本文將針對在覆晶構裝中較易發生破壞處的金線及凸塊的部 份，探討於接合降溫過程後之殘留應力與晶片作用時其應力和翹曲行 為。凸塊材質的選用為Au 和 Cu，並改變其高度及半徑等幾何尺寸；
另也將探討金線厚度改變之影響。此外，為了比較不同基板之熱傳導 係數對於構裝體的應力影響，我們分別選用 AlN 與Al2O3兩種材質來 分析模擬，不同材料性質與幾何尺寸搭配下之模擬案例編號如表 4-1 和 4-2。凸塊與金線之最大等效應力與最大位移量等模擬結果分別整 理於表4-3、4-4，其中 Before Working(B.W)表示構裝體於接合後經過 冷卻降溫且尚未驅動晶片工作時的情形，在此將探討構裝體內部之殘 留應力，而After Working(A.W)則表示已驅動晶片作用並達到穩定工 作狀態時構裝體最終之應力分析；A.W 晶片工作時最高溫與通過凸 塊往構裝體下方傳導的熱流量等模擬結果整理於表4-5。
4-1 金線厚度對應力與位移量之影響分析
我們針對固定凸塊為金材質與基板為 AlN 材質，並設定凸塊高 度 50μm 與半徑 25μm，藉由改變金線厚度(2μm、4μm、8μm)之案例 A、B、C 來探討其應力分析結果。由圖 4-1 我們可以看到凸塊在改變 金線厚度的參數下，經A.W 加熱後凸塊之最大應力皆會小於 B.W 加 熱前，亦即在驅動晶片工作後對於金線厚度的改變並不會使凸塊的最
大應力值增加。而金線在其厚度改變下，金線之 A.W 時最大應力值 皆會大於B.W，這是由於熱應力的造成可包含幾何形狀、材料性質差 異以及溫度變化梯度影響，當金線溫度梯度變化夠大，即使晶片在降 溫後又將其溫度回升，即物體冷卻收縮後再受熱膨脹(由最大位移量 可以看出)，但晶片工作後整體的溫度分佈不再像降溫時來得均勻，
故此時溫度梯度對於影響熱應力的效應將突顯出來，因此金線在 A.W 狀態下最大應力會高於B.W 狀態，圖 4-2 為案例 A、B、C 的凸塊與 金線等溫線分佈圖，在此顯示金線與凸塊等細微處的溫度分佈，可以 清楚看到在金線上有明顯的溫度變化。
在最大位移量方面，由圖 4-3 可以看出不論凸塊或金線，其最大 位移量皆隨金線厚度增加而變大，尤其對於金線的最大位移變化量更 加明顯。這是因為位移量主要是由物體受熱膨脹所造成，只要物體的 體積或者整體前後溫度變化越大，則位移量也會相對提高。本案例 A、B、C 中雖然金線與凸塊的內部溫度梯度變化互相比較有明顯差 異，但並不會對位移量有較大影響，主要在於隨著金線厚度增加其受 熱體積也越大，因此最大位移量也越大。
4-2 改變凸塊材質及幾何參數對應力與位移量之影響分析
4-2-1 Au 凸塊高度 50μm，不同凸塊半徑之應力和位移量分析
度為 50μm，並改變凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)來探討其應力與 位移量分析，案例D、C 和 E 由圖 4-4 最大應力結果與圖 4-5 最大位 移量結果，我們可以發現金線不論在B.W 與 A.W 狀態下，其最大應 力與最大位移量皆會隨著凸塊半徑增加而降低，這是由於凸塊與金線 的材質皆為金，在材料性質上無差異，故單從熱傳的角度來看，凸塊 半徑增加使得位於晶片上熱源的熱更能透過凸塊傳至構裝體下部以 達到散熱效果，進而讓金線溫度隨著凸塊半徑增加而降低且分佈較均 勻，因此造成金線部分有這種最大應力與最大位移量降低的趨勢。至 於凸塊方面，雖然最大位移量會隨著其半徑增加而變大，但是在最大 應力部分則沒有ㄧ定的趨勢，只有在凸塊半徑為 25μm 時，其最大應 力值在A.W 狀態下會低於 B.W。
4-2-2 Au 凸塊高度 100μm，不同凸塊半徑之應力與位移量分析
我們固定基板材質為 AlN，金線厚度 8μm 以及 Au 凸塊高度為 100μm，改變凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)來探討應力與位移量分 析。由圖4-6 可以看到，當我們把 Au 凸塊由高度 50μm 增加到 100μm 時，金線在B.W 及 A.W 狀態下其最大應力值會隨凸塊半徑增加而略 為增加，這與採用 Au 凸塊高度 50μm 時的趨勢相反；至於在凸塊部 份的應力值大小亦會隨著凸塊半徑增加而變大。在最大位移量圖 4-7 中可以發現，凸塊與金線的變化趨勢與 Au 凸塊高度 50μm 時ㄧ樣，但是因為高度增加的關係，使得凸塊與金線的溫度較之前有所提高，
因此，Au 凸塊高度 100μm 之最大位移量皆會略高於凸塊高度 50μm。
4-2-3 比較不同 Au 凸塊直徑高度比值之應力與位移量分析
我們以 Au 凸塊高度 50μm、100μm 及半徑 15μm、25μm、35μm 等幾何參數搭配分析，將結果由凸塊的直徑高度比值來探討其應力與 位移量分析。由最大應力圖4-8 與最大位移量圖 4-9 看到，若我們以 凸塊的應力值為採用考量的話，凸塊直徑高度比值較小(細長型凸塊) 是ㄧ較佳選擇；但若考量到位移量變形行為，凸塊直徑高度比值為 0.6 時，凸塊和金線的位移量將最小。整體而言，我們建議以金為凸 塊材質時，細長型凸塊為較佳選擇。
4-2-4 Cu 凸塊高度 50μm，不同凸塊半徑之應力和位移量分析
在與 4-2-1 相同的幾何與材料條件下，僅改變凸塊材質為 Cu 來 探討不同凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)之應力與位移量結果。比較 案例I、J、K 之分析結果，由其最大應力圖 4-10 所示，當我們把 Au 凸塊換為熱傳效果較佳的Cu 凸塊時，不論凸塊半徑作何改變，凸塊 最大應力值在經過 A.W 後皆會降低，尤其在凸塊半徑 35μm 最為明 顯。此外，金線於 B.W 或 A.W 狀態下其最大應力值，將隨著凸塊半 徑增加而下降，此種趨勢與4-2-1 節以金為凸塊材質並固定凸塊高度 為50μm 時相同。至於在最大位移量的結果圖 4-11 所示，我們可以看到凸塊的最大位移量會隨著其半徑增加而越大，反之金線部分則呈現 相反現象，這與4-2-1 節所設計方式亦有相同的趨勢。總結來說，在 本節案例中，我們可以說將凸塊設計成半徑35μm 的情況下是一個相 對較佳的選擇。
4-2-5 Cu 凸塊高度 100μm，不同凸塊半徑之應力與位移量分析
固定 AlN 基板與金線厚度為 8μm，我們將凸塊高度由 50μm 增加 至100μm，同樣分析不同凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)之案例，其 案例編號分別為L、M、N 並將最大應力值與最大位移量繪於圖 4-12、圖4-13。由凸塊最大應力值來看，不論在 B.W 或 A.W 狀態下皆會隨 半徑增加而減小，這是因為當凸塊半徑變小，凸塊頂部和底部的溫度 差就越大，而較大的溫度差就更容易造成熱應力的產生；至於凸塊半 徑變化對於金線之最大應力值就沒有明顯的影響，但金線之最大應力 值在經過A.W 後會較 B.W 狀態時有所下降，這與以金為凸塊材質且 設定凸塊高度為100μm 時情形ㄧ樣。另外，在凸塊與金線的最大位 移量變化方面，其趨勢則和 4-2-2 節以 50μm 凸塊高度時之結果ㄧ樣。
4-2-6 比較不同 Cu 凸塊直徑高度比值之應力與位移量分析
在此將針對不同凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)與高度(50μm、
100μm)互相搭配下作探討，我們將 I~N 等六個案例其最大應力值與 最大位移量重新繪於圖 4-14、圖 4-15，在此對於圖之橫座標表示以
凸塊直徑和高度的比值取代原先的凸塊半徑。圖中顯示當凸塊直徑高 度比值為最小及最大時，即凸塊形狀呈現最細長和最矮胖的情況下，
其A.W 狀態下較 B.W 時其最大應力會明顯下降，然凸塊最大應力最 小化則出現在直徑高度比值接近 0.6，此點反觀金線部分則相反，其 最大應力最小值發生在線段圖的兩側。另位在凸塊與金線最大位移量 方面，可以看出在直徑高度比值為0.6 時其值為最小。
4-2-7 比較不同凸塊材質之應力與位移量分析
綜合前述結果，我們將比較 Au 凸塊與 Cu 凸塊之應力與位移量結 果分析；由於凸塊材質的改變對於金線與凸塊之最大位移量無明顯影 響，因此僅就應力方面做探討。由 Au 凸塊與 Cu 凸塊的凸塊應力值 結果圖 4-16 來看，只有在凸塊的直徑高度比值在 0.3 時，Au 凸塊的 應力值會小於Cu 凸塊，其餘的案例中都顯示 Cu 凸塊比 Au 凸塊所造 成的應力值更小，這是因為材料中機械(主要依據降伏應力之大小)與 熱傳性質(熱傳導係數)的差異所造成；至於金線部分所產生的最大應 力值如圖4-17 所示，可以看出在採用 Cu 凸塊下，金線所產生的應力 值也較使用Au 凸塊時更佳。因此，我們可以說在本研究的構裝體中，
Cu 凸塊為一相對較佳的選擇。
4-3
Al2O3基板下，改變 Cu 凸塊半徑與高度之應力和位移量 分析
4-3-1 Cu 凸塊高度 50μm，不同凸塊半徑之應力與位移量分析
固定Al2O3基板、金線厚度為8μm 與凸塊高度為 50μm，比較不同 凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)之分析結果，將案例 O、P、Q 之最大 應力值與最大位移量分別繪於圖 4-18、圖 4-19。跟之前所有的案例 相比，由圖中可以看出當把基板材料改變為Al2O3時，由於其熱傳導 係數遠低於原先的AlN，因此熱將過度積聚於金線與凸塊上造成其溫 度梯度變化更加大，由金線與凸塊的等溫線圖 4-20 中可以明顯比較 出在相同的凸塊半徑下，以Al2O3為基板材料時，溫度梯度的變化遠 比以 AlN 為基板來的大，尤其在金線部分更為明顯，故金線的最大 應力值在不論改變凸塊半徑後將比以AlN 為基板時升高許多；此外，凸塊最大應力值在A.W 後皆會比 B.W 狀態提高，而金線部分則沒有 ㄧ定趨勢。在最大位移量方面，凸塊與金線的趨勢和前面的案例一 樣，亦即在凸塊的最大位移量會隨其半經增加而變大，金線則相反；
但整體而言在以Al2O3為基板的情況下，不論是凸塊或金線之最大位 移量皆會高於以 AlN 為基板的案例，這也是由於Al2O3熱傳導係數遠 低於 AlN 的緣故，使得凸塊與金線的溫度較高，因此最大位移量增 加。
4-3-2 Cu 凸塊高度 100μm，不同凸塊半徑之應力與位移量分析
固定Al2O3基板、金線厚度為8μm 與凸塊高度為 100μm，比較不 同凸塊半徑(15μm、25μm、35μm)之案例 R、S、T 分析結果。由圖 4-21 可以看出凸塊最大應力值範圍仍低於金線部分；此外，金線最大 應力值在 A.W 後皆會比 B.W 狀態提高，而凸塊部分則沒有ㄧ定趨 勢，這點和 4-4-1 節的情形相反。對於最大位移量來說(圖 4-22)，由 於凸塊高度增加以及基板材料的雙重改變下，整體的最大位移量將達 到所有案例中最高值，在此比較 4-2-2 節 L、M、N 案例之溫度梯度 分佈圖4-23，可以看出基板材料的改變對於凸塊與金線溫度分布之影 響。4-3-3
Al2O3基板下，比較不同Cu 凸塊直徑高度比值之應力與位移量
分析本節同 4-3-2 節，將針對不同凸塊的直徑高度比由案例 O~T 來做 探討。首先由圖 4-24 可以看到在任何不同凸塊的直徑高度比值下，
本節同 4-3-2 節，將針對不同凸塊的直徑高度比由案例 O~T 來做 探討。首先由圖 4-24 可以看到在任何不同凸塊的直徑高度比值下，