第四章 基板製程簡介與比較
4.2 Etching Back 基板製造流程
圖 4-3 基板 Etching Back Process 製作流程
4.3 GPP + DI(Gold Plating Pattern + double Image) 基板製造流程
圖 4-5 基板 Double Image Process 製作流程
圖 4-6 基板 Double Image Process 製程圖示
4.4 SG(Selective Gold) 基板製造流程
圖 4-7 基板 Selective Gold Process 製作流程
表 4-2 BGA 基板製程差異比較表
表 4-3 BGA 基板製程優劣比較表
第五章 基板鍍金區與銅表面對綠漆黏著力比分析
基板鍍金區與未鍍金之銅層，同為金屬無法與 compound or 綠漆反應產生化學鍵結。
在本專題研究失敗分析中將涉及綠漆與銅/綠漆與金黏著力問題，故以布丁模對綠漆與 銅/綠漆與金黏著力驗證與分析。
5.1 黏著強度的量測規範:
黏著強度的量測規範分別為 ASTM-standard 、SEMI-standard 與 ASME-standard。
【18】此規範標準都是都是針對黏著物質 Epoxy 與金屬間 Coating 的量測規範。對於 IC 封裝製程 EMC 塑膠材料與其他異質材料如模具表面、基板（Substrate）以及導線架
（Lead frame）之間 Shear Strength 的量測原理，主要是參考 SEMI-standard (Semiconductor Standard)G69-0996 的量測規範[6]。
在 SEMI-G69-0996 中，訂定了封裝材料 CPD 與 Lead frames 之間的 Adhesion Strength 量測規範，分別有 Shear Method、Pull Method 以及 Three-Point Bending Method 三種，每一種都有標準的試片尺寸、模具尺寸以及量測的方式，如附圖 5-1 所 示。此規範標準都是都是針對黏著物質 Epoxy 與金屬間 Coating 的量測規範。
ASTM 在黏著物質特性的量測上，有 D901-94(Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading) [7]、D961-96(Standard Test Method for Cleavage Strength of
Metal-to-Metal Adhesive Bonds) [8]、D897-95a(Standard Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds) [9]、D1181-71(Standard Test Method for Strength Properties of Metal-to-Metal Adhesives by Compression Loading) [10] 、
D3164-73(Standard Recommended Practice for Determining the Strength of Adhesively Bonded Plastic Lap-Shear Sandwich Joint in Shear by Tension Loading) [11]等量測規範。ASME MD-Vol.4 [12]中介紹七種有關 Epoxy 與 Coating 之間黏著強 度的量測方式，如圖 5-2 所示。
圖 5-1 SEMI-standard 中用來量測剪黏著強度的三種量測方式
圖 5-1 SEMI-standard 中用來量測剪黏著強度的三種量測方式
5.2 基板鍍金表面與銅表面粗糙度之比較:
圖 5-3 基板鍍金表面與銅表面粗糙度之量測 Cu Surface Roughness under SM Area is 685nm,
Cu Surface Roughness under Ni/Au Area is 479nm, Ni/Au Surface Roughness of exposure Area is 306nm
Rougher Cu Surface roughness is for better adhesion w/ SM & Ni/Au plating, Smoother surface of Ni/Au is for W/B better bond ability
5.3 Solder mask 對金和 Solder mask 對銅之 Compound 布丁模黏著力測試:
5.3.2 布丁模具 & 模具設計圖
布丁模設計考量 CPD size 模具重量及 Sample size 需求
設計模具 Pudding size 3.0mm x 4.0mm x 1.3mm x 9 pcs / shot .
5.3.3 布丁模測試樣品製作:
MACHINE KOTAKI TOOLING
Pudding force tooling PARAMETER
CLAMP FORCE : 60 ton
圖 5-6 布丁模推力量測與樣品示意圖 5.3.4 布丁模測試結果:
圖 5-7 綠漆與銅/綠漆與金布丁模測試樣品
JMP analysis:
圖 5-8 綠漆與銅/綠漆與金布丁模測結果 JMP 分析圖 由 JMP 分析結果:
1. 綠漆和銅之黏著力與綠漆和金之黏著力有明顯差異 2.綠漆和銅之黏著力較比綠漆和金之黏著力為佳 5.4 綠漆與銅、綠漆與金黏著力結論
由銅、金表面粗糙度分析結果預期 Solder mask 對銅比 Solder mask 對金之黏著力要 好與布丁模量測結果一致。
第六章 LFBGA 17x17x0.7 760L 脫層異常現象 FA 分析
本人在新產品導入量產之驗證作業,使用已被驗證通過之標準化製程與材料，其中 有一 IC 產品於 Pre-con 測試，遭遇膠體與銲線區脫層缺點之品質問題，失敗分析 FA 分析如下。
6.1 產品資訊:
產品型式: 17x17x0.7mm LFBGA 760L
基板製程: Kinsus Selective Gold Process 晶圓製程: tsmc 90nm low k
晶粒尺寸: 7856x895x115um 銀膠: Ablestik 2025D 金線: 23um 4N gold wire 膠餅: Kyocera G1150LKDS 助銲劑: Alpha metal WS9160
錫球: Senju 98.5SN/1.0AG/0.5CU_0.3MM 樣品數: 95ea
SAT 失敗比率: 100% (95/95ea)
6.2 JEDEC Precondition MSL3 回溫爐作業規範
圖 6-1 JEDEC IR re-flow lead free profile definition
表 6-1 JEDEC 無鉛製程回溫爐各區段作業規範:
6.3 Precondition MSL3 前後 SAT 結果
Before Precondition MSL3:No found SAT Abnormal (0/95)
圖 6-2 TFBGA 760L Pre-condition MSL3 前之 SAT 圖
After Precondition MSL3: 90% SAT fail (95/95ea) 相同位置 SAT 異常
6-3 TFBGA 760L Pre-condition MSL3 後之 SAT 圖 6.4 Cross-section(Cross section) 分析
6.4.1 SAT 異常位置與基板相對位置:發現 SAT 異常位置和基板 GND 環路有關 每一顆產品
SAT 掃描異常 位置相同
6.4.2 Cross-section (X-section)分析:
Sample#1 Cross section 和 SEM 位置: 發現脫層位置在 solder mask 和金之間
圖 6-5.1 Failure Sample#1 Cross section 位置
圖 6-5.2 Failure Sample#1 Cross-section 位置和 SEM 圖:
綠漆與金脫層
Sample#2 Cross-section 和 SEM 位置:發現脫層位置在 Compound 和金之間
圖 6-6.1 Failure Sample#2 Cross-section 位置:
圖 6-6.2 Failure Sample#1 Cross-section 位置和 SEM 圖:
compound 與金脫 層
Sample#3 Cross-section 和 SEM 位置: 發現脫層位置在 solder mask 和金之間
圖 6-7.1 Failure Sample#3 Cross section 位置和 SEM 圖
圖 6-7.2 Failure Sample#3 位置 1 放大圖: Solder mask 和 Au 脫層
綠漆與金脫層
compound 與金 脫層
圖 6-7.4 Failure Sample#3 位置 3 放大圖:
Solder mask 和 Au 脫層 /compound 和 Au 無脫層 6.5 失敗分析 FA 分析推論:
1. SAT 異常位置和基板 GND 環路有關。
1. 脫層位置在 compound 和金、Solder mask 和金之間。
3. Solder mask 和金重疊是否為脫層主因?須再進一步驗證。
綠漆與金脫層
第七章 無電鍍線化學鍍與濺鍍基板對產品脫層失敗模式分析
在 selective gold substrate (SG substrate)為主要脫層要因分析與實驗 下，發現 Nanya 與 Kinsus SG substrate 製程不一樣。其中運 Nanya 用濺鍍方式鍍金 (NanYa 專利)，Kinsus 使用一般化學鍍方式鍍金,所造成脫層失敗模式也不一樣。
7.1 Nanya 與 Kinsus SG substrate profile 比較：
以下為對 SG substrate 化學鍍與濺鍍比較：
化學鍍製程:先化學鍍金再塗佈綠漆 濺鍍製程:先塗佈綠漆再濺鍍金
圖 7-1 Nanya 與 Kinsus SG substrate profile 比較 7.2 基板與膠餅脫層再現性實驗 DOEⅠ：
CPD type HC90-XJAA-M G770J G7601 9750ZHF9FAKL G1150LKDS
Material type Lead free Green Lead free Green Green
Filler Size (um)AVG / Max. / 75 9~15 / 75 17 / 75 75 9/55
7.2.2 DOEⅠ Matrix:
表 7-2 基板脫層再現性實驗 DOEⅠ實驗組別
7.2.3 DOEⅠAssembly Process flow:
圖 7-2 DOEⅠ封裝流程
7.3 基板與膠餅脫層再現性 DOEⅠ實驗結果：
表 7-3 基板脫層再現性實驗 DOEⅠ實驗結果
Pre-condition MSL3 前、後 SAT 比較圖、位置圖與 Cross section SEM 圖如下頁說明。
DOEⅠ實驗結論:
1. Kinsus 基板綠漆與鍍金區重疊與鍍金區過大為造成產品脫層主要原因.
2. Nanya 濺鍍製程基板無綠漆與鍍金區重疊現象，但鍍金區過大也會造成產品 pre-condition MSL3 測試後 compound 與金脫層。
7.4 基板與膠餅脫層再現性 DOEⅠSAT and FA：
DOEⅠ MSL3 前、後 SAT 圖比較:
圖 7-4 DOEⅠCell#4~Cell#6 MSL3 前、後 SAT 圖
圖 7-5 DOEⅠCell#7~Cell#9 MSL3 前、後 SAT 圖
圖 7-6 DOEⅠCell#10~Cell#12 MSL3 前、後 SAT 圖
Kinsus Substrate# A10524 Drawing and SAT picture comparison:
圖 7-7 DOEⅠCell#1 Drawing and SAT 位置比較圖 and SEM 圖 失敗分析結果 :
1. 顯微鏡檢視，發現綠漆和鍍金區部分重疊.
Kinsus Substrate# A08583 Drawing and SAT picture comparison:
圖 7-8 DOEⅠCell#2 Drawing and SAT 位置比較圖 and SEM 圖 失敗分析結果 :
1. 顯微鏡檢視，發現綠漆和鍍金區部分重疊.
Nanya Substrate# A08748 Drawing and SAT picture comparison:
圖 7-9 DOEⅠCell#3 Drawing and SAT 位置比較圖 and SEM 圖
第八章 基板無電鍍線濺鍍鍍金區大小對產品脫層失敗模式 分析與驗證
在排除綠漆與鍍金區重疊因素對產品脫層之影響，針對基板鍍金區大小對餅脫層 影響，以訂定基板設計規範
8.1 基板鍍金大小對餅脫層影響實驗 DOEⅡ：
目的:確認基板鍍金區大小對餅脫層影響，以訂定基板設計規範 主要因素: 基板鍍金區大小
表 8-1 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡ實驗組別
8.2 DOEⅡAssembly Process flow:
圖 8-1 DOEⅡ封裝流程
8.3 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡ實驗結果：
表 8-2 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡ實驗結果
A11309 銅層空曠區增加網眼設計(如圖 8-4) DOEⅡ實驗結論:
1. 使用 Nanya 濺鍍製程基板無綠漆與鍍金區重疊現象，可減輕 MSL3 測試後 compound 與金脫層程度，但鍍金區過大(大於 300x300um)也會造成產品 pre-condition MSL3 測試後 compound 與金脫層缺點。
2. 使用 Nanya 濺鍍製程並增加銅箔網眼設計基板,鍍金區 600x225um 可 Pass Pre-condition MSL3 測試。
3. 由上述實驗結果，可大膽推論鍍金區寬度因素較長度因素影響脫層更為顯著。
4. 銅箔增加網眼設計，可有效減少銅箔應力變化，進而防止 compound 與鍍金層之脫層。
8.4 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡSAT and FA：
圖 8-2 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡSAT and FA
圖 8-2 基板鍍金大小對餅脫層影響 DOEⅡSAT and FA
8.5 基板鍍金大小對餅脫層面積 SAT 分析：
SAT fail area % 5.17 4.96
2.47 1.63 1.69 1.49 1.05
0.41 0
SAT 失敗區域面積越小。然而 A11482 鍍金面積大小為 300x300um, MSL3A 測試後仍有脫 層疑慮。而基板 A11309 鍍金面積大小為 600x225um,卻可通過 MSL3A 測試而無脫層缺 點。比較兩組基板差異點為：
圖 8-4 基板 A11482 與 A11309 第一層銅箔層比較
1. A11428 Au size 300x330um A11309 Au size 600x225um 2. A11309 銅層空曠區增加網眼設計
第九章 結論與未來討論
參考文獻:
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【7】Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading, STD. ASTM D901-94.
【8】Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds, STD. ASTM D961-96.
【9】Standard Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds, STD.
ASTM D897-95a.
【10】Standard Test Method for Strength Properties of Metal-to-Metal Adhesives by Compression Loading (Disk Shear), STD. ASTM D1181-71.
【11】Standard Recommended Practice for Determining the Strength of Adhesively Bonded Plastic Lap-Shear Sandwich Joint in Shear by Tension Loading, STD.
ASTM D3164-73.
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