雙懸臂樑試驗

底部填膠與晶片保護層之界面附著力，為影響其界面可靠度的關 鍵性質，如何量測其界面附著力，為覆晶封裝ㄧ項重要的課題，本文 利用經過改良過的雙懸臂樑試驗，理想雙懸臂樑試驗如圖 3.13 所示，

試驗中試片所受應力為完全拉伸應力，破裂模式為完全模式ㄧ破裂，

破裂相角度 Ψ 為 0^°。究底部填膠與與矽晶片保護層之間的界面黏著強 度，因為底部填膠之厚度較厚，使用模式ㄧ破裂試驗可避免產生過多 的塑性變形能量，測得較接近本質的界面強度。根據樑臂理論(Beam theory)理想的雙懸臂樑試驗量測材料界面強度 G 可以下列式子計算 [32]：

3 2

2

12

2

h Eb

a

G = P

(4.15)

其中P：負載拉力

a：界面破裂長度 h：單懸臂樑厚度 b：懸臂樑寬度 E：懸臂樑彈性模數

圖4.13 理想雙懸臂樑試驗

針對Si/UF/Si雙懸臂樑試驗，Kanninen以彈性支臂模型計算雙懸臂 樑試驗界面強度[33]，Penado再利用Kanninen推導之結果求解懸臂樑中 間夾有黏著層(adhesive)之界面強度[34]。圖4.14為改良式雙懸臂樑試片 結構圖，量測底部填膠與矽晶片保護層的界面強度時，因為矽晶圓為 脆性材料，為了保護矽晶圓在試驗過程中不會發生斷裂，故以鋁合金 黏著於外側給予保護，並在晶片邊緣預留刻痕以減低界面破裂所需臨 界負載並確認界面破裂出現在晶片和底部填膠之間。

圖4.14 Si/Underfill/Si DCB 試片

本試驗方法為分析雙懸臂樑在到受應力作用下的變形量，計算其 支臂的屈從性與裂縫長度的關係，以方程式4.9分析其界面強度。

如圖4.15所示，將試片定義為兩部分，由A至B點定義為第一部分，

B至C定義為第二部份，則A點受到拉伸應力作用時，受力點A的總變形 量可以疊加法(superposition)計算之：

II B II

B I

A

A

δ δ d φ

δ = + +

(4.16)

其中δA：A點總變形量

δAI：第一部份中A 點變形量 δBII：第二部份中B 點變形量

dψBII ：第二部份中 B 點轉動量

圖4.15 雙懸臂樑試片變形量疊加示意圖

利用有限元素模擬結果可知 δAI相較於δA其變形量非常的小，我們 可以合理的假設δAI相近似於零，試片第一部份不易彎曲，將δA重新定 義為：

δ

_A

= δ

_B^II

+ d φ

_B (4.17)

在 B 點的變形量需分別計算上支臂與下支臂之變形量，支臂如圖 4.16 所示，部分支臂受到黏著層支持，上下支臂可各自視為一彈性基座。

則B 點的變形量可以ㄧ微分方程式表示之：

( ) 4

₄

( ) ( ) 0

4

4

+ H x x =

dx x

d α λ α

(4.18)

其中

⎩ ⎨ ⎧

而在B 點的變形量可解為：

對於Si/UF/Si試片，其黏著層為底部填膠材料，而支臂為鋁合金與 矽晶片的複合材料，因為底部填膠有相對較薄的厚度及較小的彈性模 數，在試驗過程中，可忽略底膠層的剛性作用，則方程式3.30中：

I

_t

= I

_b

= I

2 (4.33)

I₂ 為試片第二部份的截面轉動慣量，利用轉換斷面法(transformed section method)可計算鋁合金與矽晶元的複合材料截面轉動慣量，如圖 4.17 所示。而 h_eff2 為試片第二部份的等效高度，由第二部份中心 軸截面轉動慣量I₂^NA計算可得：

3 2

2

12 b h I

NA

eff

=

(4.34)

圖 4.17 轉換斷面法計算截面轉動慣量

試片中矽晶片、鋁合金及底部填膠都以均質材料做計算，則可以

而能量釋放率 在ㄧ受力 P 及裂縫長度 a 作用下可表示為：

SiN 晶片邊緣凹槽處，利用毛細現象使其填滿試片之間隙，然後將 試片至於烘箱依標準程序硬烤使底部填膠固化，硬烤完成後將鐵氟龍 薄片從間隙中取出，最後將鋁合金支臂以環氧樹脂膠黏著於試片兩 側完成試片。

圖4.18 DCB 試片製作流程圖

圖4.19 底部填膠厚度

底部填膠材料 B 與 SiN 晶片的實驗結果破裂面如圖 4.20 所示，破 裂面出現在底部填膠 B 與 SiN 晶片之間。而其負載位移關係如圖 4.21 所示，試片位移以每秒3μm 速率給予拉伸力量，在負載至約 23N 時，

可打開預留的破裂界面，而在位移至約750μm 時 SiN 和底部填膠 B 受 到約 0.9N 負載開始發生界面穩定破裂成長，分別於位移在 800μm 及 1000μm 時計算試片卸載時的負載-位移斜率的倒數為其屈從性，如圖 4.22 所示。試片的破裂長度可利用 4.35 利用量測得屈從性式計算出分 別為26.7mm 和 29.7mm，再以 4.36 式計算其界面強度為 32.9 J/m²。而

底部填膠 C 和 SiN 晶片則有更好的界面強度，雙懸臂樑試驗中，無法 在其界面造成破裂，負載過程中，矽晶片支臂會因為過大的負載而發 生斷裂。觀察兩種底部填膠的組成成分可發現，如表4.2 所示，底部填 膠C 有添加額外的附著力增強添加物(silane adhesion promoter)，其結 構式如圖4.23 所示，在底部填膠內添加 silane adhesion promoter，可在 其界面上形成Si-O 鍵結以提高其界面的強度[36]，如圖 4.24 所示，故 底部填膠C 與 SiN 晶片之界面強度較底部填膠材料 B 良好，添加 silane adhesion promoter 可有效提供底部填膠與保護層間之界面強度。。

圖4.20 底部填膠 B/SiN DCB 試片破裂面

圖4.21 DCB 試驗底部填膠材料 B 荷重-位移圖 Pre-notch

圖 4.22 DCB 試片屈從性分析其破裂長度

表 4.2 底部填膠材料化學組成成分

Composition

Component

Underfill B Underfill C

Epoxy resin

Bisphenol F 10~30%

Bispheno A 1~5%

Bisphenol F 20~30%

Bisphenol A >5%

Filler

Fused Silica 40~70% Fused Silica 50~60%

Hardener

Amined-based 5~10%

4,4'-metilenbis(2-etilanilina)

Phenolic resin 20~30%

Additive

Adhesion promoter

3-(2,3-epoxypropoxypropyl) trimethoxysilane <5%

圖 4.23 附著力增強添加物結構式

圖 4.24 附著力增強添加物反應式

在文檔中 新穎底部填膠材料對覆晶封裝可靠度之研究 (頁 66-82)