雙邊扁平無引腳封裝翹曲和應力有限元分析與優化

雒繼軍

（佛山市藍箭電子股份有限公司，廣東 佛山 528051）

0 引言

微電子工藝對產品封裝精密化、集成化的追求促使產品封裝工藝與材料技術持續突破，DFN封裝技術以其優異的熱性能、更輕薄微小的尺寸在封裝領域中得到廣泛應用。在眾多微電子企業對封裝產品性能要求不斷提升的情況下，DFN封裝企業需要進行新材料、新工藝的研究，而有限元分析成為解決開發難題的重要助力，通過有限元模擬分析的方式，相關生產單位能夠更高效、直觀地了解DFN封裝翹曲和應力的影響因素，為工藝和材料的優化提供數據參考。

1 雙邊扁平無引腳封裝技術概述

方形扁平無引腳封裝形式主要包括QFN和DFN，前者為四邊出腳，而后者為兩邊出腳，DFN即為雙邊扁平無引腳封裝技術。當應用該封裝技術時，生產單位使用的電路板連接焊點即為取代傳統引腳焊接方式的底部金屬焊盤，在封裝體中的芯片與金屬焊盤相互連接，具有比有引腳封裝技術更短的導電和傳熱路徑，有效提高了封裝產品的導電性和散熱性。在實際應用時，DFN封裝多用于二極管、MOS管等尺寸不超出500μm的電子產品封裝，其結構組成主要包括EMC環氧塑封材料、金屬引線、芯片、貼片膠以及引線框架等，而EMC與引線框架為封裝體的重要組成部分。

2 材料熱膨脹系數和楊氏模量對封裝翹曲和應力的影響分析

為降低翹曲與應力有限元分析難度，結合生產實際，該文將金屬引線與芯片、貼片膠的影響忽略不計，可以將DFN封裝模型簡化，具體簡化情況見圖1。

2.1 建立有限元模型

為驗證2種材料參數對翹曲和應力的具體影響，在有限元模型中建立塑封體，其高、長、寬分別為0.55mm、2mm、2mm，其芯片高、長、寬分別為0.13mm、0.87mm、0.87mm，該模型還包括0.15mm厚度的引線框架和0.02mm厚度貼片膠。相對來說，鍵合金線20μm的直徑對應力和翹曲仿真結果無明顯影響，因此在模型建立時將其忽略[1]。DNF封裝所應用的貼片膠、引線框架、芯片以及EMC等材料均設定0.3的泊松比，貼片膠和EMC的玻璃態轉化溫度分別為120℃和130℃。

DFN 封裝有限元模型是通過約29萬個三維實體單元創建的，設定25℃和260℃的溫度體載荷以及175℃的塑封模具溫度，如圖2所示。

將EMC楊氏模量與熱膨脹系數2種材料參數對封裝翹曲和應力的影響進行分析，在有限元仿真時設置3組模型參數進行對比，見表1。

圖1 簡化前后DFN封裝結構示意圖

圖2 DFN封裝實物圖和有限元模型

表1 EMC材料3組對比參數配置表

2.2 結果分析

2.2.1 楊氏模量對封裝翹曲與應力的影響

按照表1所示參數標準配置3種有限元模型楊氏模量參數，通過分析得到的仿真結果見表2。結果表明，當溫度為25℃時，隨著楊氏模量的提升，DFN封裝的應力數值提升，但翹曲幅度均有所降低；當溫度為260℃時，隨著楊氏模量的提升，DFN封裝的應力數值提升，但翹曲幅度均有所降低。可見，通過調整EMC材料楊氏模量的方式，能夠改善DFN封裝的翹曲幅度，但也會因此提升封裝應力[2]。

表2 EMC楊氏模量對DFN封裝翹曲和應力影響結果

2.2.2 熱膨脹系數對封裝翹曲與應力的影響

按照表1所示參數標準配置3種有限元模型熱膨脹系數參數，得到仿真結果見表3。結果表明，當溫度為25℃時，隨著熱膨脹系數的提升，DFN封裝的應力數值與翹曲幅度均有所增加；當溫度為260℃時，隨著熱膨脹系數的提升，DFN封裝的應力數值與翹曲幅度均有所增加[3]?？梢?，通過調整EMC材料熱膨脹系數的方式，能夠改善DFN封裝的翹曲幅度和應力大小。

表3 EMC熱膨脹系數對DFN封裝翹曲和應力影響結果

2.3 DFN封裝材料的選型優化分析

由上文可知，在260℃和25℃的狀態下，通過調整EMC楊氏模量與熱膨脹系數的方式能夠改善DFN的封裝翹曲幅度與應力數值，熱膨脹系數的降低能夠幫助降低翹曲幅度、減少應力，但降低楊氏模量能夠在降低翹曲幅度的同時增加封裝體應力。針對該情況，須綜合考慮2種參數共同作用下對翹曲幅度和應力數值的影響，提升DFN 封裝質量。因此，結合生產經驗對以前應用的EMC材料進行優化，使用260℃等效熱膨脹系數310-6℃-1、楊氏模量 740MPa且25℃時等效熱膨脹系數16.0710-6℃-1、楊氏模量24500MPa，其他材料參數維持不變，參數優化后的模型假設為BOM2，優化前的模型假設為BOM1，進行有限元分析，得到結果如下。

2.3.1 翹曲結果分析

針對優化前后的2種模型進行仿真分析，得到翹曲幅度變化情況，翹曲圖形態均接近，均為哭臉狀。選擇路徑為封裝底面對角線，對與路徑垂直方向的翹曲變形情況進行計算，得到變形高差最大值即為封裝翹曲值，得到優化前后2組模型在2種不同溫度下的翹曲幅度結果。低于玻璃態轉化溫度25℃的狀態下，參數優化后的翹曲幅度高于優化前的，2者數值分別為1.26μm和1.06μm；高于玻璃態轉化溫度260℃的狀態下，參數優化后的翹曲幅度低于優化前的，二者數值分別為0.91μm和1.67μm；在25℃狀態下，參數優化導致封裝翹曲幅度提升約18.9%；在260℃狀態下，參數優化后導致封裝翹曲幅度降低約45.5%，翹曲變化強化在溫度達到玻璃態轉化溫度前后是相反的。出現這一現象的原因與楊氏模量的作用有關，由于熱膨脹系數降低導致封裝翹曲幅度降低，但楊氏模量的降低卻增大了翹曲幅度，這也導致低溫情況下出現翹曲幅度不減反增的情況，但綜合對比可以確認，參數優化后的封裝翹曲效果更佳。

2.3.2 應力結果分析

針對優化前后的2種模型進行仿真分析，選擇路徑為封裝底面中心至頂面中心垂直線，對路徑方向的等效應力情況進行計算，得到優化前后2組模型在2種不同溫度下的應力數值結果。EMC部位的應力變化趨勢為自下而上不斷降低，引線框架部位的應力變化趨勢為自下而上不斷增加。當溫度為25℃時，材料參數優化前后的應力變化趨勢一致，最大應力均位于裸芯片底部區域，應力數值分別為180.65MPa和172.45MPa；當溫度為260℃時，材料參數優化前后的應力變化趨勢一致，最大應力均位于裸芯片頂部區域，應力數值分別為12.88MPa和11.68MPa。可見，材料參數的優化有效降低了DFN封裝的應力數值。

3 材料尺寸參數對封裝翹曲和應力的影響分析

3.1 有限元模型建立及相關參數要求

為研究材料尺寸參數對封裝翹曲和應力的影響，該文選擇研究的對象主要為IS34C02B -2DLI這一DFN2X3器件，該器件的主要結構包括環氧模塑封材料、硅芯片、黏結劑、銅焊盤框架4個部分，封裝器件采用引線鍵合的方式連接焊盤與芯片，由于引線尺寸較小，對封裝器件的翹曲變形和應力影響不大，因此在有限元模型建立期間將其忽略，簡化封裝器件的結構，提升建模和分析效率。上述器件結構材料的型號分別為A194型號的銅焊盤框架、硅芯片、G770HCD型號的還原模塑封材料以及8200TU型號的芯片黏接劑，在有限元模型分析過程中將芯片黏接劑與環氧模塑封材料的熱膨脹參數以及楊氏彈性模量參數均設定為與時間、溫度存在關聯的黏彈性材料。

由于二維模型相對三維模型的結構更加簡單，能夠更高效、精細化地表達DFN封裝模型的各類參數，模型分析期間不會產生較多節點，能夠利用更少的單元高精度模擬翹曲、應力情況。在有限元模型建立期間，該文結合DFN封裝結構的對稱性特征，將一半封裝器件的截面作為主體進行建模分析，對稱軸中各節段約束均為X方向，對稱軸最下方節點約束為X方向和Y方向。為避免網格密度的差異性影響分析精度，將單元類型均設定為PLANE82，網格密度均設定為3，同時通過APDL編程語言解決ANSYS有限元仿真參數設置難題，在分析材料尺寸參數對翹曲和應力影響時，通過數值更新的方式建立各種參數模型，提升有限元分析效率。

相關研究人員針對QFN器件的研究成果表明，銀漿（黏接劑）形態能夠對封裝期間的應力產生影響，而且就相對寬度和厚度變化來說，“三角形溢出形態”的銀漿對材料界面部位的熱應力影響更大，能夠較大幅度地降低應力數值。因此，在相關器件封裝工藝中說明了銀漿溢出的情況，并制定了厚度標準。該文對DFN器件封裝翹曲和應力的分析模型對器件銀漿形態進行了限制，統一設定為10μm的厚度標準且無溢出情況。為建造對SMT貼片工藝的溫度加載情況模型，在模擬過程中嚴格按照J-STD-020D標準對各溫度節點進行控制，確保溫度加載過程與溫度曲線契合。

3.2 結果分析

3.2.1 封裝體厚度對封裝翹曲與應力的影響

為驗證封裝體厚度對翹曲幅度和應力的影響，在相同有限元分析模型的基礎上，對封裝體的厚度參數進行調整，厚度參數分別為0.45mm、0.55mm、0.75mm和0.95mm，得到翹曲及應力變化。DFN封裝翹曲幅度與封裝體厚度存在關聯，且隨著厚度的提升而展現出更低的翹曲變形幅度，但整體變化數值相對較小。

進一步分析可以發現，減少封裝體的厚度能夠改變三角區域的應力數值，如0.45mm時的27.88MPa和0.95mm時的46.98MPa，雖然封裝翹曲的變形量有所增加，但是0.45mm時的翹曲變形幅度依然在0.82μm內，數值相對較低。在優化封裝體厚度的過程中，生產單位需要考慮銅線或金線鍵合時的工藝要求，須將塑封體頂面與裸芯片表面的間距控制在0.127mm，由此降低封裝體厚度期間可能發生鍵合金屬線裸露問題的概率，這需要生產單位從框架、芯片厚度2個方面入手對整體厚度進行控制。

3.2.2 芯片厚度對封裝翹曲與應力的影響

在掌握芯片厚度對封裝翹曲與應力的影響情況后，選擇0.15mm框架厚度、0.55mm封裝體厚度參數，按照0.1016mm、0.1524mm以及0.2032mm這3種芯片厚度進行有限元分析，得到應力數值與翹曲變化趨勢。數據表明，芯片厚度對DFN封裝翹曲影響幅度較低，但應力變化幅度相對較大，由最高厚度時的40.3MPa降低至最低厚度時的34.3MPa，在DFN封裝生產加工環節，相關生產單位可以從芯片厚度控制角度入手，通過降低厚度的方式優化DFN封裝應力。

3.2.3 框架厚度對封裝翹曲與應力的影響

為驗證銅焊盤框架厚度對封裝翹曲和應力的影響，在有限元模型中設定0.1524mm的芯片厚度，同時將封裝體厚度控制在0.55mm，其他結構參數按照封裝器件原有尺寸設定，通過設定銅焊盤框架不同厚度值的方式對封裝翹曲和應力數值進行分析。有限元模擬分析結果指出，封裝期間翹曲變形程度受銅焊盤框架厚度影響較小，但應力數值受銅焊盤框架厚度影響較大，如0.203mm厚度時的封裝體應力可達43MPa，當厚度降低至0.15mm時達到40.5MPa，當厚度降低至0.1mm時達到31.6MPa，雖然厚度減少能夠有效緩解封裝體所受應力的影響，但是較小的厚度通常會增加封裝翹曲變形幅度，在實際應用時也要綜合考慮應力和翹曲變形因素。

3.2.4 框架散熱底尺寸對封裝翹曲與應力的影響

為驗證框架散熱底尺寸對封裝翹曲和應力的影響，在有限元模型中設定0.1524mm的芯片厚度，同時將封裝體厚度控制在0.55mm，其他結構參數按照封裝器件原有尺寸設定，通過設定散熱底不同尺寸參數的方式對封裝翹曲和應力數值進行分析。通過有限元模擬分析發現，封裝翹曲與應力數值在散熱底尺寸變化過程中并未產生明顯變化，因此基于經濟因素考量，封裝單位可以適當減少散熱要求不高器件的散熱底尺寸。

3.2.5 芯片基島尺寸對封裝翹曲與應力的影響

為驗證芯片基島尺寸對封裝翹曲和應力的影響，在有限元模型中設定0.1524mm的芯片厚度，同時將封裝體厚度和散熱底尺寸分別控制在0.55mm和1.4mm，其他結構參數按照封裝器件原有尺寸設定，通過設定不同芯片基島尺寸的方式對封裝翹曲和應力數值進行分析。通過有限元模擬分析發現，封裝翹曲與應力數值在芯片基島尺寸變化過程中并未產生明顯變化，在實際應用時可以結合封裝需求對該尺寸進行調整。

4 結語

綜上所述，微電子行業對電子元器件封裝的高要求促使封裝企業不斷推進工藝、材料相關技術的改造工作，作為微電子封裝常用技術方法的DFN封裝優化更是相關企業關注的重點。通過有限元模型分析發現，DFN封裝翹曲和應力與封裝EMC材料的熱膨脹系數以及楊氏模量有關，生產單位可以通過降低楊氏模量和熱膨脹系數的方式降低應力數值，通過提升楊氏模量并降低熱膨脹系數的方式降低翹曲幅度；DFN封裝翹曲和應力也與封裝體、芯片等部件的厚度有關，生產單位可以通過降低材料厚度的方式改善翹曲與應力，實現對產品封裝效果的優化提升。