第三章 有限元素模擬
3.1 CIS WLCSP 之建構與分析
在模型結構建立部份其依CSP2 & CSP3 如圖 3.1、Xinpac 如圖 3.2、CSP4 如圖 3.3 尺寸，建置二維軸向與三維全域模型，並依照結 構之組成輸入相關材料參數，請參考表3.1。
材料性質的選用上，二維部分在熱應力分析時，使用的是二維平
面材料 (PLANE42)及三維結構元素(SOLID45)，而模擬結構內吸濕特
性時，因ANSYS套裝軟體並未提供此功能，但可發現濕氣擴散的方
程式與暫態的熱傳導方程式相當類似，故本研究嘗試利用 ANSYS暫 態熱傳遞模擬功能執行構裝體內部濕氣擴散的分析，使用的是二維熱 分析元素 (PLANE55)和三維熱分析元素(SOLID70) 。
Solder mask Glass 1
Dam
Chip
Epoxy (SMF-CSP3) Glass 2
Metal Pad
SI3N4 FOC Dam
圖3.1 CSP2 & CSP3
Glass 1
Dam
圖3.2 XinPac
圖 3.3 CSP4
Chip
Polymer
Metal
Pad
Solder mask
T-contact
Glass 1
Dam
Chip
Ploymer
Pad
Solder mask
L-contact
Metal
表 3.1 構裝體材料機械性質 Material Young’s Modulus
(MPa) CTE( ppm/℃) Poisson Ratio
Glass(1&2) 68000 0.75 0.19
Solder mask 3500 55 0.45
Chip 112400 2.49 0.28
Si3N4 (passivation) 314000 3.0 0.3
FOC 5050 16.97 0.45
Epoxy ( Ploymer)
600/ 14 (Tg:96°C)
44 / 186
(Tg: 96°C) 0.45
Dam (baseline)
290 (120°C) 400 (90°C) 560 (60°C) 760 (30°C) 980 (0°C) 1170 (-30°C)
130 0.45
由上圖可知，CSP2 與 CSP3 不同之處在於將結構內之膠質材料
(EPOXY) 換為 SMF (Solder mask)，而 XinPac 與 CSP4 則是將底層 之玻璃層去掉，在金屬導線與金屬墊片之接觸形式則是分為 CSP2、 CSP3 以及 XinPac 的 T-contact 模式和 CSP4 的 L-contact 模式，
並改變Dam之材料特性(如楊氏係數或熱膨脹係數)與幾何尺寸，藉此 來分析模擬出，在不同的幾何尺寸和材料特性下其所反映出之現象，
並討論其差異。
負載條件方面，本研究採用三項不同的熱應力與考慮環境濕氣的 負載，藉由這三種不同的測試條件來預測元件失效之位置與方式(如
破裂或脫層)：
1. 熱循環 ( temperature cycle, TC )： 125 C ~ –40 C
2. 高溫高濕儲存測試 ( temperature humidity storage test, THST )： 85 C / 85%，1000 hrs
3. 加速壽命試驗 ( highly accelerated stress test, HAST ) ： 130 C / 85%，1.2atm，96 hrs
首先藉由第一項熱循環測試來檢測其電子元件(如金線或導線架)在 溫度劇烈變化下抗變的能力，並判斷其最容易產生破裂之位置，而第 二項高溫高濕儲存測試則是在確定為電子元件在無電氣之負荷下施 加高溫與高濕度之負荷，以此來檢測水氣沿膠體與膠體間或膠體與導 線架間滲入封裝體內部，造成脫層或腐蝕之現象，第三項加速壽命試 驗與第二項測試有些雷同，但所花費時間較少。
而第一項熱循環負載由上述可知，在求解時，吾人施與溫度由 125 降至–40 以此為循環變化，且此循環必須要在十分鐘內完成 一個循環。第二項則在熱應力部分由 2.13式可知
C C
ΔT 為85 ，是以 在求解時施加一個 85 溫差的溫度變化，由此來求出熱所造成之應 力，並由前述可知ANSYS並無提供濕氣傳遞之方程與介面，是以本 文才運用暫態熱傳方程來取代濕氣擴散方程，而在濕度 85% 部分，
C
C
材料的總體積來獲得其平均的水氣濃度數值作為初始邊界條件來分 析[4]，而本文先假設其水氣濃度值約為 1.88E-5g mm3，來模擬構裝 體受濕氣影響後所產生之現象，第三項 HAST 亦然，唯有其 1.2atm 是以在輸入各層材料特性時，將其熱傳導係數乘以 1.2，來達到加壓 的效果，而若需得到更真實之內部水氣所造成的應力應變值，則必須 經實驗來導出真實環境下之水氣濃度。
由上述之方式可求出構裝體結構內濕氣含量隨時間變化之分布 情形，在邊界條件方面，將固定之水氣濃度數值以熱流通量 (heat flux) 方式施加於構裝體之上表面、側表面以及下表面即可，初始則只是假 設其構裝體已經過 24 小時烘烤後，結構內部濕氣已被完全趕出，故 其構裝體內部初始濃度設為零。