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IC載板作為半導體晶片與印刷電路板（PCB）之間的介面，主要負責電氣連接和機械支撐。隨著晶片尺寸縮小和功能增加，IC載板的性能要求也越來越高，其中熱變形問題成為關鍵。因此隨著電子設備的發展，相關應用變得越來越重要。本文將探討IC載板的主要種類及其熱變形特性，以期為讀者提供初步的理解和選擇參考。
IC載板種類與熱特性
- BT載板：以環氧樹脂為基材，具有良好的熱穩定性和電氣性能，廣泛應用於傳統IC封裝。在高溫環境下，BT載板的熱膨脹係數較低，熱穩定性較好，但仍需注意加工應力。
- FR4載板：玻璃纖維增強的環氧樹脂基材，具有較高的機械強度和耐熱性，常用於多層PCB。具有中等熱膨脹係數，適合大多數應用，但在極端高溫下可能會出現變形問題。
- 陶瓷載板：以氧化鋁或氮化鋁為基材，具有優異的熱導率和電絕緣性能，適用於高功率及高頻應用。熱膨脹係數極低，幾乎不會發生熱變形，適用於要求嚴格的高溫環境。
- 金屬載板：以銅或鋁為基材，具有高熱導率和良好的機械性能，適用於高功率LED及大電流應用。高熱導率有效降低熱變形，但需考慮金屬材料的熱膨脹性和機械應力。
在整個封裝製造過程中，熱變形會好發於回流焊接以及封膠過程，尤其在回焊中，載板需經歷多次高溫加熱和冷卻循環，導致載板材料受熱膨脹和收縮，從而引發熱變形。那熱變形到底會對產品和製造過程中產生哪些影響呢?
- 電氣性能退化：熱變形可能會導致載板上的導電通路發生斷裂或接觸不良，影響IC產品的電氣性能。
- 機械應力增大：變形引起的內部應力可能會損壞芯片和載板之間的鍵合點，增加故障風險。
- 裝配困難：載板變形會使得後續裝配和測試過程困難，降低產品良率。
- 鍵合位置偏移：載板熱變形會導致金屬線鍵合點的位置發生偏移，影響鍵合精度和強度。
- 鍵合失效：熱變形引起的應力集中可能導致金屬線鍵合點的裂紋或斷裂，導致電氣連接失效。
- 疲勞破壞：多次熱循環導致的反覆變形會使金屬線鍵合點產生疲勞破壞，影響產品壽命。
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延伸閱讀：《先進封裝技術的發展》
熱變形量測與評估
以下是常見的測試與評估方式 :
- 熱機械分析儀（TMA）：測量材料在不同溫度下的膨脹係數，評估熱變形行為。
- 有限元分析（FEA）：通過數值模擬預測載板在熱應力下的變形情況。
- 熱循環測試：通過多次加熱和冷卻循環，評估載板的耐久性和熱變形穩定性。
以某款高性能處理器封裝為例，其選用陶瓷載板作為基材，通過FEA模擬軟體評估和透過熱循環測試來驗證，確保在高功率和高頻工作環境下不會出現顯著熱變形，從而保證系統的穩定性和可靠性。
工藝優化與預防措施
我們針對三大部分來進行優化，分別是材料、工藝、設計。
- 材料選擇：選用熱膨脹係數低的載板材料，如陶瓷或高性能聚合物，以降低熱變形風險。
- 工藝控制：優化封裝和回流焊接工藝，主要為求減少高溫暴露時間和熱循環次數。 若在材料許可的情況下，可以採用快速升溫和降溫的做法，減少載板在高溫環境中的停留時間，也可以分階段升溫，每階段控制在焊錫適應範圍內，避免一次性高溫帶來的變形風險。 若設備許可，盡量避免不必要區域加熱，採多區域加熱方式，僅在必要區域進行加熱，主要為了降低整體熱負荷。 且以上必須確保使用精確的溫度控制設備，來確保溫度穩定。 實時監控也是很重要的一環，使用高精度溫度感測器實時監控回流焊接過程中的溫度變化，根據實際情況動態調整加熱參數。
- 設計優化：改進鍵合線設計、封裝結構設計，提高整體結構穩定性。 首先選擇更高可靠的材料是影響最大的因子，選擇具有更好抗熱變形能力的鍵合引線材料，如金、鎳基合金或鈀合金等材料，亦或是適當增加鍵合線的直徑，以上都能使其提高耐熱變形能力和機械強度。 而在整個結構設計中，必須要在關鍵位置增加支撐結構，如增加加強肋或使用更穩定的封裝材料，增加引線鍵合對熱變形的抵抗能力。
IC載板在半導體封裝中扮演著至關重要的角色，不同種類的載板在性能和應用上各有千秋。選擇合適的IC載板需綜合考慮熱變形特性、機械強度和電氣性能等因素，從而確保電子設備的長期穩定運行。理解和掌握這些特性，有助於在設計和製造過程中做出最佳選擇，提升產品競爭力。
