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《Investigation on warpage characteristics for ultra- large MCM FCBGA package based on material-structure co-design and intelligent optimization》

题目：《Investigation on warpage characteristics for ultra- large MCM FCBGA package based on material-structure co-design and intelligent optimization》

作者：Ping Wu, student member, IEEE, Zhen Liu, Mingming Yi, Yiou Qiu, Linzheng Fu,Wenhui Zhu, Senior Member, IEEE, and Liancheng Wang, member, IEEE

发表时间：2025

DOI：10.1109/TCPMT.2025.3602869

期刊：IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology

摘要：人工智能（AI）和高性能计算（HPC）对计算能力需求的增加，推动了多芯片集成和大规模封装方法的显著进步。这使得多芯片模块（MCM）封装成为一种突出的技术手段。然而，硅芯片与有机基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会导致翘曲加剧，进而引发诸如凸点桥接、不润湿和焊球开裂等工艺和可靠性问题。因此，翘曲控制已成为此类产品的关键问题。本研究提出了一种结合材料 -结构协同设计和混合智能优化的翘曲控制方法。通过阴影云纹实验验证的4芯片102 mm ×102 mm倒装芯片球栅阵列（FCBGA）封装仿真模型，预测误差 ≤7.4%。翘曲呈现出受芯片布局影响的非均匀波浪图案，关键影响因素包括芯片间距、基板热膨胀系数、ring环热膨胀系数、环脚宽度和厚度。定制的响应面法（RSM）能够准确模拟非线性耦合效应，而混合 NSGA - II 和 PSO算法可优化翘曲。全参数优化使30 °C时的翘曲降低了33.5%（138.5 μm），245 °C时降低了88.3%（28.6 μm），而仅对ring环进行优化时，30 °C时的翘曲改善更为显著，降低了50.9%（102.2 μm），245 °C时降低了32.2%（166.4 μm）。所提出的方法为大规模 MCM封装的翘曲控制提供了新的思路和有效的策略。

结论：本研究通过实验和有限元方法对102 mm ×102 mm超大型四芯片倒装芯片球栅阵列（FCBGA）封装的翘曲进行了研究和优化。通过阴影云纹法验证了有限元分析（FEA）模型的准确性和精度，并在此基础上研究了多芯片布局与封装翘曲之间的关系。在翘曲优化设计中，首先通过单向模拟系统分析了封装材料性能和结构尺寸参数对翘曲的影响，筛选出主要影响因素，然后通过响应面法（RSM）获得设计因素的交互作用和高精度翘曲预测模型，并利用非支配排序遗传算法 II（NSGA-II）和粒子群优化算法（PSO）实现了245 ℃和30 ℃翘曲的多目标优化设计。研究的主要结论如下：

1)本研究构建的有限元分析（FEA）模型具有较高的精度和准确性，模拟与实验误差约为7.4%。

2)基板呈现出比 “M”或 “W”形更复杂的波浪形翘曲，芯片和基板中心有明显的 “谷” 和 “峰”，且芯片四角存在不对称应力。

3）有无ring环时，芯片间距对封装翘曲的影响不同。无ring环时，芯片间距越大，翘曲越小，在间距为60mm时达到最小值；有ring环时，随着间距的增加，封装翘曲先减小后增大，翘曲最小值出现在间距为36 -40mm时。

4）单向分析结果表明，以翘曲变化 ±20%为阈值，ring环厚度、ring环脚宽度、芯片间距、基板热膨胀系数（CTE）和ring环热膨胀系数（CTE）等五个参数是影响封装翘曲的关键参数。

5）定制的响应面模型（RSM）表明，ring环的热膨胀系数（CTE）和基板的热膨胀系数对翘曲的影响最大，而此前ring环的厚度与ring环的热膨胀系数以及基板的热膨胀系数之间存在非常强的相互作用。

6）封装材料和尺寸的全参数优化实现了最佳的翘曲控制，30℃时的翘曲量降低了33.5%，降至138.5μm，而245℃时的翘曲量显著降低了88.3%，仅为28.6μm。ring环尺寸的关键参数优化使30℃时的翘曲量降低了50.9%（降至102.2μm），245℃时的翘曲量降低了32.2%（降至166.4μm）。

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