaştırıldığında yaklaşık yüzde 7 civarında uyum gösteriyor.

Gerçekte bükülme ve gerilimi ne tetikliyor

Geliştirilmiş benzetimler birkaç sürpriz ortaya koyuyor. Öncelikle, altlığın bükülme deseni polimerlerin yumuşama noktasının üzerine çıkıldığında ve sonra tekrar düştüğünde “gülen” ve “somuran” şekiller arasında tersine dönüyor. Ölçülmüş başlangıç eğimini modele dahil etmek, zirve warpage değerini onlarca mikrometre değiştirdiği için kritik öneme sahip; bunu görmezden gelmek montajı olduğundan daha güvenli gösteriyor. Bakır iz düzeni kendisi gizli donatı çubukları gibi davranıyor: izler gerçekçi şekilde maplendiğinde, tahmin edilen warpage şekli basit bir kase yerine daha dalgalı oluyor ve deneylerle eşleşiyor. Çalışma ayrıca sadece çekirdek kartı sertleştirmenin paketleri daha düz yapacağının garantisi olmadığını gösteriyor. Genleşme güçlü bir şekilde yön bağımlı olduğundan, çok sert bir çekirdek aslında daha fazla gerilimi hapsedebilir ve bu gerilimi rahatlatmanın bir yolu olarak yapıyı daha fazla bükmeye zorlayabilir.

Daha güçlü değil, daha akıllı malzeme seçimi

Modelde farklı dielektrik ve çekirdek malzemeleri değiştirerek yazarlar, “en iyi” altlığın komşularıyla termal genleşmesi uyumlu ve sertliği aşırı olmayan—orta düzeyde—olduğunu buluyorlar. Birkaç aday dielektrik film arasında ABF‑L etiketli bir mühendislik malzemesi, reflow sürecinin kritik sıcaklık aralığında daha az genleştiği için en düşük warpage’u veriyor. Çalışma ayrıca geleneksel kurşunlu lehim ile iki kurşunsuz alaşımı karşılaştırıyor. Klasik Sn63Pb37 lehim lehimlemeden sonra en düşük gerilmeyi geliştirirken en yüksek kalıcı deformasyonu gösteriyor; bu da çok sayıda sıcaklık döngüsünde yorulma çatlaklarına daha yatkın hale getiriyor. Bir kurşunsuz alaşım olan SAC405 ise daha yüksek gerilim gösteriyor ama birikimli şeklinden çok daha düşük; bu da paketi tutan küçük lehim topları için uzun vadede daha iyi güvenilirliğe karşılık geliyor.

Gelecek elektronikler için bunun anlamı

Açık şekilde, çalışma gelişmiş çip paketlerindeki warpage’un tek bir “daha güçlü daha iyidir” malzeme seçimiyle kontrol edilemeyeceğini gösteriyor. Bunun yerine warpage, farklı termal davranışlara sahip kaç katmanın üst üste konduğu, ince bakır hatların nasıl düzenlendiği ve metaller ile polimerlerin ısı altında nasıl yavaşça gevşediği gibi etkenlerin bir araya gelmesinden doğuyor. Bu etkileri ayrıntılı şekilde yakalayarak önerilen simülasyon yöntemi, yönetilemez hesap kaynakları gerektirmeden bükülme ve gerilimi çok daha doğru tahmin ediyor. Bu da tasarımcılara cihazları daha düz ve bağlantıları daha sağlıklı tutacak altlık yığınlarını ve lehim alaşımlarını seçmek için pratik bir araç sunuyor; sıkıştırılmış, daha güvenilir elektronikler ve yapay zeka donanımları yolunu açıyor.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: elektronik paketleme, bükülme, sistem-içinde-paket, reflow lehimleme, lehim yorulması