在回流焊过程中 SiP 封装翘曲应力的研究

为什么电子产品中的微小弯曲很重要

现代设备和人工智能硬件将巨大的计算能力压缩到比邮票还小的封装里。在这些紧凑的系统内部，芯片、布线层和焊点必须经受制造过程中极端的加热和冷却。即便是轻微的弯曲——称为翘曲——也可能造成焊球开裂或连接断裂，悄然缩短器件寿命。本文探讨这些微小结构在焊接步骤中如何及为何发生弯曲，以及更智能的计算模型如何帮助工程师设计更平整、更可靠的先进芯片封装。

分层芯片系统如何构建

本研究聚焦一种称为系统级封装（SiP）的先进封装。与在简单电路板上放单个芯片不同，SiP 在由许多超薄层构成的高密度电路基板上堆叠多个芯片。铜线将芯片之间的信号互连，小金属球（焊球）则把整个模块连接到主印刷电路板。在制造过程中，组件要经过回流炉：温度从室温升到约240 °C，然后再冷却。由于铜、聚合物和焊料对温度的膨胀和收缩幅度不同，这种材料三明治会弯成微笑形或皱眉形，给内部器件施加应力。

用更真实的仿真“看内里”

早期的翘曲计算模型常常采取简化处理：把复杂的聚合物当成简单弹性体、把细密的铜走线平均为均匀块体，并忽略电路板在焊接前已有的弯曲。本工作建立了更忠实的描述。作者在模型中显式映射真实的铜走线图案，并赋予关键聚合物层“粘弹性”行为，意味着它们在载荷下能像非常粘稠的蜂蜜一样缓慢松弛。他们还将焊球在高温下随时间发生的“蠕变”包含进来，即金属在应力下缓慢变形。经过精细调节的有限元网格在精度和计算时间之间取得平衡，整体方法通过精确的光学测量与真实电路板的数据对比验证，误差约在7%以内。

真正驱动弯曲和应力的因素

改进的仿真揭示了若干意外现象。首先，当温度升高超过聚合物的软化点然后再次降温时，基板的弯曲模式会在“微笑”和“皱眉”形之间翻转。关键在于，纳入测得的基板初始弯曲会改变峰值翘曲几十微米；忽略初始弯曲会使组件看起来比实际更安全。铜走线布局本身像隐形的钢筋：当用走线映射进行真实建模时，预测的翘曲形状变得更波浪状——与实验一致——而不是简单的碗状。研究还表明，仅仅让核心板更刚性并不能保证封装更平整。由于热膨胀强烈地表现出方向依赖性，一个非常刚性的核心反而可能困住更多应力，使结构通过更多弯曲来释放这些应力。

选择更聪明的材料，而不是仅仅更强的材料

通过在模型中替换不同的介电和核心材料，作者发现“最佳”基板是那种热膨胀与邻近层匹配且刚度适中的材料，而不是极端刚硬的材料。在几种候选介电薄膜中，一种标记为 ABF‑L 的工程材料在回流过程的关键温度范围内膨胀较小，因此产生的翘曲最低。研究还比较了传统含铅焊料和两种无铅合金。经典的 Sn63Pb37 焊料在焊接后产生的应力最低，但永久变形最大，这使其在多次温度循环后更易发生疲劳裂纹。一种无铅合金 SAC405 显示出更高的应力但累计应变要低得多，这转化为对支撑封装的微小焊球而言更好的长期可靠性。

这对未来电子产品意味着什么

用通俗的话说，该工作表明先进芯片封装中的翘曲并不是由任何单一的“越强越好”材料选择所控制。相反，它由多层具有不同热学行为的材料如何堆叠、铜线如何布置以及金属和聚合物在受热时如何缓慢松弛共同决定。通过详细捕捉这些效应，所提出的仿真方法在不需要不可管理的计算资源情况下更准确地预测弯曲和应力。它为设计者提供了一个实用工具，帮助选择基板堆叠结构和焊料合金，使器件更平整、连接更健康，为更可靠、更高密度的电子产品和人工智能硬件铺平道路。

引用: 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

关键词: 电子封装, 翘曲, 系统级封装, 回流焊, 焊料疲劳