各層材料因為熱膨脹係數不同會產生比較大的變形，所以底膠在封裝體裡面扮 演著很重要的腳色，可以用來補償匹配熱膨脹係數，使得封裝體整體的變形量會變 小，而受到保護。分別對於三维堆疊式晶片，各種填膠的方式類型進行探討，何種添 加底膠的方式最能對下層 TSV 結構與基板之間的凸塊最有保護的作用，探討結果時 皆以溫度負載於高溫時進行討論，各種填膠方式的有限元素模型如圖 3-1 所示。
圖 3- 1 各種填膠方式之有限元素模型
X Y Z
X Y Z
X Y Z
A
D E
X Y Z
B
Y Z X
Y Z X
C
F
X
Y Y
Z X
G H
Z
由於三維堆疊式晶片的組成是由很多不同材料所構成的，所以底膠添加的方式 以及多寡，都會造成底膠添加之後對於三維堆疊式晶片的保護會有不同的效應，由 表 3-1 可以看到，在上層銲錫微凸塊的周圍添加底膠且將添加底膠的量增加之後，
可以發現對於整體的翹曲量有減少。而在下層銲錫凸塊的周圍添加底膠的狀況，對 於整體的翹曲量並沒有很大的改善，在於更換底膠材料的部份，整體的翹曲量與都 未受到底膠保護的三維堆疊式晶片比較的話，也沒有發現對於翹曲量有比較好的改 善。
觀看模型整體位移量，可以先觀察出何種填膠方式的模型對於整體三維堆疊式 晶片的整體翹曲現象，但是三維堆疊式晶片裡面的各種材料熱膨脹係數的不同，在 翹曲的時候的狀況是否會影響到銲錫凸塊，並沒有辦法直接在觀看模型整體位移量 的時候看出，對於銲錫凸塊是否會受到很大的影響，需要觀察銲錫凸塊附近的相對 位移量的狀況，是否會造成銲錫凸塊的應力集中，對於翹曲量最嚴重的地方取出角 落位置的銲錫凸塊觀察應力狀況，如表 3-2。
從表 3-2 各種不同填入底膠方式的模型的應力狀況可以發現，在銲錫微凸塊周 圍填入底膠的時候，對於下層銲錫凸塊的保護似乎沒有很大的影響，而在銲錫凸塊 周圍填入底膠的時候，可以明顯的發現，對於銲錫凸塊的部份有很大的改善，應力 值有很大的下降，在更替底膠材料的兩個模型，對於銲錫凸塊的應力值也有很大的 改善，表格裡面兩個數值是將兩個位置的最大應力位置之應力取出，最大應力發生 在右上角的有 A、B 及 C 三種模型，數值為表格欄位內上方的數值，而發生在模 型左邊中間位置的有 D、E、F、G 及 H ，數值為表格欄位內下方的數值，因為最 大應力發生在模型左邊中間的位置，所以在模型右上角的位置應力一定會小於目前 發生最大應力位置的應力，所以用括號的方式表示。
表 3- 1 各種底膠添加形式的模型位移量
The max displacement
A 0.0404 mm B 0.0326 mm C 0.0298 mm D 0.0774 mm E 0.0699 mm F 0.0669 mm G 0.0675 mm H 0.0483 mm
A B C
D E F
G H
表 3- 2 各種底膠添加形式的模型應力
The max stress of the bump 7.462 MPa
6.285 MPa
7.625 MPa 6.787 MPa
7.672 MPa 7.54 MPa (<3.164 MPa)
3.164 MPa
(<2.575 MPa) 2.575 MPa
(<2.567 MPa) 2.567 MPa (<2.575 MPa)
2.575 MPa
(<2.7 MPa) 2.7 MPa
MN
MX
X Y MN
MX
Z Y Z X
3-2 模型填膠方式選定
對於各種填膠方式的三維堆疊式晶片進行整體翹曲量以及觀看銲錫凸塊的應力 數值狀況可以發現，在添入底膠的時候是否對於銲錫凸塊有保護是有直接的影響，
但是該採用何種方式的填膠可以對於銲錫凸塊的保護才是最有效率的，以及對於工 程上面進行填膠的時候的便利性進行討論。
因為模型眾多，在分析上面所花費的時間會相當的多，加上工程上面填膠方式 的便利性，所以本文將以 3-1 節所探討的各種底膠添加形式的模型採用四種模型進 行比較。四種模型分別為封裝體完全沒有受到底膠保護的狀況，以及銲錫微凸塊周 圍是否進行填膠，銲錫凸塊周圍是否進行填膠進行組合去探討，如圖 3-2。之所以 不採取更換材料的兩組，是因為對於銲錫凸塊的保護並沒有比銲錫凸塊以及銲錫微 凸塊周圍填膠的模型的好。
圖 3- 2 各種填膠方式示意圖
有限元素模擬分析對於了解封裝結構的力學行為有降低分析成本，縮短分析時 間的優點。但關鍵在於分析結果的準確性，所以應用有限元素分析對於封裝結構之力 學反應趨勢能提供良好的結果。影響分析結果準確性最主要的因素為結構材料特性及 構裝體有無任何缺陷。IC 封裝結構中有些材料為非線性隨溫度改變，錫球的塑變、
潛變，基板為非均向材料特性。由文獻中可知某些材料的特性，許多學者大部份會引 用現有的材料參數。而本文所主要要探討的是對於三维堆疊式晶片，在於上層銲錫微 凸塊以及下層銲錫凸塊這兩層分別填入底膠保護，對於下層銲錫凸塊的保護作用，針 對有無添加底膠分為四種模型進行比對，如圖 3-3。
上下層皆無 添加底膠
下層無添加 底膠上層添 加底膠
上層無添加 底膠下層添 加底膠
上下層皆 添加底膠
a
d b
c
BASEMODEL
圖 3- 3 模型有無添加底膠比較圖
3-3 三維堆疊式晶片有無添加底膠之比對
各層材料因為熱膨脹係數不同會產生比較大的變形，所以底膠在封裝體裡面扮 演著很重要的腳色，可以用來補償匹配熱膨脹係數，使得封裝體整體的變形量會變 小，而受到保護。分別對於三维堆疊式晶片，對於上層晶片之間銲錫微凸塊部份添加 底膠，以及下層 TSV 結構與基板之間的凸塊周圍添加底膠，進行探討何種添加底膠 的方式最能對下層 TSV 結構與基板之間的銲錫凸塊最有保護的作用。圖 3-4 為四 種上層銲錫微凸塊周圍以及下層銲錫凸塊周圍有無添加底膠之有限元素模型。
a b
圖 3- 4 有限元素模型
X
Y
Y
Z X
Zc d
X
Y
Y
Z
Z X
對於各種填膠方式不同的三維堆疊式晶片，先進行探討這些填膠方式對於三維 堆疊式晶片整體的翹曲狀況，在上層晶片之間的銲錫微凸塊周圍添加底膠之後，可以 明顯的發現對於三維堆疊式晶片封裝體整體的翹曲量有減少。但是對於下層 TSV 結 構與基板之間銲錫凸塊周圍添加底膠之後，對於整體的翹曲量卻沒有比較好的效應。
由於 DNP (distance to nature point) 效應的關係，可以發現翹曲後位移量最嚴重的地 方產生在角落處。表 3-3 為有無填入底膠的整體封裝體位移比較。
表 3- 3 有無添加底膠之位移
The Max displacement
0.0404 mm 0.0298 mm
0.0774 mm 0.0699 mm
MN
MX
a c
b d
由於三維堆疊式晶片裡面所包含的物件眾多，各種材料因為熱膨脹係數的不 同，所以每種物件所呈現出來的膨脹量不一樣，各種材料之間的膨脹會互相影響，所 以單純從三維堆疊式晶片的翹曲量的狀況，並沒有辦法直接去判斷各種填膠方式的晶 片對於銲錫凸塊的保護是否良好，而對於銲錫微凸塊也是一樣的狀況，所以必須詳細 觀察銲錫凸塊以及銲錫微凸塊的應力應變狀況。
圖 3-5 為銲錫凸塊之應力圖，從應力圖的狀況可以發現，應力集中發生的位置 有些會有變動，一般認為銲錫凸塊會發生應力集中的地方，應該是受到 DNP 效應的 影響，離中心點最遠的那一顆銲錫凸塊，然而太多材料的互相影響，導致圖 3-5 中 c、d 兩種模型其應力集中的位置是發生在與上層晶片接合周圍的位置。
表 3-4 為三维結構晶片封裝體有無填入底膠對於銲錫凸塊的應力比較，由於最 大應力發生的位置並非集中在同一個地方，在第一章節所提到的模型填膠方式設計的 八個模型裡面，大部分發生應力集中的位置都發生在表 3-4 裡面的示意圖，右上角
Y X Z
欄位上方的數值為右上角發生的應力值，表格欄位下方的數值為左下角發生的應力 值，表格內 c、d 最大應力發生於左下角，所以發生在右上角位置的應力會小於最大 應力的數值，所以欄位上方的數值用括號表示，其中可以發現上層銲錫微凸塊周圍在 添加底膠之後，對於底下的銲錫凸塊並沒有很大的影響，而對於下層銲錫凸塊周圍添 加底膠之後，銲錫凸塊應力有明顯的降低。
圖 3- 5 銲錫凸塊之應力圖
表 3- 4 有無添加底膠之銲錫凸塊應力
The Max stress of the bump 7.462 MPa
6.285 MPa
7.672 MPa 7.54 MPa (<3.164 MPa)
3.164 MPa
(<2.567 MPa) 2.567 MPa
MN
MX
X Y Z
1
MN
MX
X Y Z
1.057 1.769 2.481
3.192 3.904
4.616 5.327
6.039 6.751 7.462
1
MN
MX
X Y Z
.950872 1.698 2.445
3.191 3.938
4.685 5.432
6.179 6.926 7.672
a b
1
MN MX
X Y Z
.930294 1.116
1.302 1.488
1.673 1.859
2.045 2.231
2.417 2.602
1
MN
MX
Y Z X
.907173 1.092
1.276 1.46
1.645 1.829
2.013 2.382
c d
2.198 2.567
a b
c d
圖 3-6 為銲錫凸塊應變的狀況，發生的位置大部分都在與晶片銜接的邊緣，應 變的數值如表 3-5 所示，最小為 0.00711 最大為 0.036834。
圖 3- 6 銲錫凸塊之應變
表 3- 5 銲錫凸塊之應變值
The Max strain of the bump
a 0.036834 b 0.040245 c 0.007110 d 0.007098
1
MN
MX
X Y Z
.565E-03.004595.008625 .012655.016685
.020715.024745
.028774.032804 .036834
1
MN
MX
X Y Z
.581E-03 .004988
.009395 .013802
.018209 .022616
.027024 .031431
.035838 .040245
a b
1
MN MX
X Y Z
.002106 .002662.003218
.003774.00433
.004886.005442
.005998.006554 .00711
1
MN MX
X Y Z
.002115 .002669.003222
.003776.00433
.004883.005437
.005991.006544
c d
.007098
銲錫微凸塊是利用 SOLID46 的元素進行建立，所以應力值的狀況可以分為 Top Cu、SnAg、Bottom Cu 三種狀況，銲錫微凸塊的應力發生位置大多在離中心點 最遠端的位置，但也有因為材料各層間的影響，而發生在不同的位置，圖 3-7 圈選 起來的位置為 Top Cu 最大應力發生的位置示意圖，詳細的應力狀況如圖 3-8 所示。
MN MX
圖 3- 7 銲錫微凸塊 (Top Cu) 之應力位置示意圖
圖 3- 8 銲錫微凸塊 (Top Cu) 之應力
1
MX
17.068 50.78984.51
118.231151.952
185.673219.394
253.116286.837 320.558 NO OLUTION
ST SU
TI 0
SEQV (AVG) LAYR=3 DMX =.007968 SMN =17.068 SMX =320.558
DAL S EP=4 B =11 ME=105
1
MX
36.4 55.73575.071
94.406113.742
133.077152.413
171.748191.084 210.419
1
MX
17.33 63.282109.233
155.185201.136
247.088293.04
338.991384.943 430.894
1
MX
37.831 58.77379.715
100.657121.599
142.54163.482
184.424205.366 226.308
b
c d
a
Y
Z X
圖 3-9 圈選起來的位置為 SnAg 最大應力發生的位置示意圖，詳細的應力狀況 如圖 3-10 所示。
MN MX
圖 3- 9 銲錫微凸塊 (SnAg) 之應力位置示意圖
Y Z X
1
MX
4.833 31.259
57.685 84.11
110.536 136.961
163.387 189.813
216.238
1
242.664 NODAL SOLUTION
STEP=4 SUB =11 TIME=1050 SEQV (AVG) LAYR=2 DMX =.007968 SMN =4.833 SMX =242.664
MN MX
10.087 21.22932.371
43.51354.655
65.79876.94
88.08299.224 110.366
a b
1
MX
3.647 48.908
94.17 139.432
184.693 229.955
275.216 320.478
365.74 411.001
1
MX
10.012 22.802
35.592 48.382
61.172 73.962
86.751 112.331
c d
99.541 125.121
圖 3-11 圈選起來的位置為 Top Cu 最大應力發生的位置示意圖，詳細的應力狀 況如圖 3-12 所示。
MN MX
圖 3- 11 銲錫微凸塊 (Bottom Cu) 之應力位置示意圖
圖 3- 12 銲錫微凸塊 (Bottom Cu) 之應力
Y Z X
1
MX
11.637 44.55977.481
110.404143.326
176.249209.171
242.094275.016 NO LUTION 1
ST SU
TI 0
SEQV (AVG) LAYR=1 DMX =.007968 SMN =11.637 SMX =307.939
DAL SO EP=4 B =11 ME=105
MN MX
307.939 24.3
45.083 65.866
86.649 107.432
128.215
148.998 190.564 169.781 211.347
1
MX
10.191 69.643129.096
188.549248.001
307.454366.907
426.359485.812 545.265
1
MX
37.831 58.77379.715
100.657121.599 163.482 205.366
c d a b
142.54 184.424 226.308
銲錫微凸塊的應變發生位置大多在離中心點最遠端的位置，但也有因為材料各 層間的影響，而發生在不同的位置，圖 3-13 圈選起來的位置為最大應變發生的位置 示意圖，詳細的應變狀況如圖 3-14 所示。
MN MX
圖 3- 13 銲錫微凸塊之應變位置示意圖
1
MX
.250E-03.710E-03 .001171
.001631 .002092
.002552 .003013
.003473 .003934
.004395
1
MX
.254E-03.001092 .00193
.002767 .003605
.004443 .00528
.006118 .006956
.007793
1
MX
.483E-03.777E-03 .00107
.001364 .001657
.00195 .002244
.002537 .002831
.003124 1
MX
.498E-03.729E-03 .959E-03
.001189 .001419
.001649 .001879
.00211 .00234
.00257