機械性質分析

圖2.7 固化底部填膠材料示差掃描熱量分析圖

2.5 機械性質分析

底部填膠的重要機械性質包括彈性模數和硬度，傳統使用拉伸試 驗機或硬度測試機量測塊材 (bulk) 的楊氏模數(Young’s modulus) 和 硬度 (hardness)， 但不適合用於量測薄膜材料，因為薄膜材料無法承 受過大的荷重。利用奈米壓痕儀(nanoindentation)可量測薄膜材料的楊 氏模數和硬度，圖2.8 為其示意圖。奈米壓痕儀利用壓痕荷重對位移的 關係來量測薄膜機械性質，紀錄壓痕負載及卸載時的荷重位移關係 圖，如圖2.9 所示。

圖 2.8 奈米壓痕儀簡圖

圖2.9 壓痕實驗負載-位移曲線圖

在卸載過程中，根據彈性變形模式，求取最大荷重時的接觸面積，

其中S：初始負載剛性(initial stiffness) h：壓痕位移

E_r：卸載時的變形模數(reduced modulus) A：彈性接觸時的投影面積

E、E_i：薄膜、壓痕器的楊氏模數

ν、ν_i：薄膜、壓痕器的蒲松比(poisson’s ratio)

本研究利用 MTS Nanoindenter XP 奈米壓痕儀量測底部填膠材料 的楊氏模數(E)及硬度(H)，其位移解析度為 0.1nm 負載解析度為

<500nm，壓痕深度範圍 25nm 至 500μm，可量測最小薄膜厚度為 1000A。量測試片以 10mm x 10mm 矽晶片為基材量測 200μm 厚度的底 部填膠，利用奈米壓痕儀在不同探針深度時的剛性計算薄膜的變形模 數，可分析在不同探針深度時薄膜的彈性模數與硬度，在探針深度較 淺時，薄膜材料的剛性會受到表面效應的影響(surface effect)，而探針 深度較深時，則會受到基材效應的影響(substrate effect)，在不受影響 的量測範圍內，可測得薄膜材料的硬度及彈性模數。故探針深度在 6000nm 時所測得的彈性模數與硬度為底部填膠材料 B 和 C 之材料性 質，結果如圖 2.10 及 2.11 所示，由十次量測平均所得，底部填膠材料 B 和 C 之楊氏模數分別為 11.0GPa 與 10.9GPa、而硬度則為 0.42GPa 和 0.29GPa。

圖2.9 奈米壓痕儀量測底膠彈性模數 (a)Underfill B (b)Underfill C

圖2.10 奈米壓痕儀測量底膠硬度(a)Underfill B (b)Underfill C

在分析覆晶封裝體的熱應力分佈時，底部填膠的彎曲彈性模數 (flexure modulus)為ㄧ項重要的性質，四點彎矩試驗，如圖 2.11 所示，

可用來量測樣品的彎曲彈性模數 E_f (flexure modulus)。根據樑柱理論 (Beam theory)，樣品在彎曲試驗時所受最大應力 σ 為：

I Mh

= 2

σ

其中M：彎曲力矩(bending moment)

I：截面轉動貫量 I (cross section moment inertia)

h：樣品厚度

樣品之彎曲彈性模數Ef可由其負載-位移曲線關係計算得知[20]：

d Bh E

PL

3

27

= 5

其中P：負載荷重 L：支點間距 B：樣品寬度 d：負載點位移量

利用四點彎矩試驗測量底部填膠的彎曲彈性模數，底部填膠的樣 品大小為66mm x 5.4 mm x 1mm，其荷重與位移曲線圖如圖 2.12 所示，

再以方程式 2.5 可計算其彎曲模數，底部填膠 B 和 C 的彎曲模數分別 為8.5GPa 和 7.1GPa，與廠商所提供的性質並無太大的差異。

圖 2.11 四點彎矩試驗示意圖

圖2.12 四點彎矩試驗荷重-位移圖