第四章 上板掉落測試有限元素模擬
4.3 CMOS晶片模組掉落測試有限元素模擬
模擬時將建立四分之一結構有限元素模型，在 ANSYS 中建立的有限元素模型 與實際掉落測試實驗所用測試件尺寸與材料機械性質一致，晶片模組材料機械性質 與各項尺寸如4.1 節中所述，而封裝晶片所使用的 PCB 板則以圖 2-1 所示之 JEDEC 標準測試板尺寸建立模型。
在模型建立完成後，將以前述三種方式進行模擬，前述三種方式在模擬時對於 負載條件之設定略有不同。位移邊界法是將實驗所得的加速度歷程對時間做二次積 分轉換為位移歷程，將位移歷程輸入螺絲固定處作為負載條件；支承激振法是將螺 絲固定處的自由度設定為零，並在模型中的所有元素中輸入加速度歷程做為負載條 件；而加速度邊界法則時直接以實驗所得的加速度輸入螺絲固定處。上述三種模擬 方式模型、負載與邊界條件如圖4-13 所示。
以位移邊界法、支承激振法與加速度邊界法三種方法模擬，求解後將擷取有限 元素模型測試板上部，長軸方向中心點之應變歷程，即圖4-4 中的點 P1 位置長軸方 向應變歷程，此點與實驗中應變規所黏貼之位置相同，利用此點擷取之模擬應變歷 程與實驗擷取之應變歷程比對，可得到實驗與模擬間的相關性，圖 4-14 與圖 4-16 為三種模擬方式與實驗應變時間關係圖。由於實驗中無法以有效的方式擷取應力，
但掉落測試時，而測試板受衝擊時產生翹曲現象主要與應力作用方向有關，以模擬 中楊氏係數與應變關係，可計算出測試板在受衝擊時的應力情形，圖4-15 與圖 4-17 為三種模擬方式應力與時間關係圖。實驗時造成失效的主要成因為銲錫接點破裂，
於模擬時將針對銲錫接點觀察應力分布情形，用以判定與預測錫球接點可能發生破 裂的位置，圖4-18 至圖 4-20 與圖 4-23 至圖 4-25 為三種方法錫球應力分布圖，根據 應力分布圖中應力最大點的位置，擷取衝擊時所產生長軸方向應力與等效應力，其
D
Y Z X
圖4- 13 三種模擬方式模型、負載與邊界條件
G
X Y Z
X Y Z
G
位移邊界法模型、負載與邊界條件
支承激振法模型、負載與邊界條件
加速度邊界法模型、負載與邊界條件
螺絲固定處位移為零
0 1 2 3 4 5 6 7 Time (ms)
-20000 -10000 0 10000 20000
Micr oS train ( )
One Chip Experiment Input-D SES Input-G
圖4- 14 單顆晶片模組三種模擬方式與實驗應變時間關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (ms) -60
-40 -20 0 20 40 60
St ress ( M Pa)
One Chip
Input-D SES Input-G
圖4- 15 單顆晶片模組三種模擬方式應力與時間關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7 Time (ms)
-10000 0 10000 20000 30000
MicroStra in ( )
15 Chip Experiment Input-D SES Input-G
圖4- 16 十五顆晶片模組三種模擬方式與實驗應變時間關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (ms) -60
-40 -20 0 20 40 60
St ress ( M pa)
15 Chip Input-D SES Input-G
圖4- 17 十五顆晶片模組三種模擬方式應力與時間關係圖
1
MN
MX
Y X Z
3.326 19.938 36.55
53.161 69.773
86.385 102.997 119.609136.221
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =3.326 SMX =152.832
1
MN
MX
Y X Z
3.326 19.938 36.55
53.161 69.773
86.385 102.997 119.609136.221 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =3.326 SMX =152.832
152.832
1
MN
MX
7.135 23.323 39.512 55.7 71.889
88.078 104.266 120.455136.644
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =7.135 SMX =152.832
1
MN
MX
7.135 23.323 39.512 55.7 71.889
88.078 104.266 120.455136.644
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =7.135 SMX =152.832
圖4- 18 單顆晶片模組位移邊界法銲錫接點應力分布圖
1
MN
X
MXY Z
11.721 30.663 49.606
68.548 87.49
106.432125.374 144.316163.259
182.201 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.834 SMN =11.721 SMX =182.201
1
MN
X
MXY Z
11.721 30.663 49.606
68.548 87.49
106.432125.374 144.316163.259
182.201 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.834 SMN =11.721 SMX =182.201
1
MN
MX NODAL SOLUTION STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.833 SMN =14.649 SMX =182.201
1
MN
MX NODAL SOLUTION STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.833 SMN =14.649 SMX =182.201
1 1
MN
MX
Y X Z
3.326 19.938 36.55
53.161 69.773
86.385 102.997 119.609136.221
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =3.326 SMX =152.832
MN
MX
Y X Z
3.326 19.938 36.55
53.161 69.773
86.385 102.997 119.609136.221 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =3.326 SMX =152.832
152.832
1
MN
MX
7.135 23.323 39.512 55.7 71.889
88.078 104.266 120.455136.644
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =7.135 SMX =152.832
1
MN
MX
7.135 23.323 39.512 55.7 71.889
88.078 104.266 120.455136.644
152.832 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.225 SMN =7.135 SMX =152.832
圖4- 20 單顆晶片模組加速度邊界法銲錫接點應力分布圖
0 1 2 3 4 5 6 7 Times(ms)
-1600 -1200 -800 -400 0 400
St res s(Mpa)
One Chip Input D X SES X Input G X
圖4- 21 單顆晶片模組銲錫接點最大長軸方向應力時間關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (ms) 0
400 800 1200 1600 2000
St ress (Mp a)
One Chip Input D EQV SES EQV Input G EQV
圖4- 22 單顆晶片模組銲錫接點最大等效應力時間關係圖
1
MN
MX
Y X Z
2.587 18.448 34.309
50.171 66.032
81.893 97.754
113.615129.477 145.338 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.974 SMN =2.587 SMX =145.338
1
MN
MX
Y X Z
2.587 18.448 34.309
50.171 66.032
81.893 97.754
113.615129.477 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.974 SMN =2.587 SMX =145.338
145.338
1
MN
MX
7.389 22.716 38.044 53.372 68.699
84.027 99.355
114.682130.01 145.338 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.974 SMN =7.389 SMX =145.338
1
MN
MX
7.389 22.716 38.044 53.372 68.699
84.027 99.355
114.682130.01 145.338 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =32.974 SMN =7.389 SMX =145.338
圖4- 23 十五顆晶片模組位移邊界法銲錫接點應力分布圖
1
MN
MX
Y X Z
9.364 27.094 44.825 62.556 80.286
98.017 115.748
133.478151.209 168.94 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.769 SMN =9.364 SMX =168.94
1
MN
MX
Y X Z
9.364 27.094 44.825 62.556 80.286
98.017 115.748
133.478151.209 168.94 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.769 SMN =9.364 SMX =168.94
1
MN
MX
17.91 34.691 51.473 68.254 85.035
101.816118.597
135.378152.159 168.94 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.769 SMN =17.91 SMX =168.94
1
MN
MX
17.91 34.691 51.473 68.254 85.035
101.816118.597
135.378152.159 168.94 NODAL SOLUTION
STEP=351 SUB =1 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =5.769 SMN =17.91 SMX =168.94
圖4- 24 十五顆晶片模組支承激振法銲錫接點應力分布圖
1 1
MN
MX
Y X Z
12.129
42.753 73.377
104.001134.625
165.249195.873 226.496257.12
287.744 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =101 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =33.578 SMN =12.129 SMX =287.744
MN
MX
Y X Z
12.129
42.753 73.377
104.001134.625
165.249195.873 226.496257.12 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =101 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =33.578 SMN =12.129 SMX =287.744
287.744
1
MN
MX
16.398
46.547 76.697
106.847136.996
167.146197.295
227.445257.595 287.744 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =101 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =33.573 SMN =16.398 SMX =287.744
1
MN
MX
16.398
46.547 76.697
106.847136.996
167.146197.295
227.445257.595 287.744 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =101 TIME=7 SEQV (AVG) DMX =33.573 SMN =16.398 SMX =287.744
圖4- 25 十五顆晶片模組加速度邊界法銲錫接點應力分布圖
0 1 2 3 4 5 6 7 Times(ms)
-200 0 200 400 600 800
St res s( Mpa)
15 Chip Input D X SES X Input G X
圖4- 26 十五顆晶片模組銲錫接點最大長軸方向應力時間關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (ms) 0
200 400 600 800
St ress (Mpa)
15 Chip Input D EQV SES EQV Input G EQV
圖4- 27 十五顆晶片模組銲錫接點最大等效應力時間關係圖