杨氏模量(E)的处理方式对于封装翘曲的影响居然有这么大

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杨氏模量(E)的处理方式对于封装翘曲的影响居然有这么大

        随着技术的不断发展，芯片封装的集成度越来越高，尺寸也越来越大，随之而来的封装翘曲问题也越来越引起关注。目前达到的共识是：影响芯片封装翘曲最主要的原因就是封装中不同材料热膨胀系数（CTE）的失配性，但材料杨氏模量E对于封装翘曲同样有着不可忽视的影响，本文将对比不同杨氏模量的处理方法给仿真结果带来的影响。

        本文以常用的FCCSP封装为例，为了能够更好的对比出不同杨氏模量的处理方法给翘曲结果带来的影响，将采用strip形式的封装，封装尺寸为240.5*95mm，温度载荷为175℃~25℃，模拟塑封材料固化的过程。封装模型及有限元网格如下：

        封装中各材料参数如下表所示：

        通常情况下，我们获得到的杨氏模量都如上表Molding材料那样，其中包括Tg值、25℃下的杨氏模量与260℃下的杨氏模量。我们认为材料的杨氏模量在Tg值处进行转变。（使用DMA方法测量得到的Tg值更加准确一些，但如果没有这个参数，可以使用TMA测量得到的Tg值进行代替）

下面将介绍不同杨氏模量处理方法对于翘曲结果的影响。

1、等效法

        在这种方法中，使用公式将材料的杨氏模量进行等效，公式为：

        经过公式计算后，各材料的参数如下表所示：

        将以上材料参数赋给封装中相应的部分进行翘曲仿真，翘曲结果为3.8mm，表现为笑脸，结果如下：

2、三段法

        在此种方法中，根据提供的Tg值、E1与E2将材料在关注的温度范围内的杨氏模量曲线描述出来，如表中的molding材料，其三段式表达为：

        将材料属性赋给封装中相应的部分进行翘曲仿真，翘曲值为5.8mm，表现为笑脸，结果如下：

3、分析

        在上面两种方法中，除杨氏模量的处理方法不同外，模型网格、边界条件、温度载荷、计算方法完全相同，但结果却相差52.6%，说明杨氏模量的处理方法对翘曲结果会产生较大影响。但为什么会有如此大的差别呢？下面我们对仿真结果进行分析。

        使用三段法表征Molding材料的杨氏模量时，strip的一个角点在整个温度过程中的变形曲线如下图所示：

        计算时的初始温度为175℃，此时温度是在Tg值之上的，材料的杨氏模量为240MPa，材料较软，而substrate的杨氏模量较大，材料较硬。虽然Molding材料的CTE较大，但是在此阶段，molding材料的变形并不能抵抗住substrate的变形，因此，strip表现出向substrate侧的收缩变形。

        随着温度逐渐降低向下跨过Tg点，Molding材料的杨氏模量逐渐提高，硬度逐渐变大，抵抗substrate的变形能力更强，在与substrate的变形拉锯中逐渐占据上风，因此，strip整体的翘曲方向发生改变，由哭脸变成笑脸。

        在等效法中，忽略了Molding材料杨氏模量在Tg前后的变化情况，而是计算出一个等效常值参数进行替代，在此种情况下，strip角点在整个温度过程中的变形情况如下图所示：

        从上图可以看出，在整个温度过程中，strip翘曲呈线性变化，并没有表现出变形方向的改变。

4、总结

        在封装翘曲仿真时，等效法会使材料杨氏模量产生一定程度的失真，并不能很好的表现出整个温度过程中的变形特性，影响计算精度，需要引起注意，输入的参数越能真实的描绘出材料本身的特性，则得到的结果越精确。

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