電子產品在我們生活中已成為不可獲缺的物品，例如現今相當熱 門的無線通訊產品，因此造就了半導體產業的蓬勃發展，而要將矽或 砷化鎵等材料的積體電路製成晶片有一關鍵的技術，就是構裝技術 (圖 1-1)[1]。而隨著半導體製程技術的不斷改良下，使的這些構裝 體足以朝向短小輕薄 (圖 1-1)[2]，高輸出/輸入數，高可靠度及低 製造成本等特性，但也必須面對產品上市時程、生命週期短、跨研究 領域與專利保護等挑戰，因此世界主要的電子工業國家也都競相投入 開發各項構裝技術，以求得技術領先地位。
由於構裝體是由各種不同的材料所組成，其各個材料的熱膨脹係 數也大大的不同，因此當晶片在工作時所產生的溫度變化，將引起熱 應力、應變及翹曲變形等封裝問題。根據美國空軍 1995 年所發表的 研究報告中指出，造成超過 50％的半導體元件損壞或缺陷的主要的 原因來自於熱的問題(圖 1-3)[3]。因此分析構裝體熱循環過程可靠 度以及構裝體運作後的溫度場也就成為半導體產業在構裝技術上的 一大挑戰。
1-2 電子構裝
1-2-1 電子構裝簡介(Packaging;PKG)
在半導體元件製作過程中，有分成前後段工程，在晶圓(wafer) 切分成晶片(chip)為分界，在此之後為後段工程，主要工作有晶片裝 片、固定、接合連接及引出接腳等工作，所以此後段工程就是所謂的 電子構裝。狹義的構裝定義為：利用晶片固著技術及微細連接技術，
將半導體元件及其他構成要素在框架或基板佈置、固定及連接，引出 接腳，並利用可塑性絕緣介電高分子材料予以封裝固定，構成整體立 體的架構。
由於構裝體是半導體元件的外緣，且構裝體朝向小型化、高性 能、高頻化等要求，所以對電氣特性的保持，是作為構裝的首要目標，
另外由於結構也相當脆弱，即使是空氣中的灰塵或濕氣，都會使得構 裝體失效，所以構裝可以避免掉外界所帶來的影響。此外構裝後的晶 片，對熱量的排出，以及對安裝和運輸上也將更為便利。總結上述而 言，電子構裝主要有以下四個功能
(1) 晶片電氣特性的保持功能 (2) 保護晶片電子元件功能 (3) 固定晶片各部元件功能 (4) 增強晶片整體散熱功能
1-2-2 覆晶(Flip-Chip；FC)構裝簡介
積體電路晶片的聯線技術主要有打線接合(Wire Bonding)、卷帶
自 動 接 合 (Tape Automated Bonding) 與 覆 晶 等 三 種 常 見 技 術 ( 圖 1-4)。在1995年以前打線接合一直是封裝中最佳的方式，然而近年來 隨著晶片所需之輸入/輸出數不斷的增加，打線和卷帶自動接合等技 術的引腳數已不敷使用，在加上覆晶構裝技術專利的解除，使的覆晶 的使用有逐漸增加的趨勢。覆晶構裝技術是在1964年由IBM 首先開發 完成，當時主要的目的是以控制接點高度為主的技術，並命名為C4 (Controlled Collapse Chip Connection)技術。對於覆晶廣義的定 義即是指，只要晶片的正面(電路面)翻轉向下，利用金屬導體將晶片 與基板做連接，皆可稱為覆晶構裝(圖1-5)。典型的覆晶構裝技術在 製程上是利用電鍍或印刷的方式將焊錫(Solder)長在積體電路腳墊 上，經回焊(Reflow)形成錫球，再利用覆晶接合機台(Flip Chip Bonder)精確對位後與基板接合，在此過程中，由於焊錫接點與晶片 和基板間的熱膨脹係數相差過大，容易造成局部疲勞應變，因此需要 加縫隙填膠(Underfill)來降低其應力和應變。綜合以上所述覆晶構 裝有以下的優缺點，覆晶技術的優點有：
(1) 具有高輸入/輸出數 (2) 基板面積小
(3) 良好的電氣特性
(4) 一次完成輸入/輸出接腳
(5) 簡化組裝降低成本 在缺點方面有：
(1) 不易重工(Rework) (2) 不易檢測
(3) 凸塊製作複雜，製程設備昂貴
1-3 可靠度試驗
由於電子構件本身較傳統機械構件脆弱的本質，所以電子構裝產 品出廠前都要接受一些相關的可靠度測試，而各個廠商或協會皆有為 這些產品訂定可靠度試驗的規範。而可靠度之定義為元件於特定使用 環境下一定時間內之失效率(Failure Rate)，若將一個電子元件或一 個電子構裝件的失效率繪出，有時可以得到一個所謂的浴缸曲線(圖 1-6)[4] ， 整 個 曲 線 可 以 分 為 三 個 部 分 ， 分 別 為 早 夭 期 (Early Failures) 、 穩 定 期 (Stable Failures) 及 耗 損 期 (Wearout Failures)[4]。早夭期主要是因製程上的缺陷，導致電子元件或構裝 體在初期就產生故障的現象，但隨著淘汰掉製程上先天缺陷的產品 後，失效率會逐漸平緩；穩定期為電子元件或構裝體在某一段時間內 的失效率維持一定；耗損期為電子元件或構裝體在使用一段時間後，
因產品的老化，導致失效率逐步上升，一直到所有產品全部故障為止。
1-3-1 可靠度試驗目的
可靠度試驗主要是針對構裝體在各種使用環境下進行模擬，藉由 測試並利用一些檢測儀器(如超音波、X光等)，來找出其失效模式或 求得失效率，可以讓工程師進一步改善設計，例如改變幾何尺寸、材 料及製程參數等，以強化構裝體之可靠度。
1-3-2 構裝體常用的可靠度試驗[5]
因為可靠度測試時間通常很長，所以需要所謂的「加速可靠度測 試」，常見的構裝體可靠度測試方法如下
(1)熱循環測試(Thermal Cycling Test;TCT)
測試溫度升降之熱脹冷縮所造成的應力對構裝體可靠度之影 響，如圖1-7其目的是在測試構裝體在多次運作後所會造成的破壞行 為，測試溫度由最嚴苛的-65°C 至150°C 到溫和的0°C 至100°C 皆 有，而構裝體在歷經多次循環後會產生如圖1-8的破壞行為，如發生 斷裂即代表構裝體已經失效，本文即模擬此測試法來做可靠度分析。
(2)熱衝擊測試(Thermal Shock Test)
此測試相似於溫度循環試驗，主要差異在於更快速率的升降溫 度，以及高低溫停留時間也比較短暫。
(3)熱功率循環測試(Power Cycling Test) 測試構裝元件因開關所引起之溫度變化。
(4)恆溫恆濕偏壓測試(Temperature/Humidity/Bias Test)
在高溫高濕的環境下材料的穩定是一不可忽視的因子。試驗方法 為高溫高濕度中反覆施加正負電壓，形成電化學環境，加速金屬腐蝕 速率，所以此測試用來評估構裝體在潮濕環境的抗蝕性。
(5)壓力釜測試(Pressure Cooker Test)
也是用來測試構裝的抗濕氣能力，在嚴苛的溫度、飽和蒸汽環境 下測試，加速封膠和基板(Substrate)之界面的破壞影響，。
(6)高壓加速實驗(Highly Accelerated Stress Test)
測試目的同壓力釜測試，差異在於水蒸氣壓在85%以下。
(7)高溫時效實驗(Thermal Aging Test)
不同材料在高溫下容易產生一些化學反應，如元素彼此間的擴散 形成介金屬化合物(Intermetallic Compound)等，可能會對元件產生 不良影響。
1-4 文獻回顧
今日電子元件效能不斷提升，因此更高頻的構裝體也將被研發出 來，所產生的高熱將值得我們探討，另外由於構裝體材料特性不同，
當 溫 度 變 化 時 ， 因 各 材 料 熱 膨 脹 係 數 (Coefficient of Thermal Expansion；CTE)的差異，將產生熱應力，而引發出疲勞等問題，使
其失去原有的功能。Teng 及 Lee[7]的研究中，他們在 RF 通訊電路覆 晶構裝模擬時，分析藉由改變晶片、基板以及凸塊材料以增加其散熱 效果。Edwards 等人[8]提出各種改善熱傳遞的方法，包含改變幾何 形狀，選用熱傳導係數較高的材料等來提高散熱性。Lee 等人[9]利 用不同的填膠材料，來分析構裝體的溫度場，選用較高熱傳係數填充 物，將使得構裝體溫度較低。Madenci 等人[10]曾指出疲勞破壞發生 之位置，將發生於幾何及材料不連續處，也就是在凸塊與晶片及基板 的連接處，若有填膠，則應力集中現象將較不明顯。Amagai[11]以有 限元素法針對錫球凸塊作可靠度分析，發現晶片尺寸、錫球材料、構 裝體尺寸及凸塊數，皆會影響其壽命。Stoyanov 等人[12]以有限元 素法分析等向性導電膠接點技術的覆晶構裝時，發現在凸塊方面，以 高度越高以及半徑越小會有較低的破壞，在基板部分也以基板厚度越 薄有越低的破壞，而在填膠材料以低熱膨脹係數及高彈性係數為佳。
Chiu 等人[13]也是以有限元素法分析覆晶構裝的可靠度，分析凸塊 高度、焊點厚度、基板厚度和填膠形狀對可靠度的影響。He[14]以實 驗方法探討覆晶構裝不同的填膠材料對熱應力之影響，結果顯示出選 擇適當的填膠材料將可大幅降低熱應力。Bougataya 等人[15]先利用 計算流體力學(CFD)軟體進行模擬以求得構裝體的等效熱對流係數，
再將此係數代入有限元素軟體裡以算出溫度場，進而求得構裝體之熱
應力及變形行為。許[16]也是先利用計算流體力學軟體計算出溫度分 布，再以有限元素軟體做熱應力分析，且針對不同線路厚度及凸塊材 料、凸塊半徑與高度以及基板材料等變數去探討其影響；劉[17]也利 用相同方法，去探討凸塊擺放位置及熱源數對覆晶構裝的影響。
1-5 研究動機與目的
構裝體在熱循環試驗中要找出壽命週期以及破壞的行為是相當 耗時且困難的，所以通常會藉由模擬的方法來探討，因此本文一部分 就是利用有限元素法軟體 ANSYS 軟體來探討構裝體在熱循環試驗中 所產生的破壞行為。另外熱循環試驗雖然是用來觀察構裝體在多次運 作後所產生的破壞行為，但所給予的溫度邊界條件，卻無法完全吻合 真實構裝體所產生的溫度場，只能以近似的溫度曲線來實驗或模擬，
因此為了了解構裝體在真實運作後所產生的破壞行為，本文先利用計 算流體力學軟體 Icepak 計算出構裝體在運作後的溫度場，再將此溫 度場代入 ANSYS 以計算出應變值，藉此觀察其破壞行為。