NCKU復合材料實驗室ppt課件

1、 NCKU複合材料實驗室南臺科技大學南臺科技大學副教授副教授曾穗卿曾穗卿 NCKU複合材料實驗室 緒論緒論 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 模型建立與評估錫球疲勞壽命模型建立與評估錫球疲勞壽命 以以Surface EvolverSurface Evolver預測錫球形預測錫球形狀狀 田口氏品質(zhì)工程方法田口氏品質(zhì)工程方法 結(jié)論結(jié)論 未來研討方向未來研討方向 NCKU複合材料實驗室q晶粒尺寸封裝晶粒尺寸封裝(Chip Scale Package，CSP) ，泛指以，泛指以各種方式封裝後的各種方式封裝後的IC，假設(shè)封裝體邊長比內(nèi)含的晶片邊，假設(shè)封裝體邊長比內(nèi)含的晶片邊長，大長，大20%以內(nèi)，或封裝體的面積內(nèi)含晶片

2、面積的以內(nèi)，或封裝體的面積內(nèi)含晶片面積的1.5倍以內(nèi)，都可稱之為倍以內(nèi)，都可稱之為CSP封裝。封裝。q由於覆晶封裝具有良好電氣特性、高由於覆晶封裝具有良好電氣特性、高I/O接點密度，且接點密度，且能縮小能縮小IC尺寸添加每片晶圓產(chǎn)出，為未來極具潛力之構(gòu)尺寸添加每片晶圓產(chǎn)出，為未來極具潛力之構(gòu)裝方式。裝方式。q錫球在覆晶晶粒尺寸封裝錫球在覆晶晶粒尺寸封裝(FCCSP)構(gòu)裝中之功能主要包構(gòu)裝中之功能主要包含有傳電、導熱及吸收上下元件之膨脹差等，因此錫球含有傳電、導熱及吸收上下元件之膨脹差等，因此錫球的可靠度佔有極為重要之影響。的可靠度佔有極為重要之影響。q錫球在室溫下已超過其熔點的一半，易有潛變現(xiàn)

3、象。錫球在室溫下已超過其熔點的一半，易有潛變現(xiàn)象。 NCKU複合材料實驗室q過去的封裝型態(tài)，多半以打線作為內(nèi)部接合，但打線製過去的封裝型態(tài)，多半以打線作為內(nèi)部接合，但打線製程花費時間相當長，成為接合技術(shù)的最大瓶頸。許多高程花費時間相當長，成為接合技術(shù)的最大瓶頸。許多高階、可攜式電子產(chǎn)品，需求運用高腳數(shù)、散熱性較佳，階、可攜式電子產(chǎn)品，需求運用高腳數(shù)、散熱性較佳，或較為輕薄短小的封裝，則需運用覆晶技術(shù)。或較為輕薄短小的封裝，則需運用覆晶技術(shù)。q本文採用氧化鋁陶瓷基板，由於緻密性高，對水分子滲本文採用氧化鋁陶瓷基板，由於緻密性高，對水分子滲透有優(yōu)良的阻絕才干、強度良好、散熱性佳、與耐高壓透有優(yōu)良的

4、阻絕才干、強度良好、散熱性佳、與耐高壓性等優(yōu)點，性等優(yōu)點， 故被廣泛應(yīng)用在需求高可靠度的故被廣泛應(yīng)用在需求高可靠度的ICIC構(gòu)裝中。構(gòu)裝中。q半導體產(chǎn)業(yè)唯有靠不斷地創(chuàng)新及研發(fā)，才干在猛烈的競半導體產(chǎn)業(yè)唯有靠不斷地創(chuàng)新及研發(fā)，才干在猛烈的競爭環(huán)境中繼續(xù)保有領(lǐng)先之位置，期望透過本研討能對業(yè)爭環(huán)境中繼續(xù)保有領(lǐng)先之位置，期望透過本研討能對業(yè)界有所幫助。界有所幫助。 NCKU複合材料實驗室q本文以本文以96.5Sn3.5Ag96.5Sn3.5Ag無鉛錫球與氧化鋁陶瓷基板之無鉛錫球與氧化鋁陶瓷基板之FCCSPFCCSP封裝方式，建構(gòu)在封裝方式，建構(gòu)在FR-4FR-4電路板上。電路板上。q先利用先利用Sur

5、face EvolverSurface Evolver預測錫球迴焊後之形狀，再引預測錫球迴焊後之形狀，再引入入ANSYS 7.0ANSYS 7.0有限元素分析軟體建立三維模型。有限元素分析軟體建立三維模型。q採用葛拉佛拉採用葛拉佛拉- -阿瑞尼阿斯?jié)撟兎绞桨⑷鹉岚⑺節(jié)撟兎绞?Garofalo-(Garofalo-Arrhenius Creep) Arrhenius Creep) ，透過，透過3-D3-D幾何模型的建立、網(wǎng)格分幾何模型的建立、網(wǎng)格分割及計算求解等步驟，進行分析模擬。割及計算求解等步驟，進行分析模擬。 q探討不同材質(zhì)的封裝結(jié)構(gòu)在探討不同材質(zhì)的封裝結(jié)構(gòu)在-20110-20110溫度循

6、環(huán)下，溫度循環(huán)下，錫球之疲勞壽命、應(yīng)力應(yīng)變及遲滯曲線等機械行為之變錫球之疲勞壽命、應(yīng)力應(yīng)變及遲滯曲線等機械行為之變化情形。化情形。 q以等效潛變應(yīng)變範圍代入以等效潛變應(yīng)變範圍代入Modified Coffin-MansonModified Coffin-Manson計算計算公式，預估錫球之疲勞壽命。公式，預估錫球之疲勞壽命。 NCKU複合材料實驗室q晶圓進入機臺前需確認能否受污染。晶圓進入機臺前需確認能否受污染。q以電鍍或印刷植球進行銲錫以電鍍或印刷植球進行銲錫(或金塊或金塊)凸塊製程。凸塊製程。q之後需經(jīng)迴焊之後需經(jīng)迴焊(Reflow)製程，使錫球成型。製程，使錫球成型。q凸塊完成後進行晶粒

7、切割。凸塊完成後進行晶粒切割。q然後由吸嘴吸住晶粒反面沾上助焊膏然後由吸嘴吸住晶粒反面沾上助焊膏(Flux Paste)，暫，暫時將晶粒固定在基板上。時將晶粒固定在基板上。q置放完成後，進入迴焊爐內(nèi)構(gòu)成接合點。助焊膏的殘餘置放完成後，進入迴焊爐內(nèi)構(gòu)成接合點。助焊膏的殘餘物須以清洗劑去除。物須以清洗劑去除。q此即所謂的此即所謂的C4 (Controlled Collapse Chip Connection) ，此一技術(shù)取代了傳統(tǒng)的打線接合。，此一技術(shù)取代了傳統(tǒng)的打線接合。 NCKU複合材料實驗室 NCKU複合材料實驗室可降低晶片與基板間的電子訊號傳輸距離，適用在高速元可降低晶片與基板間的電子訊號

8、傳輸距離，適用在高速元件的封裝。件的封裝?？煽s小晶片封裝後的尺寸，使得晶片封裝前後大小差不多?？煽s小晶片封裝後的尺寸，使得晶片封裝前後大小差不多。 NCKU複合材料實驗室本文所採用之錫球為錫銀本文所採用之錫球為錫銀(96.5Sn3.5Ag)(96.5Sn3.5Ag)之資料。之資料。在高溫且恆溫狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)負載條件下具有潛變效應(yīng)。在高溫且恆溫狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)負載條件下具有潛變效應(yīng)。同時接受反覆熱循環(huán)負載，使得資料進入塑性範疇。同時接受反覆熱循環(huán)負載，使得資料進入塑性範疇。本文即討論潛變與塑性變形。本文即討論潛變與塑性變形。 NCKU複合材料實驗室q1996年年S.M. Heinrich等以等以63Sn3

9、7Pb共晶錫共晶錫球為分析模型。假設(shè)熔融狀態(tài)之錫球外表為以一球為分析模型。假設(shè)熔融狀態(tài)之錫球外表為以一等曲率圓弧，推導出一顯函數(shù)解析解，可精確地等曲率圓弧，推導出一顯函數(shù)解析解，可精確地預測錫球於迴焊過程後之形狀。預測錫球於迴焊過程後之形狀。q2000年年Mertol等以有限元素法，模擬晶圓級封等以有限元素法，模擬晶圓級封裝在溫度循環(huán)下應(yīng)力、應(yīng)變與變形，並運用田口裝在溫度循環(huán)下應(yīng)力、應(yīng)變與變形，並運用田口式方法，探討設(shè)計參數(shù)對錫球的疲勞壽命之影響。式方法，探討設(shè)計參數(shù)對錫球的疲勞壽命之影響。q2001年年P(guān)ang 以彈性、塑性、潛變之資料，探以彈性、塑性、潛變之資料，探討覆晶構(gòu)裝模型在溫度循環(huán)

10、下，錫球之疲勞壽命。討覆晶構(gòu)裝模型在溫度循環(huán)下，錫球之疲勞壽命。 12C C12C C12C C NCKU複合材料實驗室1.1.初始初始( (暫態(tài)暫態(tài)) )潛變。潛變。 2.2.穩(wěn)態(tài)潛變，潛變過程時間最長，最主要的部份。穩(wěn)態(tài)潛變，潛變過程時間最長，最主要的部份。 3.3.加速潛變。加速潛變。因此通常以穩(wěn)態(tài)潛變方程式描畫潛變行為。因此通常以穩(wěn)態(tài)潛變方程式描畫潛變行為。本文以本文以ANSYS 7.0ANSYS 7.0對對96.5Sn3.5Ag96.5Sn3.5Ag無鉛錫球，以葛拉佛拉無鉛錫球，以葛拉佛拉- -阿瑞尼阿斯阿瑞尼阿斯(Garofalo-Arrhenius)(Garofalo-Arrhe

11、nius)潛變方式進行分析。潛變方式進行分析。以探討構(gòu)裝體在接受以探討構(gòu)裝體在接受-20-20至至110110之熱循環(huán)負載時，所之熱循環(huán)負載時，所發(fā)生之錫球破壞行為。發(fā)生之錫球破壞行為。 NCKU複合材料實驗室註註1 1：單位採用單位採用MPaMPa；T T 單位採用絕對溫度單位採用絕對溫度K K。註註2 2： C1 C1 及及C2 C2 之參數(shù)值為溫度之參數(shù)值為溫度T T 之函數(shù)，其值會隨溫度而變化，之函數(shù)，其值會隨溫度而變化，而此處而此處T T是以絕對溫度是以絕對溫度K K為單位。為單位。 3412sinhexpCvonvondCCCdtT註註1C1 = 18(553-T)/T，單位，單位

12、:1/secC2 = 1/(43.99-0.079T)，單，單位位:1/MPaC3 = 5.5C4 = 5802，單位，單位:k註註2 NCKU複合材料實驗室Tresca Tresca 與與 von Mises von Mises 降伏準則降伏準則q目前常用的兩種延性資料之破壞準則為特雷斯卡準則目前常用的兩種延性資料之破壞準則為特雷斯卡準則(Tresca Yield Criterion)(Tresca Yield Criterion)及米澤斯降伏準則及米澤斯降伏準則(von Mises (von Mises Yield Criterion) Yield Criterion) 。q由於特雷斯卡準

13、則太過於保守，故本文選用米澤斯降伏準由於特雷斯卡準則太過於保守，故本文選用米澤斯降伏準則為依據(jù)。則為依據(jù)。 NCKU複合材料實驗室q本文選用德國本文選用德國von Misesvon Mises所提出降伏準則為依據(jù)。所提出降伏準則為依據(jù)。q按照此準則，當資料中每單位體積扭曲能量之最大值達按照此準則，當資料中每單位體積扭曲能量之最大值達到資料於拉伸試驗下所發(fā)生破壞之扭曲能量時，資料即到資料於拉伸試驗下所發(fā)生破壞之扭曲能量時，資料即開始破壞。開始破壞。q米澤斯破壞準則在卡式座標分量下可表示為米澤斯破壞準則在卡式座標分量下可表示為q qq當式左項等於或大於右項時，則資料產(chǎn)生破壞，左項為當式左項等於或大

14、於右項時，則資料產(chǎn)生破壞，左項為資料之等效應(yīng)變，右項為資料拉伸試驗下所發(fā)生之破壞資料之等效應(yīng)變，右項為資料拉伸試驗下所發(fā)生之破壞應(yīng)變。應(yīng)變。122222223()()()()2xyyzxzxyxyxyF23 NCKU複合材料實驗室q 錫球接受一循環(huán)熱應(yīng)力，而發(fā)生降伏進入塑性行為區(qū)域時，降伏面會隨錫球接受一循環(huán)熱應(yīng)力，而發(fā)生降伏進入塑性行為區(qū)域時，降伏面會隨著熱循環(huán)中塑性應(yīng)變之添加而改變著熱循環(huán)中塑性應(yīng)變之添加而改變 。q 本文採用多線性等向硬化方式。本文採用多線性等向硬化方式。q 理論上在某一溫度下，資料塑性行為應(yīng)力與應(yīng)變之關(guān)係，應(yīng)為一光滑曲理論上在某一溫度下，資料塑性行為應(yīng)力與應(yīng)變之關(guān)係，應(yīng)

15、為一光滑曲線，多線性等向硬化方式是以數(shù)個線段趨近此曲線線，多線性等向硬化方式是以數(shù)個線段趨近此曲線 。q 等向硬化是指資料在進入塑性變形以後，加載曲面在各方向呈現(xiàn)均勻向等向硬化是指資料在進入塑性變形以後，加載曲面在各方向呈現(xiàn)均勻向外擴張之現(xiàn)象。外擴張之現(xiàn)象。q 此方式中也假設(shè)資料受反方向壓縮負載降伏應(yīng)力值等於拉伸降伏應(yīng)力值，此方式中也假設(shè)資料受反方向壓縮負載降伏應(yīng)力值等於拉伸降伏應(yīng)力值，忽略包新格忽略包新格(Bauschinger)效應(yīng)。效應(yīng)。 (a)(b) NCKU複合材料實驗室q結(jié)構(gòu)體接受反覆負載時，將構(gòu)成循環(huán)應(yīng)變與應(yīng)力，結(jié)構(gòu)體接受反覆負載時，將構(gòu)成循環(huán)應(yīng)變與應(yīng)力，即使應(yīng)力小於資料本身的降

16、服強度，亦會導致結(jié)即使應(yīng)力小於資料本身的降服強度，亦會導致結(jié)構(gòu)整體的破壞，稱之為疲勞破壞構(gòu)整體的破壞，稱之為疲勞破壞FatigueFatigue。q早期的研討著重高循環(huán)疲勞早期的研討著重高循環(huán)疲勞(N104)(N104)的探討，但低的探討，但低循環(huán)疲勞循環(huán)疲勞(N104)(N104)在工程上的應(yīng)用也很重要，電子在工程上的應(yīng)用也很重要，電子構(gòu)裝的疲勞的破壞即為低循環(huán)疲勞破壞。構(gòu)裝的疲勞的破壞即為低循環(huán)疲勞破壞。q其破壞位置通常發(fā)生於錫球最大的應(yīng)變範圍處而其破壞位置通常發(fā)生於錫球最大的應(yīng)變範圍處而非最大應(yīng)變處。非最大應(yīng)變處。q最常見的疲勞模型為最常見的疲勞模型為Coffin-MansonCoffi

17、n-Manson公式。公式。 NCKU複合材料實驗室 fN：疲勞壽命 C：疲勞延展指數(shù) ：總體剪應(yīng)變範圍：總體等效應(yīng)變範圍 f：疲勞延展係數(shù) f:循環(huán)頻率 mT:平均循環(huán)錫球溫度 )/1(2/21CffN3fTCm1ln1074.1106442.024 NCKU複合材料實驗室2.4210.0466()fvonNf0.3250.325fTCm1ln1074. 1106442. 024 -0.41299 f24 cycles/day mT 12minmaxTT) ) ( (-20+110) 4512 NCKU複合材料實驗室q德國數(shù)學教授德國數(shù)學教授Ken BrakkeKen Brakke在在198

18、91989年初次寫出年初次寫出Surface EvolverSurface Evolver程式軟體程式軟體 。qSurface EvolverSurface Evolver是一套利用能量法是一套利用能量法(Energy-(Energy-Based Method)Based Method)來分析液滴外表形狀的程式軟體。來分析液滴外表形狀的程式軟體。q利用一系列的小三角形面積元素，以能量梯度下利用一系列的小三角形面積元素，以能量梯度下降法來計算熔融錫球外表張力的能量、重力位能及降法來計算熔融錫球外表張力的能量、重力位能及錫球固化體積改變所產(chǎn)生的外力能量，進而改變元錫球固化體積改變所產(chǎn)生的外力能量，

19、進而改變元素位置，使外表總能量達到平衡狀況的最小值而模素位置，使外表總能量達到平衡狀況的最小值而模擬出固化形狀。擬出固化形狀。q文中錫球固化形狀是由熔融錫球的外表張力及上文中錫球固化形狀是由熔融錫球的外表張力及上下墊片之濕潤現(xiàn)象所控制，因此下墊片之濕潤現(xiàn)象所控制，因此Surface EvolverSurface Evolver適合模擬錫球迴銲過程後的形狀。適合模擬錫球迴銲過程後的形狀。 NCKU複合材料實驗室 Surface Evolver 模 型 建 立錫球根本假設(shè)條件錫球根本假設(shè)條件錫球資料為均質(zhì)等向性。錫球資料為均質(zhì)等向性。 固化時錫球為靜態(tài)平衡。固化時錫球為靜態(tài)平衡。錫球固化時，錫球墊

20、為圓形，且完全對準。錫球固化時，錫球墊為圓形，且完全對準。融熔狀態(tài)的錫球，其外表輪廓為軸對稱。融熔狀態(tài)的錫球，其外表輪廓為軸對稱。錫球外表的經(jīng)線方向為圓弧線。錫球外表的經(jīng)線方向為圓弧線。錫球墊和錫球是完全接觸。錫球墊和錫球是完全接觸。錫球和銲墊為完全黏著。錫球和銲墊為完全黏著。迴焊前後錫球之體積不變。迴焊前後錫球之體積不變。 NCKU複合材料實驗室q先確立研討主題為罩幕定界先確立研討主題為罩幕定界(Solder Mask (Solder Mask Defined, SMD)Defined, SMD)錫球。並建構(gòu)錫球之幾何分析模型。錫球。並建構(gòu)錫球之幾何分析模型。q指定輸入?yún)?shù)包括錫球體積、錫球

21、密度、外表張指定輸入?yún)?shù)包括錫球體積、錫球密度、外表張力、外加負載、初始高度及錫球墊片半徑等因子。力、外加負載、初始高度及錫球墊片半徑等因子。 q當執(zhí)行當執(zhí)行Surface EvolverSurface Evolver程式完畢之後，需檢查所程式完畢之後，需檢查所得到之恢復力得到之恢復力F F值能否與外加負載值能否與外加負載F F值值( (重力重力) )一致。一致。q當恢復力與外加負載不一致時，則必須修正所輸當恢復力與外加負載不一致時，則必須修正所輸入的錫球初始高度，不斷至恢復力等於外加負載為入的錫球初始高度，不斷至恢復力等於外加負載為止，則此時的高度即是錫球迴焊過程後之高度。止，則此時的高度即

22、是錫球迴焊過程後之高度。 NCKU複合材料實驗室錫球之中心軸及座標原點錫球之中心軸及座標原點 (上上)分析錫球形狀前先給定一初始形狀分析錫球形狀前先給定一初始形狀 ( (右上右上) )罩幕定界錫球於迴焊過程中之受力狀況罩幕定界錫球於迴焊過程中之受力狀況 ( (右右下下) ) NCKU複合材料實驗室 分析構(gòu)裝體模型圖分析構(gòu)裝體模型圖q本文本文FCCSPFCCSP分析模型為分析模型為7.0mm X 7.0mm X 0.41mm7.0mm X 7.0mm X 0.41mm之晶片，之晶片，四週佈植有四週佈植有100100個金凸塊。個金凸塊。q下接下接7.45 mmX 7.45mm X 0.25mm A

23、l2O3 7.45 mmX 7.45mm X 0.25mm Al2O3 陶瓷基板。陶瓷基板。q在晶片與基板間填膠，基板下面為在晶片與基板間填膠，基板下面為10101010陣列之陣列之96.5Sn3.5Ag96.5Sn3.5Ag無鉛錫球，其接墊之直徑為無鉛錫球，其接墊之直徑為0.3mm0.3mm，間距為，間距為0.65mm 0.65mm 。q錫球下接錫球下接8.0mm X 8.0 mmX1.0 mm8.0mm X 8.0 mmX1.0 mm玻璃樹脂玻璃樹脂(Epoxy (Epoxy Glass) Glass) 所製成之所製成之FR-4FR-4印刷電路板。印刷電路板。 NCKU複合材料實驗室基板基

24、板印刷電路板印刷電路板晶片晶片錫銀凸塊錫銀凸塊填充底膠填充底膠金凸塊金凸塊 NCKU複合材料實驗室q構(gòu)裝體一切資料皆為均質(zhì)等向性，受拉與受壓行為構(gòu)裝體一切資料皆為均質(zhì)等向性，受拉與受壓行為一樣。一樣。q模型中一切界面皆為完全接觸模型中一切界面皆為完全接觸(Perfectly (Perfectly Adhesive)Adhesive)。q模型內(nèi)部的溫度與外界環(huán)境溫度一樣，且假設(shè)溫度模型內(nèi)部的溫度與外界環(huán)境溫度一樣，且假設(shè)溫度場不隨空間變化，即在瞬間皆已達平衡狀態(tài)，即場不隨空間變化，即在瞬間皆已達平衡狀態(tài)，即(T(x,t) = T(t)(T(x,t) = T(t)。q模型在初始狀態(tài)模型在初始狀態(tài)2

25、525時為應(yīng)力自在狀態(tài)時為應(yīng)力自在狀態(tài)(Stress (Stress Free)Free)，忽略製程中所產(chǎn)生之殘留應(yīng)力，忽略製程中所產(chǎn)生之殘留應(yīng)力(Residual (Residual Stress)Stress)。q忽略錫球經(jīng)過迴焊過程後所引起之材質(zhì)變化。忽略錫球經(jīng)過迴焊過程後所引起之材質(zhì)變化。q錫球之資料性質(zhì)為潛變方式，其餘部分皆為彈性資錫球之資料性質(zhì)為潛變方式，其餘部分皆為彈性資料。料。 NCKU複合材料實驗室q為節(jié)省電腦模擬計算時間，由兩對角線的斷為節(jié)省電腦模擬計算時間，由兩對角線的斷面上，截取分析結(jié)構(gòu)右上半段，即八分之一面上，截取分析結(jié)構(gòu)右上半段，即八分之一對稱模型進行分析對稱模型進

26、行分析 。q邊界條件設(shè)定為邊界條件設(shè)定為Y Y軸上一切節(jié)點為對稱邊界軸上一切節(jié)點為對稱邊界條件。條件。q在模型結(jié)構(gòu)左下端點原點設(shè)為固定點。在模型結(jié)構(gòu)左下端點原點設(shè)為固定點。q以使分析模型受力變形後能自在翹曲，其餘以使分析模型受力變形後能自在翹曲，其餘邊界皆假設(shè)為自在端。邊界皆假設(shè)為自在端。q兩對角線之兩面設(shè)為對稱面。兩對角線之兩面設(shè)為對稱面。 NCKU複合材料實驗室對稱面對稱面固定點對稱面分析區(qū)域 NCKU複合材料實驗室q施予構(gòu)裝體施予構(gòu)裝體-20-20低溫至低溫至110110高溫之溫度循環(huán)高溫之溫度循環(huán)負載。負載。q初始溫度由初始溫度由2525開始，並假設(shè)為無應(yīng)力狀態(tài)，開始，並假設(shè)為無應(yīng)力狀

27、態(tài)，在在588588秒內(nèi)升至秒內(nèi)升至110110。q每一溫度循環(huán)為每一溫度循環(huán)為6060分鐘，從低溫升至高溫分鐘，從低溫升至高溫Up-Up-RampRamp需時需時1515分鐘，並在高溫區(qū)維持分鐘，並在高溫區(qū)維持2020分鐘之分鐘之恆溫恆溫(Dwell) (Dwell) 。q再以再以1515分鐘降溫至分鐘降溫至-20(Down-Ramp)-20(Down-Ramp)，然後再，然後再維持維持1010分鐘之恆溫分鐘之恆溫(Dwell)(Dwell)，至此完成一個循環(huán)。，至此完成一個循環(huán)。q共進行五次溫度循環(huán)負載，計須共進行五次溫度循環(huán)負載，計須18,58818,588秒秒 。 NCKU複合材料實驗

28、室15min 20min 15min 10min 5cycles15min 20min 15min 10min 5cycles04 0 0 08 0 0 01 2 0 0 01 6 0 0 02 0 0 0 0- 4 0- 2 002 04 06 08 01 0 01 2 0溫度()時間秒 NCKU複合材料實驗室 NCKU複合材料實驗室q有限元素模型切割的網(wǎng)格密度，會影響數(shù)值收有限元素模型切割的網(wǎng)格密度，會影響數(shù)值收斂趨勢。但網(wǎng)格過多時，電腦運算時間也相對斂趨勢。但網(wǎng)格過多時，電腦運算時間也相對變長，因此必須找到適當?shù)木W(wǎng)格元素數(shù)目。變長，因此必須找到適當?shù)木W(wǎng)格元素數(shù)目。q為了探討有限元素模型之

29、收斂性，分別進行五為了探討有限元素模型之收斂性，分別進行五種不同網(wǎng)格的切割配置。種不同網(wǎng)格的切割配置。q配置方法主要於模型配置方法主要於模型Y Y方向，採取不同線段切割方向，採取不同線段切割數(shù)目以改善模型收斂性。數(shù)目以改善模型收斂性。 NCKU複合材料實驗室個案基板FR-4錫球 元素數(shù)目 節(jié)點數(shù)目Case143122377629978Case244242738433896Case366363852745562Case468484548752892Case5810485847466374 NCKU複合材料實驗室構(gòu)裝體之變形分佈圖構(gòu)裝體之變形分佈圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖最

30、外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖 NCKU複合材料實驗室高溫時網(wǎng)格元素數(shù)目與構(gòu)裝體高溫時網(wǎng)格元素數(shù)目與構(gòu)裝體等效應(yīng)變之關(guān)係圖等效應(yīng)變之關(guān)係圖 低溫時網(wǎng)格元素數(shù)目與構(gòu)裝體低溫時網(wǎng)格元素數(shù)目與構(gòu)裝體等效應(yīng)變之關(guān)係圖等效應(yīng)變之關(guān)係圖 NCKU複合材料實驗室q五個案例分析結(jié)果之構(gòu)裝體變形，及錫球之等五個案例分析結(jié)果之構(gòu)裝體變形，及錫球之等效應(yīng)力與等效應(yīng)變之分佈如圖所示效應(yīng)力與等效應(yīng)變之分佈如圖所示 (Case 4) (Case 4)。q最大翹曲位置發(fā)生在構(gòu)裝體最遠處，即印刷電最大翹曲位置發(fā)生在構(gòu)裝體最遠處，即印刷電路板對角線上方處。路板對角線上方處。q最大等效應(yīng)變發(fā)生在構(gòu)裝體最外側(cè)錫球處

31、。最大等效應(yīng)變發(fā)生在構(gòu)裝體最外側(cè)錫球處。q由圖可知元素數(shù)目為由圖可知元素數(shù)目為4548745487個個(Case 4)(Case 4)時已趨近時已趨近於收斂，即能得到相當精確的結(jié)果。於收斂，即能得到相當精確的結(jié)果。 NCKU複合材料實驗室q構(gòu)裝體最大翹曲與時間關(guān)係圖。構(gòu)裝體最大翹曲與時間關(guān)係圖。q最外側(cè)錫球等效應(yīng)力與時間關(guān)係圖。最外側(cè)錫球等效應(yīng)力與時間關(guān)係圖。q最外側(cè)錫球等效應(yīng)變與時間關(guān)係圖。最外側(cè)錫球等效應(yīng)變與時間關(guān)係圖。q而最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與時間關(guān)係而最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與時間關(guān)係圖。圖。q最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)變與時間關(guān)係圖。最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)變與時間關(guān)係圖。q由最外側(cè)錫球中心點

32、剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之由最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之遲滯曲線，可知當達到第五個溫度循環(huán)時遲滯曲線，可知當達到第五個溫度循環(huán)時已收斂良好已收斂良好 。 NCKU複合材料實驗室最外側(cè)錫球等效應(yīng)力與時間關(guān)係圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)力與時間關(guān)係圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)變與時間關(guān)係圖最外側(cè)錫球等效應(yīng)變與時間關(guān)係圖 NCKU複合材料實驗室最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與時間關(guān)係圖最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與時間關(guān)係圖 ( (上上) )最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)變與時間關(guān)係圖最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)變與時間關(guān)係圖 ( (右上右上) )最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之遲滯曲線圖最外側(cè)錫球中心點剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之遲滯曲線圖( (右下右下) ) NC

33、KU複合材料實驗室q原設(shè)計模型原設(shè)計模型q模型基板為模型基板為BT-ResinBT-Resinq模型基板為模型基板為High- CeramicsHigh- Ceramicsq模型封膠為模型封膠為Mold Resin (Epoxy Molding Mold Resin (Epoxy Molding Compound)Compound)q模型封膠為模型封膠為Potting ResinPotting Resin等五種模型等五種模型q其資料機械性質(zhì)如表所示其資料機械性質(zhì)如表所示q並利用並利用ANSYSANSYS進行模擬，計算在溫度循環(huán)負載下，進行模擬，計算在溫度循環(huán)負載下，最外側(cè)錫球之疲勞壽命。最外側(cè)

34、錫球之疲勞壽命。 NCKU複合材料實驗室原設(shè)計模型原設(shè)計模型模型封膠為模型封膠為Mold ResinMold Resin模型封膠為模型封膠為Potting ResinPotting Resin基板為基板為High- CeramicsHigh- Ceramics模型模型基板為基板為BT-ResinBT-Resin模型模型 NCKU複合材料實驗室註註1 1：無鉛錫球：無鉛錫球96.5Sn3.5Ag96.5Sn3.5Ag之楊氏模數(shù)在之楊氏模數(shù)在-40-40、2525、5050及及125125下分別為下分別為47,200 MPa47,200 MPa、29,525 MPa29,525 MPa、24,70

35、0 MPa24,700 MPa及及16,850 MPa16,850 MPa。註註2 2：機械性質(zhì)為溫度：機械性質(zhì)為溫度T T之函數(shù)，其值會隨溫度而變化，而之函數(shù)，其值會隨溫度而變化，而T T是以是以為單位。為單位。元件元件材料名稱材料名稱楊氏模數(shù)楊氏模數(shù)E (MPa)E (MPa)波松比波松比v v熱膨脹係數(shù)熱膨脹係數(shù) (ppm/) (ppm/)1 1SiSi1310001310000.300.302.82.82 2UnderfillUnderfill10300103000.330.3324243 3AlAl2 2O O3 32759002759000.220.225.35.34 4GoldG

36、old77250772500.4250.42514.214.25 5FR-4FR-4 22000 220000.280.2818186 696.5Sn3.5Ag96.5Sn3.5Ag註註1 10.40.421.85+0.020321.85+0.02039T9T註註2 27 7BT-Resin(BT-BT-Resin(BT-832)832)23500235000.200.2014.614.68 8High- High- ceramicsceramics1100001100000.230.2311.511.59 9Mold resinMold resin26000260000.300.307.07

37、.01010Potting resinPotting resin10700107000.300.3012.412.4 NCKU複合材料實驗室高溫時構(gòu)裝體之變形分佈圖高溫時構(gòu)裝體之變形分佈圖 (上上)高溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖高溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖 ( (右上右上) )高溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖高溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖 ( (右下右下) ) NCKU複合材料實驗室低溫時構(gòu)裝體之變形分佈圖低溫時構(gòu)裝體之變形分佈圖 (上上)低溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖低溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)力分佈圖 (右上右上)低溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖低溫時最外側(cè)錫球等效應(yīng)變分佈圖 (右下右下) NCK

38、U複合材料實驗室 NCKU複合材料實驗室原設(shè)計原設(shè)計模型模型BT ResinBT Resin基板基板High- High- ceramicsceramics基板基板Mold Mold resin resin 封封膠膠t=0.8mm)t=0.8mm)Potting Potting resinresin封膠封膠(t=0.8mm)(t=0.8mm)應(yīng)變應(yīng)變範圍範圍0.056610.056610.0034270.0034270.0039280.0039280.081120.081120.08220.0822疲勞疲勞壽命壽命49494332543325311403114020202020 NCKU複合材

39、料實驗室q原設(shè)計模型之基板為原設(shè)計模型之基板為Al2O3Al2O3陶瓷，其楊氏模數(shù)比陶瓷，其楊氏模數(shù)比BT-BT-ResinResin與與High- CeramicsHigh- Ceramics大，而熱膨脹係數(shù)卻較小，大，而熱膨脹係數(shù)卻較小，比較不易熱變形，與其他元件之不匹配較大，故其疲勞比較不易熱變形，與其他元件之不匹配較大，故其疲勞壽命比模型基板為壽命比模型基板為BT-ResinBT-Resin與與High- CeramicsHigh- Ceramics小很多。小很多。qBT-ResinBT-Resin的熱膨脹係數(shù)比的熱膨脹係數(shù)比High- CeramicsHigh- Ceramics的熱

40、膨脹係的熱膨脹係數(shù)大，但楊氏模數(shù)卻小很多，因此不匹配較小而其疲勞數(shù)大，但楊氏模數(shù)卻小很多，因此不匹配較小而其疲勞壽命略大。壽命略大。q至於模型封膠為至於模型封膠為Mold ResinMold Resin與與Potting ResinPotting Resin，其疲勞，其疲勞壽命為最小，由於此兩種模型比前三者多出上面的封膠，壽命為最小，由於此兩種模型比前三者多出上面的封膠，故與其他元件不匹配更大，使得疲勞壽命最小。故與其他元件不匹配更大，使得疲勞壽命最小。 NCKU複合材料實驗室q選擇以選擇以L18L1821x3721x37直交表，進行田口實驗配置。直交表，進行田口實驗配置。q再利用再利用ANS

41、YS 7.0ANSYS 7.0進行模擬，並預估錫球之疲勞進行模擬，並預估錫球之疲勞壽命。壽命。q最後根據(jù)模擬結(jié)果，求得對疲勞壽命影響最顯著最後根據(jù)模擬結(jié)果，求得對疲勞壽命影響最顯著之控制因子，並找出最正確之水準組合，以助提之控制因子，並找出最正確之水準組合，以助提升構(gòu)裝體之可靠度。升構(gòu)裝體之可靠度。 NCKU複合材料實驗室q 選定品質(zhì)特性選定品質(zhì)特性(Quality Characteristic) :(Quality Characteristic) :選選定最外側(cè)錫球的疲勞壽命為品質(zhì)特性，探討各定最外側(cè)錫球的疲勞壽命為品質(zhì)特性，探討各控制因子對其之影響?？刂埔蜃訉ζ渲绊?。q 斷定品質(zhì)特性之理

42、想機能斷定品質(zhì)特性之理想機能(Ideal Function):(Ideal Function):品品質(zhì)特性屬於望大特性，其理想機能是無限大。質(zhì)特性屬於望大特性，其理想機能是無限大。q 列出影響品質(zhì)特性之因子列出影響品質(zhì)特性之因子(Factors) :(Factors) :構(gòu)裝體外構(gòu)裝體外形尺寸，環(huán)境要素與構(gòu)裝體資料性質(zhì)。形尺寸，環(huán)境要素與構(gòu)裝體資料性質(zhì)。q 決定主要控制因子決定主要控制因子(Control Factors)(Control Factors)及水準及水準(Levels):(Levels):本文只考慮基板厚度、錫球墊半徑、本文只考慮基板厚度、錫球墊半徑、楊氏模數(shù)與熱膨脹係數(shù)對楊氏模

43、數(shù)與熱膨脹係數(shù)對FCCSPFCCSP構(gòu)裝體可靠度之構(gòu)裝體可靠度之影響，選出以下八個設(shè)計參數(shù)作為控制因子。影響，選出以下八個設(shè)計參數(shù)作為控制因子。12C C12C C12C C NCKU複合材料實驗室控制因子控制因子Level Level 1 1Level 2Level 2Level 3Level 3A A 基板厚度基板厚度(mm)(mm)0.250.250.3250.325x xB B 錫球半徑錫球半徑(mm)(mm)0.1050.1050.150.150.1950.195C Underfill(E, MPa)C Underfill(E, MPa)72107210103001030013390

44、13390D Underfill(, D Underfill(, ppm/)ppm/)16.816.8242431.231.2E E 基板基板(E, GPa)(E, GPa)193.13193.13275.9275.9358.67358.67F F 基板基板(, ppm/)(, ppm/)3.713.715.35.36.896.89G FR4(E, MPa)G FR4(E, MPa)15,40015,40022,00022,00028,60028,600H FR4(, ppm/)H FR4(, ppm/)12.612.6181823.423.4 NCKU複合材料實驗室q 直交表之作用在於以最少

45、之實驗次數(shù)獲得最正確之分析，其各項因子水準之自在度為12-1+73-115q因此選用自在度不小於15且實驗次數(shù)最少之L1821x37。 NCKU複合材料實驗室 L18直交表 控制控制因子因子組別組別ABCDEFGH一一1 11 11 11 11 11 11 11 1二二1 11 12 22 22 22 22 22 2三三1 11 13 33 33 33 33 33 3四四1 12 21 11 12 22 23 33 3五五1 12 22 22 23 33 31 11 1六六1 12 23 33 31 11 12 22 2七七1 13 31 12 21 13 32 23 3八八1 13 32 2

46、3 32 21 13 31 1九九1 13 33 31 13 32 21 12 2十十2 21 11 13 33 32 22 21 1十一十一2 21 12 21 11 13 33 32 2十二十二2 21 13 32 22 21 11 13 3十三十三2 22 21 12 23 31 13 32 2十四十四2 22 22 23 31 12 21 13 3十五十五2 22 23 31 12 23 32 21 1十六十六2 23 31 13 32 23 31 12 2十七十七2 23 32 21 13 31 12 23 3十八十八2 23 33 32 21 12 23 31 1 NCKU複合材料

47、實驗室q本文之三維模型即利用在五次溫度循環(huán)負載下，對最外本文之三維模型即利用在五次溫度循環(huán)負載下，對最外側(cè)錫球所求出之累積等效潛變應(yīng)變側(cè)錫球所求出之累積等效潛變應(yīng)變( (等效潛變應(yīng)變範圍等效潛變應(yīng)變範圍值值) ) 。q代入代入Modified Coffin-MansonModified Coffin-Manson計算公式，求得錫球疲勞計算公式，求得錫球疲勞壽命以預測十八組錫球封裝結(jié)構(gòu)所能接受的壽命次數(shù)，壽命以預測十八組錫球封裝結(jié)構(gòu)所能接受的壽命次數(shù)，藉以評估各封裝體之可靠度趨勢。藉以評估各封裝體之可靠度趨勢。q十八組十八組 FCCSPFCCSP封裝結(jié)構(gòu)於最外側(cè)錫球之疲勞壽命值如下封裝結(jié)構(gòu)於最外

48、側(cè)錫球之疲勞壽命值如下表所示，其中以第一組有最大值，疲勞壽命為表所示，其中以第一組有最大值，疲勞壽命為30983098次循次循環(huán)。環(huán)。2.4210.0466()fvonN NCKU複合材料實驗室組別組別最大潛變剪應(yīng)變最大潛變剪應(yīng)變(%)最大剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力(Mpa)累積等效潛變應(yīng)變累積等效潛變應(yīng)變(%)疲勞壽命疲勞壽命(Cycle)一一7.84687.846849.318949.31891.018841.0188430983098二二9.93229.932247.273647.27366.24675556.24675553838三三10.630310.630346.63146.6316.828

49、9116.8289113131四四20.143520.143555.921555.921511.61585911.6158599 9五五2.6512.65143.652643.65261.1224411.12244124512451六六16.381116.381155.89555.8953.388923.38892169169七七11.335411.335455.342255.34226.5759056.5759053434八八12.28712.28756.956856.95684.5917434.5917438181九九12.20512.20555.664255.66426.021366.0

50、21364242十十5.41595.415949.649549.64952.59670662.5967066322322十一十一5.16585.165847.497247.49723.0366283.036628220220十二十二25.663925.663950.567450.567412.39553112.3955317 7十三十三21.362621.362656.48756.4877.663197.663192323十四十四19.675819.675855.400855.40089.3260269.3260261515十五十五2.81272.812743.911243.91121.254

51、1251.25412518741874十六十六8.25168.251652.050552.05054.76794.76797474十七十七30.698530.698560.549560.54959.311869.311861515十八十八7.54257.542552.949452.94944.3254824.3254829494封封裝裝結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)於於最最外外側(cè)側(cè)錫錫球球之之疲疲勞勞壽壽命命 NCKU複合材料實驗室q對品質(zhì)特性為構(gòu)裝體之疲勞壽命而言，理想機能對品質(zhì)特性為構(gòu)裝體之疲勞壽命而言，理想機能越大越好，即是望大特性。越大越好，即是望大特性。q可透過目標函數(shù)的可透過目標函數(shù)的S/NS/N比，判

52、斷各因子對目標函比，判斷各因子對目標函數(shù)的影響大小。即各控制因子的水準中，具有較數(shù)的影響大小。即各控制因子的水準中，具有較大的大的S/NS/N比者，表示此水準對構(gòu)裝體之疲勞壽命比者，表示此水準對構(gòu)裝體之疲勞壽命值有較好的影響。值有較好的影響。q望大特性的望大特性的S/NS/N比公式如下比公式如下: :12C C12C C12C C2111/10log()NiiS NNy NCKU複合材料實驗室Exp.ABCDEFGHNfS/N111111111309869.82 2112222223831.60 3113333333129.83 412112233919.08 512223311245167.

53、79 61233112216944.56 7131213233430.63 8132321318138.17 9133132124232.46 102113322132250.16 112121133222046.85 1221322113716.90 13221231322327.23 14222312131523.52 1522312321187465.46 16231323127437.38 17232131231523.52 18233212319439.46 Ave.Ave.477.61477.6138.58 38.58 參考組參考組494933.8033.80三維模型實驗結(jié)果 NC

54、KU複合材料實驗室 NCKU複合材料實驗室基板基板厚度厚度錫球錫球半徑半徑UnderiflUnderifll l(E)(E)UnderifllUnderifll()()基板基板(E)(E)基板基板()()FR4FR4(E)(E)FR4FR4()()Lev.1Lev.140.4440.4440.8640.8639.0539.0542.8742.8742.4742.4736.7036.7041.3141.3155.1455.14Lev.2Lev.236.7236.7241.2741.2738.5738.5735.6035.6034.7734.7732.7132.7140.9940.9936.683

55、6.68Lev.3Lev.3NoneNone33.6133.6138.1138.1137.2737.2738.5038.5046.3246.3233.4433.4423.9123.91EffectEffect3.723.727.677.670.94040.94047.267.267.717.7113.6113.617.887.8831.2331.23RankRank7 75 58 86 64 42 23 31 1OptimaOptimal l1 12 21 11 11 13 31 11 1三三維維模模型型S/NS/N比比反反應(yīng)應(yīng)表表 NCKU複合材料實驗室控制因子控制因子Level Level

56、 1 1Level 2Level 2Level 3Level 3A A 基板厚度基板厚度(mm)(mm)0.250.250.3250.325x xB B 錫球半徑錫球半徑(mm)(mm)0.1050.1050.150.150.1950.195C Underfill(E, MPa)C Underfill(E, MPa)7210721010300103001339013390D Underfill(, D Underfill(, ppm/)ppm/)16.816.8242431.231.2E E 基板基板(E, GPa)(E, GPa)193.13193.13275.9275.9358.67358

57、.67F F 基板基板(, ppm/)(, ppm/)3.713.715.35.36.896.89G FR4(E, MPa)G FR4(E, MPa)15,40015,40022,00022,00028,60028,600H FR4(, ppm/)H FR4(, ppm/)12.612.6181823.423.4 NCKU複合材料實驗室q變異分析變異分析(Analysis of Variance, ANOVA) (Analysis of Variance, ANOVA) 目的是評估實驗誤差。目的是評估實驗誤差。q假設(shè)控制因子影響的變異量遠大於實驗誤差假設(shè)控制因子影響的變異量遠大於實驗誤差所產(chǎn)生

58、的變異量，則可判斷此因子效應(yīng)是重所產(chǎn)生的變異量，則可判斷此因子效應(yīng)是重要的，非實驗誤差所呵斥的。要的，非實驗誤差所呵斥的。q相反地，其它無影響力的因子其效應(yīng)可視為相反地，其它無影響力的因子其效應(yīng)可視為實驗誤差所呵斥的偶發(fā)效應(yīng)。實驗誤差所呵斥的偶發(fā)效應(yīng)。 NCKU複合材料實驗室FactorFactorSSSSDOFDOFVarVarA A62.1662.161 162.1662.16B B223.16223.162 2111.58111.58C C2.662.662 21.331.33D D173.75173.752 286.8786.87E E178.31178.312 289.1689.16

59、F F587.24587.242 2293.62293.62G G238.22238.222 2119.11119.11H H2957.932957.932 21478.971478.97OthersOthers26.6726.672 213.3313.33TotalTotal4450.084450.081717三維模型各因子變異量與總變異量的平方和 NCKU複合材料實驗室q進行第一次誤差統(tǒng)合。因其它項的變異量最小，所以將進行第一次誤差統(tǒng)合。因其它項的變異量最小，所以將其併入實驗誤差項，並計算其它因子的自信心水準。在其併入實驗誤差項，並計算其它因子的自信心水準。在此過程中，選擇自信心水準至少需

60、此過程中，選擇自信心水準至少需99以上。以上。q控制因子控制因子C底膠底膠(Underfill)之楊氏模數(shù)之楊氏模數(shù)E可視為無影響可視為無影響力的因子。亦即，因控制因子力的因子。亦即，因控制因子C所呵斥的變異可視為因所呵斥的變異可視為因?qū)嶒炚`差所呵斥的偶發(fā)現(xiàn)象，將於下一過程統(tǒng)合至誤差實驗誤差所呵斥的偶發(fā)現(xiàn)象，將於下一過程統(tǒng)合至誤差項。項。q控制因子控制因子H(FR4之熱膨脹係數(shù)之熱膨脹係數(shù))之自信心水準最大為之自信心水準最大為99.99，可視為最重要的因子。，可視為最重要的因子。 NCKU複合材料實驗室FactoFactor rSSSSDODOF FVarVarF FProbabilitPro