失效模式分析

如上節所述，測試樣品在覆晶迴焊後，X-ray 檢驗顯示 17%的缺陷率，其 失效模式為未焊，如圖2-3 所示，未焊模式為一整排 bump 均未焊。由圖 2-4 所 示，針對晶粒做切片，未焊凸塊集中在晶粒中間部分且中間部分die gap 為 59.56um。

12 圖2-3 未焊失效模式 X-ray

圖2-4 晶粒切片 SEM die gap 量測

依上述分析，再針對失效之樣品做熱變形表面陰影疊紋（Shadow Moiré）分 析，得圖2-5 及圖 2-6 之結果，顯示晶粒及基板在迴焊溫度（220~245’C）下，

翹曲行為的不同，並可做如圖2-7 關於晶粒及基板熱變形行為的不匹配的判 斷，即晶粒為凸形（convex）而基板為凹形（concave）致使未焊凸塊集中於中 間部分。

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圖2-5 熱變形表面陰影疊紋分析晶粒部分（凸形，convex）

圖2-6 熱變形表面陰影疊紋分析基板部分（凹形，concave）

14 圖2-7 晶粒及基板熱變形行為

目前為止，針對凸塊未焊的失效模式分析可判斷，晶粒及基板的翹曲行為 之不匹配性應為最主要的原因。另一方面，凸塊未焊對於封裝失效的嚴重性來 說，是高於平面度不良的，所以失效模式之改善將會以未焊為主要考量。並 且，為改善晶粒及基板翹曲行為的匹配性，整體結構的平面度亦應改善。

第三章 評估實驗設計

3.1 材料結構的熱膨脹因子

半導體封裝產品，如下圖3-1 所示，可以分為下列四個主要結構的組合：

成型模料（Epoxy Molding Compound, EMC. 或只稱 Compound）、晶粒（Dice/

Die）、底膠（Under-fill 也是ㄧ種環氧樹脂的材料，所以也稱 Epoxy）、及基板

（Substrate）。每一個組成部分的材料不同，有其各自的膨脹特性，圖 3-1 所列 出的α 數值為各別材料的參考膨脹係數，表示各別材料的膨脹係數約略落在哪 些範圍。因為這些不同膨脹特性的材料被封裝在一起，整個結構就形成一個不 同膨脹係數的材料應力相抗衡的整體，在經過熱製程後，產品結構因脹縮而產 生應力的抗衡下，使得結構翹曲及變形。產生這個現象的原因稱為膨脹係數不 匹配（CTE mis-match）。在本文第二章 2.3 節中即以熱變形表面陰影疊紋的方

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16

表3-1 熱膨脹因子的控制對產品翹曲的影響

圖3-2 產品熱膨脹因子之控制

3.2 溫度變化因子

由第二章2.3 節失效分析之結果及 3.1 節所述得知，產品結構的翹曲特性 在溫度變化的過程中，事實上即是各材料熱應力抗衡的結果。而在本研究中 所使用的測試樣品的大量未焊失效模式即因晶粒與基板在迴焊溫度下的翹曲 模式的差異造成。覆晶迴焊製程是覆晶封裝的重要製程，而焊錫凸塊的熔點 約為221C（本研究之測試樣品使用銅柱凸塊錫－1.8 銀焊料／Cu pillar Sn-1.8Ag，見表 2-2），迴焊溫度的最高溫（peak temperature）為 245C，迴焊爐 溫從220C 升溫到 245C 再降回 220C 這段溫度稱為迴焊溫度（reflow

temperature），而這段時間稱為迴焊時間（reflow time），依圖 2-6 及圖 2-7 所 示，晶粒及基板在迴焊時間中的翹曲行為是造成晶粒中間部分凸塊未焊的主 要原因。

另一方面，半導體元件最後的關鍵封裝指標，即平面度（co-planarity）

的表現的提升將決定元件上板（SMT）良率及板級信賴度（board level

17 粒於25C、220C、245C 等溫度下其翹曲之變化與基板翹曲之變化做比 較，以選擇最適之晶粒厚度。

（2） 比較使用不同熱膨脹係數之成型模料的封裝元件之封裝後的平面度及利 用表面陰影疊紋分析量測各別於260C 溫度下的產品翹曲，以選擇最適 之晶粒厚度。

針對上述之實驗計畫設計下表3-2。如表所示，對照組（POR）所使用晶粒 厚度為8mil（200um），實驗組則使用 10mil（250um）厚度。成型模料則有對 照組所使用的G311AC 及實驗組的 XB8732，相較於對照組所使用的成型模 料，實驗組所使用的是相對低熱膨脹係數的成型模料。

18

及-19

11um。溫度升高到最高爐溫（245C）時，8mil 晶粒的翹曲模式還是凸形，平面 度降至4um。而 10mil 晶粒與基板仍為一致的凹形，平面度各別為-15um 及-11um。由此可以判斷，10mil 晶粒在覆晶迴焊時，應可改善凸塊未焊之失效模 式。而事實上，本實驗之結果亦證實10mil 晶粒無未焊發生。如下圖 3-4，

8mil 晶粒及 10mil 晶粒凸塊 X-ray 檢驗所示。如下圖 3-5 為 10mil 晶粒切片，

die gap 量測為 45.11um。

圖3-4 8mil 晶粒凸塊未焊及 10mil 晶粒無異常 X-ray 撿驗圖片

圖3-5 10mil 晶粒切片 die gap 量測

針對不同熱膨脹係數之成型模料之比較結果如圖3-6 及圖 3-7 所示。元件 完成封裝製程後，在常溫下的平面度可見圖3-6，得知，使用 G311AC 成型模 料之樣品在晶粒厚度增加後平面度有改善，當晶粒從8mil（200um）增加到 10mil（250um），平面度平均值下降 13um（63um 降到 50um）。10mil 晶粒樣品 使用XB8732 成型模料，元件平面度相較使用 G311AC 的樣品平面度平均值下 降11um（50um 降到 39um）。並且，10mil 晶粒使用 XB8732 成型模料，平面度

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的製程能力指標已達大於1.33 的目標。由此可判斷 XB8732 成型模料應為最適 之材料。

為清楚展示實驗結果，請見表3-3，針對 8mil 及 10mil 晶粒覆晶迴焊及使 用G311AC 及 XB8732 之元件平面度之結果如表列。

圖3-6 元件封裝後平面度分佈（25C）

圖3-7 元件封裝後平面度分佈（260C）

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Leg S.S. Die

thickness Compound

Result

22 圖3-8 信賴度測試預處理結果 T-SAM

圖3-9 信賴度測試溫度循環 1000 次結果 T-SAM

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參考文獻

[1] 黎昱均，扇出型封裝製程溫度變化下的翹曲模擬與最佳化分析，國防大學理 工學院航空太空工程碩士班碩士論文，2018。

[2] 劉聿翔，扇出型晶圓級晶片尺寸封裝之導線可靠度評估，國立清華大學動力 機械工程學系碩士論文，2018。

[3] 劉晏誠，扇出型晶圓級構裝製程翹曲分析，逢甲大學航太與系統工程學系碩 士論文，2018。

[4] 廖宗仁，溫度循環試驗對晶圓級擴散型封裝之可靠度影響，國立交通大學工 學院半導體材料與製程設備學程碩士論文，2014。

[5] 黃沛誠，扇出型晶圓封裝模壓後翹曲改善，國立中興大學機械工程學系所碩 士論文，2018。

[6] Sumitomo, Epoxy Molding Compound material data sheet.