EPOXY SMF Dam

圖4.1 二維有限元素(CSP2)1/2模型

圖4.2 三維有限元素(CSP2)全域模型

圖 4.3 CIS WLCSP 構裝體金屬墊片與導線配置圖

4.2 二維與三維構裝體分析結果比較

由於二維模擬時間要比三維模型來的省時，為了能夠節省運算 之時間提高分析之效率，故吾人先將二維與三維之結構做分析比較，

以期兩者能相互印證，繼以二維結構來做參數設計。

此研究現今已完成二維與三維之結構分析，吾人可借由此分析出之 應力與應變分布，來與實驗之結果來相互對照，由圖 4.4 至圖 4.8 可 觀察出在 CSP2 的結構中之各應力與應變之趨勢，並與圖 4.9 至圖 4.14

可知其等效應力應變與實驗中最常發生之基板堤壩(Dam)脫層以及 破裂點，皆與分析之結果十分相似，故以等效應力應變作為之後討論 之依據。

除此之外，從表 4.1 及表 4.2 可得知，其因濕氣所造成的應力 與加入熱應力後所造成的結果必較之下，濕氣所造成的影響相當微小 (此為假設構裝體為無缺陷，各層間並無產生脫層的狀態下)，當然此 結果仍須與實驗結果相互驗證，另外，藉由表與圖可知，其各結構 (CSP2、CSP3、XinPac、CSP4)，在 TC 的負載條件下，從二維與三 維之結果皆可知，CSP2與 CSP3的比較下，CSP2之結構最容易產生 金屬墊片的破裂，故就中層材料選擇而言，solder mask要比epoxy 來 的好，而從金屬墊片接觸形式，可發現 CSP4 的 L-contact 模式比

XinPac的T-contact 模式其所承受之應力有較小的趨勢。

最後，吾人也可從三維結構圖可知，其金屬墊片最易產生破壞 之位置(以圖4.3為基準)如圖4.15至圖4.18，以此來提供設計者，在 設計結構時之考量，已達到此模擬分析之目的。

X Y Z

圖4.4 CSP2構裝體在熱循環下各應力對金屬墊片之影響

MXMN

X Y Z

MN MX

MXMN

MN MX

Y X Z

MX MN

X Y Z

MN MX

CSP2 finite element model CSP2 X-direction Stress

CSP2 Y-direction Stress CSP2 von Mises Stress

X Y Z

圖4.5 CSP2 構裝體在加速壽命試驗下各應力對金屬墊片之影響

CSP2 finite element model CSP2 X-direction Stress

CSP2 Y-direction Stress CSP2 von Mises Stress

MN MX

X Y Z

MN MX

MN MX

X Y Z

MN

MX

MN MX

MX

Y X Z

MN

MX

X Y Z

MN MX

Y X Z

MN MX

X Y Z

CSP2 X-direction Strain CSP2 Y-direction Strain

MX

MN

Y X Z

CSP2 XY-shear Stress CSP2 von Mises Strain

圖 4.6 CSP2構裝體在加速壽命試驗下各應變對Dam之影響

X Y Z

圖4.7 CSP2 構裝體在高溫高濕儲存試驗下各應力對金屬墊片之影響

CSP2 finite element model CSP2 X-direction Stress

CSP2 Y-direction Stress CSP2 von Mises Stress

MN MX

X Y Z

MN

MX

MN MX

X Y Z

MN MX

MN MX

X

MX

Y Z

MN

MX

X Y Z

MN MX

X Y Z

MN MX

X Y Z

MN MX

X Y Z

圖 4.8 CSP2構裝體在高溫高濕儲存試驗下各應變對 Dam之影響

CSP2 XY-shear Stress

CSP2 X-direction Strain CSP2 Y-direction Strain

CSP2 von Mises Strain

ON

G) 4

主要脫層處

2D von Mises strain

3D von Mises strain

圖4.9 構裝體脫層現象對照圖

主要破裂點

2D von Mises stress

ANSYS 10.0 APR 3 2008 17:53:43

(AVG) 116

圖4.10 在TC下 E-pad破裂情況

3D von Mises stress

主要脫層處

MN MX

APR ENT SOLUTION

(AVG) 4171 7607 .722

圖4.11 在HAST下 Dam 之脫層現象

2D von Mises strain

3D von Mises strain

2D von Mises stress 3D von Mises stress

圖4.12 在 HAST下 E-pad 之破裂情況

MX

8

圖 4.13 在THST 下Dam 之脫層情況

2D von Mises strain

3D von Mises strain

2D von Mises stress 3D von Mises stress

圖4.14 在THST 下 E-pad 之破裂情況

1

MN

MX

42.628

107.7

172.772 237.845

302.917 367.989

433.061 498.133

563.205 628.277 ANSYS 10.0 APR 5 2008 13:35:56 AVG ELEMENT SOLUTION

STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.007116 SMN =42.628 SMX =628.277

圖4.15 CSP2 三維結構金屬墊片最大等效應力位置

1

MN

ANSYS 10.0 APR 5 2008 13:38:51 AVG ELEMENT SOLUTION

STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.005316 SMN =24.9 SMX =580.082

MX

24.9

86.586

148.273 209.96

271.647 333.334

395.021 456.708

518.395 580.082

圖4.16 CSP3 三維結構金屬墊片最大等效應力位置

1

MN

MX

APR 13 2008 12:08:37 AVG ELEMENT SOLUTION

STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.005121 SMN =22.929 SMX =600.507

^22.929 87.104 151.279

215.455 279.63

343.805 407.981

472.156 536.331

600.507

圖4.17 XinPac 三維結構金屬墊片最大等效應力位置

1

MN

MX

APR 5 2008 14:14:58

15.567 77.586

139.605 201.625

263.644 325.663

387.683 449.702

511.721 573.741 AVG ELEMENT SOLUTION

STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.004997 SMN =15.567 SMX =573.741

圖4.18 CSP4 三維結構金屬墊片最大等效應力位置

表4.1 二維與三維構裝體金屬墊片承受之最大等效應力(濕轉結構) CASE Structure CSP2 CSP3 XinPac CSP4

2D 0.132E-04 0.142E-04 0.211E-04 0.135E-04 uHAST

3D 0.194E-04 0.202E-04 0.264E-04 0.241E-04 2D 0.264E-04 0.271E-04 0.277E-04 0.257E-04 THST

3D 0.315E-04 0.321E-04 0.313E-04 0.286E-04

*註：此為假設構裝體為無缺陷，各層間並無產生脫層的狀態下

表4.2 二維與三維構裝體金屬墊片承受之最大等效應力(熱濕耦合) CASE Structure CSP2 CSP3 XinPac CSP4

2D 399.11 362.17 374.22 335.7 TC

3D 628.2 580.2 600.51 573.7 2D 137.55 144.22 148.99 151.0

uHAST

3D 405.7 425.1 429.6 431.5 2D 96.45 102.53 106.33 107.0

THST

3D 303.4 323.4 344.78 352.8

4.3 參數設計

由之前的結果可知，二維與三維在構裝體受到負載後的結果相 似，故吾人便以二維結構針對實驗中較易產生缺陷處如圖 4.19，先將 Dam (baseline) 的特性楊氏係數與熱膨脹係數增大 k (1.05、1.1、 1.15、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4、1.45、1.5) 倍來做比較，以三項不 同之測試條件來比較各層介面最大應力值，以及比較金屬墊片所承受

Dam

Silicon

Epoxy

Pad

1

2

3

4 5

之最大應力如表4.5。

Dam

Silicon

Epoxy

Pad

1

3

2

4 5

圖 4.19實驗中較易產生缺陷處

圖4.20 熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體Line1最大應力關係圖

圖 4.21熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體Line2最大應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 40

50 60 70 80

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

0 50 100 150 200 250 300

s (MPa)

package CSP2

stres

CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k

圖 4.22熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體Line3最大應力關係圖

圖 4.23熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體Line4最大應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 180

200 220 240 260

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 400

440 480 520 560 600 640

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖 4.24熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體Line5最大應力關係圖

圖4.25 熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line1最大應力關係

圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 240

260 280 300 320 340

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 40

50 60 70 80

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.26 熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line2最大應力關係 圖

圖4.27 熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line3最大應力關係

圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 0

50 100 150 200 250 300

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 180

200 220 240 260 280

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.28 熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line4最大應力關係 圖

圖4.29 熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line5最大應力關係

圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 400

500 600 700

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 240

280 320 360 400

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.30 熱循環下Dam楊氏係數變化與構裝體金屬墊片應力關係圖

圖4.31熱循環下Dam熱膨脹係數變化與構裝體金屬墊片應力關係圖

以上為在熱循環測試下之結果，可發現無論是增大楊氏係數或熱膨脹 係數時，都將增大構裝體內之應力值，金屬墊片尤以CSP2最劇烈。

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 200

400 600 800 1000

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 200

400 600 800 1000 1200

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.32 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體Line1最大應力

關係圖

圖4.33 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體Line2最大應力

關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 12

14 16 18 20 22 24

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 0

20 40 60 80 100

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.34 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體Line3最大應力 關係圖

圖4.35 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體Line4最大應力

關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 76

80 84 88 92 96

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 150

160 170 180 190 200

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.36 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體Line5最大應力 關係圖

圖4.37 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line1最大應

力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

120 140 160 180 200

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 12

14 16 18 20 22 24

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.38 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line2最大應 力關係圖

圖4.39 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line3最大應

力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 0

20 40 60 80 100

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 74

76 78 80 82 84 86

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.40 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line4最大應 力關係圖

圖4.41 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line5最大應

力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 140

160 180 200 220

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

120 140 160 180 200

stress (MPa) package

CSP2 CSP3 XinPac

圖4.42 加速壽命試驗下Dam楊氏係數變化與構裝體金屬墊片應力關 係圖

圖4.43 加速壽命試驗下Dam熱膨脹係數變化與構裝體金屬墊片應力

關係圖

以上為在加速壽命試驗測試下之結果，其結果與熱循環類似，皆以 CSP2在金屬墊片上之應力最大。

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

200 300 400 500

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

200 300 400 500

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.44 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體Line1最大

應力關係圖

圖4.45 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體Line2最大

應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 6

7 8 9 10

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 0

20 40 60 80

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.46 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體Line3最大 應力關係圖

圖4.47 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體Line4最大

應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 54

56 58 60 62 64

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

110 120 130 140

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.48 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體Line5最大 應力關係圖

圖4.49 高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line1最

大應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 72

74 76 78 80 82

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 6

7 8 9 10 11

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

圖4.50 高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line2最 大應力關係圖

圖4.51 高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line3最

大應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 0

20 40 60 80

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 54

56 58 60 62 64

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.52 高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line4最 大應力關係圖

圖4.53 高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體Line5最

大應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 100

110 120 130 140 150

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 72

76 80 84 88

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac

圖4.54 高溫高濕儲存測試下Dam楊氏係數變化與構裝體金屬墊片應 力關係圖

圖4.55高溫高濕儲存測試下Dam熱膨脹係數變化與構裝體金屬墊片 應力關係圖

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 80

120 160 200 240 280

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

k 80

120 160 200 240 280

stress (MPa)

package CSP2 CSP3 XinPac CSP4

由上分析之數值圖可發現，若將Dam之材料無論是增大楊氏係數 或CTE時，都將增大構裝體內之應力值，其中又以增大 CTE值影響 最巨，而從其數值也可發現二維與三維之值雖有差距，其原因為雖然 二維平面結構與三維結構相同，但三維卻考慮到金屬墊片與導線架之 分布，故造成其在模擬時之差異，但可發現其在結構變化的趨勢上二 維與三維相當雷同，由上圖的趨勢也可知其無論增大楊氏係數或是熱 膨脹係數，其k值越大，其應力也越大，其應力越大將是主要探討的 目的，因此只考慮k值大於1的情況。

接著吾人針對Dam材之幾何結構，做結構參數設計，如圖 4.56 所示，並同樣觀察其對各層介面應力與金屬墊片之影響。

Glass 1

Dam

Silicon

Epoxy (SMF-CSP3) Glass 2

Case 3 Case 1

25um

Case 2

30um 17.5um

圖4.56 Dam之幾何結構參數設計

圖4.57 熱循環下Dam之幾何結構參數設計與各層介面最大應力關係 圖

圖4.58 加速壽命試驗下Dam之幾何結構參數設計與各層介面最大應

力關係圖

1 2 3 4 5

line num 100

200 300 400

stress (MPa)

parameter 17.5 um 20 um 30 um

1 2 3 4 5

line num 0

100 200 300

stress (MPa)

parameter 17.5 um 20 um 30 um

圖4.59 高溫高濕儲存測試下Dam之幾何結構參數設計與各層介面最 大應力關係圖

圖4.60 在三種不同環境測試下Dam之幾何結構參數設計與金屬墊片

應力關係圖

1 2 3 4 5

line num 0

50 100 150 200 250

stress (MPa)

parameter 17.5 um 20 um 30 um

16 20 24

t

28 32

hinkness (um) 300

400 500 600 700

stress (MPa)

TEST TC HAST THST

從上圖 4.57、4.60 可知，當將 Dam 材的厚度加深時，其所得到的結 果將有助於降低構裝體內之應力值。

4.4 無鉛錫球之逆算與驗證

由第二章之 2.5 節可知在逆算無鉛錫球之疲勞延展係數過程中 εf 疲勞延展係數是為未知數，但從 Ahmer 之實驗結果[11]可知道，

在不同的試驗條件下 (TC1、TC3)，其Sn/Pb 之錫球壽命值差距約為 2

倍，而Sn/Ag/Cu 無鉛錫球則是差約3.15倍如圖4.61，故吾等可藉由

實驗與分析值之比例換算出一等比數值，並將此數值帶入公式，與分 析出的 Δ γ_t 總剪應變範圍求出無鉛錫球之疲勞延展係數。

圖4.61 Sn/Pb 與 Sn/Ag/Cu 其TC1及 TC3壽命圖[11]

本研究中，採用等效層之觀念，將上下層複雜銲錫接點之模型簡化，

以等效材料特性將其取代，因此吾人將建立另一次模型，並將其帶入

在文檔中 中 華 大 學 (頁 40-87)