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1、CSP封裝產品在循環熱應力下之可靠度分析Board Level Reliability of Chip Scale Package Under Cyclic Thermomechanical Loading,Yeong-Jyh LinDepartment of Mechanical EngineeringNational Cheng Kung UniversityTainan,TaiwanJune 15,2000,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,內容摘要,CSP產品簡介可靠度簡介透過實驗求得可靠度利用電腦模擬得到可靠度實驗與模擬之結果比較結論,Polymer P
2、rocessing Lab.,ME,NCKU,CSP產品簡介,封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片(Die)之1.2倍依其結構可分為四類Flex Circuit InterposerRigid Substrate InterposerLead Frame(Lead-on-Chip)Wafer Level Assembly,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,分析之CSP產品,南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,可靠度簡介,可靠度之定義元件於特定使用環境下一定時間內之損壞機
3、率為何需要可靠度瞭解生產品質輕薄短小功能、成本,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,封裝產品之可靠度實驗,熱循環測試Thermal Cycling Test簡稱TCT加速因升降溫所造成之破壞發生熱衝擊測試Thermal Shock Test簡稱TSTPressure Cooler Test(PCA)抗濕氣能力,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,實驗及模擬之流程,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,實驗步驟,將一定數目之元件放入實驗機中每100個循環取出等量之元件進行檢測產品染色後，在將元件拔離機版加電壓檢測其
4、迴路之電阻值可得到循環數對損壞機率之值,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,使用電腦分析可靠度之步驟,建立分析模型找出產品最容易破壞處使用非線性分析模擬破壞行為整理分析結果透過疲勞模型(Fatigue Model)得到模擬之循環數,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,錫球問題,因存放及使用溫度高於溶解溫度的一半，會繼續產生結晶，並變形鬆弛應力使用時升溫降溫產生類似疲勞之效應材料發生永久變形漸漸產生裂縫，繼而成長、破壞,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,錫球行為分析,因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(Visco
5、plastic)性質模擬之其行為在ANSYS中屬Rate-Dependent Plasticity使用Anands Model模擬錫球之變形,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,Anands Model,為ANSYS內建需輸入9個材料參數變形速率為溫度應力之函數,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,簡化模型,因整體對稱，取四分之一模擬之忽略金線之影響不考慮製程所造成之內應力及應變假設材料間之接合為為理想結合(Ideal Adhesion)假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,
6、模型建立,建立2-D模型,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,模型建立(continue),建立3-D模型,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,材料參數,除錫球外，其他皆使用線性材料性質,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,材料參數(continue),錫球之材料參數,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,線性分析,將溫度由25提升至235觀察整體之應力分佈及變形情形實驗及模擬翹曲量比較,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,3-D線性分析結果,Polymer
7、 Processing Lab.,ME,NCKU,翹曲量比較,Shadow Moir 量測實際翹曲量(南茂科技),Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,非線性分析,模擬熱循環測試之溫度循環在5min內由-65上升至150 將溫度維持在150持續15min 再將溫度在6min內降回-65 最後維持在-65持續15min 使用Anands Model模擬錫球黏塑行為進行8次TCT循環,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,循環溫度變化,2個循環,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,疲勞模型,依其假設基礎可分為五大類應力
8、塑性變形潛變變形能量損壞損壞其中以塑性變形及能量損壞較常使用,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,以塑性變形為基礎之疲勞模型,Modified Coffin-Manson(Engelmaier)考慮循環頻率及溫度效應,total number of cycles to failure(63.5%),plastic shear strain,fatigue ductility coefficient(0.65),mean cyclic solder joint temperature in(42.5),Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,以
9、能量為基礎之疲勞模型,2-D及3-D分析皆可使用計算較複雜,crack propagation rate,number of cycles to crack initiation,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,塑性變形能量之變化,2個循環,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,應力對塑性應變圖,完成第一個循環後之應力應變圖,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,應力對塑性應變圖(continue),完成2個及3個循環之比較,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,錫球非線性分析結果,完
10、成1個循環後之等效應力圖,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,錫球非線性分析結果(continue),完成1個循環後之塑性變形圖,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,各錫球之變形能量圖,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,可靠度分析,整理非線性分析之結果選擇適當之疲勞模型(Fatigue Model)及常數材料、封裝方式、破壞模式透過疲勞模型(Fatigue Model)預測實際實驗之循環數,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,模擬可靠度,2-D求出單一錫球之平均變性能量塑性變形能量
11、為基礎之Fatigue Model3-D求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形Modify Coffin-Manson Equation,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,實驗及模擬之可靠度比較,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,結論,使用之單位會影響分析時間,Polymer Processing Lab.,ME,NCKU,結論(continue),線性分析2-D模型雖較快但無法得到實際之結果3-D模型之結果非常接近實際情形非線性分析2-D分析時需使用以能量為基礎之疲勞模型3-D分析疲勞模型皆可使用，但在需注意參數之選擇由此方式能預測產品之可靠度,
