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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 LoadingYeong-Jyh LinDepartment of Mechanical EngineeringNational Cheng Kung UniversityTainan, TaiwanJune 15, 2000內容摘要nCSP產品簡介n可靠度簡介n透過實驗求得可靠度n利用電腦模擬得到可靠度n實驗與模擬之結果比較n結論 Polymer Processing Lab., ME, NCKUCSP
2、產品簡介n封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片(Die)之1.2倍n依其結構可分為四類nFlex Circuit InterposernRigid Substrate InterposernLead Frame (Lead-on-Chip)nWafer Level Assembly Polymer Processing Lab., ME, NCKU分析之CSP產品n南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品CompoundAu wireChip TapeSubstrateSolder Ball Polymer Processing Lab., ME, NCKU可靠度簡介
3、n可靠度之定義n元件於特定使用環境下一定時間內之損壞機率n為何需要可靠度n瞭解生產品質n輕薄短小n功能、成本 Polymer Processing Lab., ME, NCKU封裝產品之可靠度實驗n熱循環測試nThermal Cycling Test簡稱TCTn加速因升降溫所造成之破壞發生n熱衝擊測試nThermal Shock Test簡稱TSTnPressure Cooler Test(PCA)n抗濕氣能力 Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗及模擬之流程產品設計生產設備開發取得材料參數線性分析(熱傳、熱應力)非線性分析可靠度分析產品量產可靠度實驗小量試做
4、產品製程參數調整 Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗步驟n將一定數目之元件放入實驗機中n每100個循環取出等量之元件進行檢測n產品染色後，在將元件拔離機版n加電壓檢測其迴路之電阻值n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n建立分析模型n找出產品最容易破壞處n使用非線性分析模擬破壞行為n整理分析結果n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n因存放及使用溫度高於溶解溫度的一半，會繼續產生結
5、晶，並變形鬆弛應力n使用時升溫降溫產生類似疲勞之效應n材料發生永久變形n漸漸產生裂縫，繼而成長、破壞 Polymer Processing Lab., ME, NCKU錫球行為分析n因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(Viscoplastic)性質模擬之n其行為在ANSYS中屬Rate-Dependent Plasticityn使用Anands Model模擬錫球之變形 Polymer Processing Lab., ME, NCKUAnands Modeln為ANSYS內建n需輸入9個材料參數n變形速率為溫度應力之函數 Polymer Processing Lab., ME, NCKU簡化模
6、型n因整體對稱，取四分之一模擬之n忽略金線之影響n不考慮製程所造成之內應力及應變n假設材料間之接合為為理想結合(Ideal Adhesion)n假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同 Polymer Processing Lab., ME, NCKU模型建立n建立2-D模型Solder BallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolder BallFR-4EMC Polymer Processing Lab., ME, NCKU模型建立(continue)n建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolder Ball Polymer Processing Lab.,
7、ME, NCKU材料參數n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)n錫球之材料參數 Polymer Processing Lab., ME, NCKU線性分析n將溫度由25提升至235n觀察整體之應力分佈及變形情形n實驗及模擬翹曲量比較 Polymer Processing Lab., ME, NCKU3-D線性分析結果 Polymer Processing Lab., ME, NCKU翹曲量比較nShadow Moir 量測實際翹曲量(南茂科技) Polymer Processing Lab., ME,
8、NCKU非線性分析n模擬熱循環測試之溫度循環n在5min內由-65上升至150 n將溫度維持在150持續15min n再將溫度在6min內降回-65 n最後維持在-65持續15min n使用Anands Model模擬錫球黏塑行為n進行8次TCT循環 Polymer Processing Lab., ME, NCKU循環溫度變化n2個循環Time (sec)Temperature (K) Polymer Processing Lab., ME, NCKU疲勞模型n依其假設基礎可分為五大類n應力n塑性變形n潛變變形n能量損壞n損壞n其中以塑性變形及能量損壞較常使用 Polymer Process
9、ing Lab., ME, NCKU以塑性變形為基礎之疲勞模型nModified Coffin-Manson (Engelmaier)n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以能量為基礎之疲勞模型n2-D及3-D分析皆可使用n計算較複雜crack propa
10、gation rate number of cycles to crack initiation Polymer Processing Lab., ME, NCKU塑性變形能量之變化n2個循環Time (sec)Strain Energy (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU應力對塑性應變圖n完成第一個循環後之應力應變圖AFEDCBStrain in X DirectionStress in X Direction (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU應力對塑性應變圖(continue)n完成2
11、個及3個循環之比較Strain in X DirectionStress in X Direction (Kgf/mm2)Strain in X DirectionStress in X Direction (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU錫球非線性分析結果n完成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)n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
12、Lab., ME, NCKU可靠度分析n整理非線性分析之結果n選擇適當之疲勞模型(Fatigue Model)及常數n材料、封裝方式、破壞模式n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n2-Dn求出單一錫球之平均變性能量n塑性變形能量為基礎之Fatigue Modeln3-Dn求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形nModify Coffin-Manson Equation Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗及模擬之可靠度比較模擬值(Cycles)分析時間(hr)實際值(Cycles)誤差(%)2-D5926(8循環)65083-D43872(1循環)4019 Polymer Processing Lab., ME, NCKU結論n使用之單位會影響分析時間 Polymer Processing Lab., ME, NCKU結論(continue)n線性分析n2-D模型雖較快但無法得到實際之結果n3-D模型之結果非常接近實際情形n非線性分析n2-D分析時需使用以能量為基礎之疲勞模型n3-D分析疲勞模型皆可使用，但在需注意參數之選擇n由此方式能預測產品之可靠度 Polymer Processing Lab., ME, NCKU
