第二章 覆晶封裝製程簡介
2.5 散熱片 (Heat spreader)
散熱片的材料指的是散熱金屬的本身材質，最常使用的為銅
（Cu）或鋁（Al），暫且不論金屬的價格，兩種金屬在散熱運用上 有著不同的取向特性。就熱傳導性而言，銅的表現勝於鋁，銅為 390W/m-K，鋁則為 209W/m-K，很明顯銅比鋁多出 86.6％的熱傳導 力，按理而言銅比鋁更適合用於散熱片。不過，熱傳導性並非是
圖 2.5 散熱片種類
2.6 植球(Solder ball mount)
隨著目前電子產品的功能日益多元化，為了因應電子產品 輕、薄、短、小之需求，因此電子構裝技術也朝向高密度化、薄 形封裝等多樣性的趨勢發展，在基板構裝層次的發展中，由四週 邊皆合的引腳插入式接合(Plated Through Hole，PTH)，表面黏 著技術(Surface Mount Technology，SMT)到近來發展的球陣列式 接合(Ball Grid Arrays，BGA)製程(如圖 2.6)。
BGA 封裝技術有著一些特點，I/O 導現數雖然增多，但導線間 距並不小，因而提升了組裝良率，雖然它的功效增加，但 BGA 能 改善它的電熱性能，濃度和重量都較以前的封裝技術有所減少，
信號傳輸延遲曉，使用頻率大大提升，可靠性高，不過 BGA 封裝 仍存在著佔用基板面積較大的問題[7]。
第三章第三章第三章
第三章 底膠底膠底膠材料底膠材料材料材料理論分析理論分析理論分析 理論分析 3.1 底膠材料之介紹
底部封膠材料(Underfill)主要是由環氧樹脂及二氧化矽粉體 兩種成份所組成，其中環氧樹脂提供晶片以及有基機板黏著力，
包含有硬化劑、樹脂、促進劑、著色劑及其他添加劑等，其晶片、
金線、基板、錫鉛及鋁電極等之密著性、耐熱性、電氣特性、流 動性、烘烤溫度、硬化收縮及封裝性需求，都是決定樹脂的組成；
二氧化矽的主要功能為改善熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion) ，使得膠材性質更為接近錫球，並維持構裝元件之剛
底膠材料與一般結構常用的金屬材料有很大的不同，在選用底 膠材料時，目前業界較重視的物理特性為玻璃轉化溫度(T g)、熱 膨脹係數(CTE) 、楊式模數(Young’s Modulus)。當底膠材料熱 固化(Fully curing)後，溫度低於玻璃轉化溫度(T g)時，呈現玻 璃態，此時楊式模數(Modulus)的單位級約在 10^9~10^10 ，但當 溫度超過玻璃轉化溫度(T g)後，會因為高分子鏈獲得較大的能 方法有熱示差掃描儀 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 、熱機械分析法 Thermal Mechanical Analysis(TMA)與動
圖 3.1 不同 Tg 材料之 M-T 曲線示意圖[8]
3.2 底膠材料熱固性反應分析
底膠材料為高分子材料，根據分子結構與交聯(crosslinking) 情況, 可將高分子材料(macromolecule) 大致分為熱塑性
(thermoplastics) 及熱固性(thermosets) 兩大類(如圖
3.2-1)，而底膠材料屬於熱固性材料，熱固性材料其特性為熱固
圖 3.2-1 高分子材料種類[9]
圖 3.2-2 熱固性材料示意圖[9]
熱固性材料發生化學交聯的過程稱為固化反應(cure
reaction)，會伴隨發生數種主要現象: 自放熱反應(exothermic reaction) 、膠化反應(gelation) 、黏度(viscosity) 升高固化 體積收縮(cure shrinkage)，(如圖 3.2-3)。
固化反應的程度稱為轉化率(conversion / degree of cure), 用來描述材料的放熱行為與變化程度，放熱歷程使用 DSC
(Differential Scanning Calorimeter) 熱分析儀進行量測。
(如圖 3.2-4)所示，樣本材料置於右側，左方則是空盤，逐漸加
圖 3.2-3 熱固性材料固化反應示意圖[9]
圖 3.2-4 熱分析儀量測示意圖[9]
熱固性材料之無機填充粒(如圖 3.2-5)通常為矽石(silica)或 石英(quartz) 粉末。在某些特殊應用中，碳酸鈣(calcium
carbonates)、矽酸鈣(calcium silicates)、滑石(talcs)、雲母
圖 3.2-5 底膠材料填充粒示意圖[9]
3.3 底膠填充粒矽烷耦聯劑分析
矽烷耦聯劑(silanecoupling agent) 常用來進行填充粒的表 面處理，是一種分子中含有二種不同化學性質基團的有機矽化合 物，在分子的兩端分別為親有機基團及親無機基團，使得有機物 和無機物能透過矽烷耦聯劑而相結合(如圖 3.3-1)，這是一種水 解反應(hydrolysis reaction) ，使得填充粒表面從親水性
(hydrophilic) 表面轉變為恐水性(hydrophobic)表面；另外，表 面處理的另一項要求是降低粒子間的作用力，使達到粒子均勻分 佈於基礎材料中。
由圖 3.3-2 有使用矽烷成份的材料可知，矽烷耦聯劑能產生恐 水性表面，相對地，能提升底膠材料與基板或晶片間的接著強度 (adhesion strength) 。
圖 3.3-1 矽烷耦聯劑示意圖[9]
圖 3.3-2 矽烷耦聯劑接著強度示意圖[9]
3.4 底膠填充粒含量之影響
填充粒的含量高低會直接影響數種性質，若粒徑固定而含量提 高，則黏度升高(劣)如圖 3.4-1、熱膨脹係數(CTE) 降低(優)如 圖 3.4-2、Modulus 提高(優劣未能確定)、吸濕性降低(優)如圖 3.4-3。
若填充粒的含量固定，改變填充粒的粒徑，對黏度有直接的影 響，粒徑越小，粒子間的滾動磨擦阻力會阻礙流動，使黏度增加，
(如圖 3.4-4)，環氧樹脂(epoxy resin)本身的 CTE 相當大，必須 藉助特定的填充粒來降低底膠的 CTE(如圖 3.4-5)。
圖 3.4-1 填充粒粒徑與黏度關係圖[9]
圖 3.4-2 熱膨脹係數與黏度關係圖[9]
圖 3.4-3 吸濕性與黏度關係圖[9]
圖 3.4-5 環氧樹脂(epoxy resin)與填充粒含量關係圖[9]
3.5 底膠材料黏度分析
黏度(viscosity，單位: Pa.sec = 1,000 cps) 是流體本身流 動阻力的度量，值越高表示本身流動阻力越大。
就底膠材料而言，溫度效應是最主要的影響因子，隨著溫度的 升高, 黏度會逐漸降低易於流動，不過，值得注意的是，不可一 昧提高溫度，因為高溫會加速底膠的固化反應使黏度迅速升高而 降低流動性(如圖 3.5)。
圖 3.5 黏度與溫度關係圖[9]
3.6 底膠材料玻璃轉移溫度分析
玻璃轉移溫度(glass transition temperature，Tg) 是指材料 微觀高分子鏈開始大鏈節(segment) 運動的溫度，若使用溫度低 於 Tg，大部份的分子鏈節運動會被凍結，材料呈現剛性硬脆之玻 璃態(glassy state)；若使用溫度高於 Tg，分子鏈節可自由運動，
材料呈現柔軟繞曲之橡膠態(rubbery state)。
玻璃轉移溫度於 Tg 附近，分子鏈節運動是漸變的過程，除內 在分子結構的改變外，另一方面，外顯性質主要有材料尺寸與強 度的改變，尺寸改變可用熱膨脹係數(CTE, coefficient of thermal expansion) 來描述，強度改變可用彈性模數(Young’s modulus) 或彎曲模數(flexural modulus) 來描述。
至於玻璃轉移溫度(glass transition temperature，Tg)的量 測依不同的性質定義，共有三種不同儀器可用來決定 Tg
1.TMA (ThermomechanicalAnalyzer): 著眼於 CTE 的變化
2.DMA (Dynamic Mechanical Analyzer): 著眼於 Modulus 變化 3.DSC (Differential Scanning Calorimeter): 著眼於熱量變化 前兩者分別從 CTE 與 Modulus 的變化來定義 Tg，這是站在機械 modulus) ，損失的能量則稱為損失模數(loss modulus)。
圖 3.6-1 TMA 量測示意圖[9]
100%固化後的樣本同時經歷力量、頻率與溫度三種條件，可同 時表現出彈性(elasticity) 與黏性(viscosity) 的特性。兩者之 比值定義為 Tan Delta，曲線峰值所對應的溫度(如圖 3.6-3)即為 Tg。
圖 3.6-3 Tan Delta 示意圖[9]
3.7 底膠材料熱膨脹係數與彈性模數分析
熱膨脹係數(CTE)定義為每度 C 溫差下長度變化的比率，量測方 法(如圖 3.7-1)就是前面所述 TMA 量測 Tg 的過程，單位是 ppm/oC.
(ppm 表 10-6m)。
圖 3.7-1 CTE 量測公式[9]
彈性模數(Elastic Modulus) 又稱楊氏模數(Young’s
Modulus)，是材料勁度(stiffness)的度量，亦即抗拉伸的能力，
單位常用 GPa.此處所述的彈性模數就是 DMA 所量到的儲存模數，
底膠材料的彈性模數會隨溫度而改變，於 Tg 前後明顯不同，以 UA 系列為例(如圖 3.7-2)，Tg 之前約 7~8 GPa 左右，過了 Tg 卻 降至 0.04 GPa，至於影響彈性模數(Elastic Modulus)的因素除 了玻璃轉移溫度(glass transition temperature，Tg)外，其餘 尚有填充粒含量與改性劑(如圖 3.7-3 與 3.7-4)。
圖 3.7-2 楊氏模數(Young’s Modulus)示意圖[9]
圖 3.7-3 楊氏模數與填充粒含量關係圖[9]
圖 3.7-4 楊氏模數與改性劑關係圖[9]
3.8 底膠流動性質分析
底膠是藉助毛細力(capillary)作用，於晶片與基板間
(standoff height / die gap)流動，其波前為凹形，即接觸表面 的底膠流速較快，內部則較慢(可視為拉力作用於底膠上)。
至於底膠流動速度可從圖 3.8-1 中看出，凸塊密度越高，因流阻 增加而流動較緩慢，其底膠流動時間
(t flow )
可以圖 3.8-2 公式計 算。圖 3.8-1 底膠對應凸塊密度流動關係圖[9]
上述圖 3.8-2 底膠流動時間
(t flow )
公式，其表面張力(surface tension，單位: N/m) 與接觸角(contact angle，俗稱:水珠角 water angle)兩者皆會隨溫度變化而改變(如圖 3.8-3 與圖3.8-4)，此外如圖 3.8.5 填充粒大小也是影響底膠流動性的因素 之一。
圖 3.8-3 水珠角與溫度關係圖[9]
圖 3.8-4 表面張力與溫度關係圖[9]
圖 3.8-5 填充粒大小與底膠流動性關係圖[9]
第四章第四章第四章
作業面測試項目包括基板翹曲模擬(Substrate warpage
simulation)、底膠孔洞(Underfill void)判斷、凸塊斷裂(White bump)判斷以及底膠脫層(Underfill delam)判讀等。
以不同膠材測試基板翹曲模擬(Substrate warpage simulation) 結果可發現在底膠填充製程(Underfill process)完成後，UA 系 列基板翹曲約在 4.3mils、UD 系列基板翹曲約在 4.7mils、UH 系 列基板翹曲約在 4.1mils，由此可知 UH 系列對基板翹曲的變異性 最好(如表 4.1-3)。
在底膠孔洞(Underfill void)判斷、凸塊斷裂(White bump)判 斷以及底膠脫層(Underfill delam)判讀層面，三支膠材都無上述 的缺點發生(如圖 4.1-1~3)。
表 4.1-1 實驗材料表
Underfill Type UA系列 UD系列 UH系列 玻璃轉移溫度(Tg) 100 110 109
熱膨脹係數(CTE) 30 27 30 楊氏模數(Gpa) 10.7 9.3 9.1
烘烤溫度 165℃ 165℃ 130℃
表 4.1-2 底膠材料對照表
表 4.1-3 基板翹曲模擬(Substrate warpage simulation)對照表
圖 4.1-1 UA 系列 process test SAT
圖 4.1-3 UH 系列 process test SAT
4.2 信賴性測試結果
所謂可靠度分析即是可靠度為元件於特定使用環境下一定時間 內之損壞機率，換言之即是元件在一定使用時間及使用環境下之 品質狀況[10]。
此次的測試條件為溫度循環試驗 TCT (Temperature Cycling Test)，以每分鐘 5~15 度的溫變率，在溫度變化上做一連串的高、
低溫循環測試，其目的在施加應力於試件上，加速試件之老化因 子，使試件在環境因素下可能產生損害系統設備及零組件，以決 定試件是否正確設計或製造[11]。
由實驗中可知，UA 系列、UD 系列與 UH 系列的膠材在經過 Pre-Condition 的測試後均無底膠孔洞(Underfill void)、底膠 脫層(Underfill delam)、凸塊斷裂(Bump crack)等的異常發生。
由 TCT (Temperature Cycling Test)的測試中可知，UA 系列與
Pre-Condition 實驗結果如表 4.2-1、圖 4.2-1~6
Underfill type Sample size Pre-Condition (MSL3Aa 260'C) Open/ Short test
UA系列 45 SAT 45/45ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 45/45ea pass
UD系列 45 SAT 45/45ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 45/45ea pass
UH系列 45 SAT 45/45ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 45/45ea pass
表 4.2-1 Pre-Condition 實驗結果
圖 4.2-1 UA 系列 Pre-Condition SAT
圖 4.2-2 UA 系列 Pre-Condition cross section 剖視圖
圖 4.2-4 UD 系列 Pre-Condition cross section 剖視圖
圖 4.2-5 UH 系列 Pre-Condition SAT
圖 4.2-6 UH 系列 Pre-Condition cross section 剖視圖
TCT 500/ 1000 實驗結果如表 4.2-2、圖 4.2-7~18
Sample size TCT500 Open/ Short test Sample size TCT1000 Open/ Short test
UA系列 43 SAT 43/43ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 43/43ea pass 41 SAT 38/41ea pass
X-Sec solder mask crack O/S test 41/41ea pass
UD系列 43 SAT 43/43ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 43/43ea pass 41 SAT 36/41ea pass
X-Sec solder mask crack O/S test 41/41ea pass
UH系列 43 SAT 43/43ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 43/43ea pass 41 SAT 41/41ea pass
X-Sec No abnormal O/S test 41/41ea pass Underfill type
TCT (Temperature Cycling Test) -55~125'C
圖 4.2-7 UA 系列 TCT500 SAT
圖 4.2-8 UA 系列 TCT500 cross section 剖視圖
圖 4.2-9 UD 系列 TCT500 SAT
圖 4.2-11 UH 系列 TCT500 SAT
圖 4.2-12 UH 系列 TCT500 cross section 剖視圖
圖 4.2-13 UA 系列 TCT1000 SAT
圖 4.2-15 UD 系列 TCT1000 SAT
圖 4.2-16 UD 系列 TCT1000 cross section 剖視圖，發現在錫球 接線墊有裂痕
圖 4.2-17 UH 系列 TCT1000 SAT
4.3 實驗結果驗證
根據實驗結果，可得知在 TCT (Temperature Cycling Test)溫 度循環試驗中，UA 系列與 UD 系列在 TCT100 產生了 Solder mask
表 4.3-1 底膠材料平面度實驗結果表
圖 4.3-2 產品平面度實驗結果圖
表 4.3-2 底膠材料實驗結果表
表 4.3-3 改善基板翹曲實驗結果表
第五章第五章第五章
參考文獻參考文獻參考文獻
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