覆晶封裝中底膠材料之最佳化材料參數研究
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(2) ii.
(3) 致謝 這兩年來的研究生活，首先誠摯的感謝指導教授施明昌博士，施老師悉. 心的教導，並不斷的研究討論指點我正確的方向，使我在這段期間中獲益 匪淺。老師對學問的嚴謹與堅持更是我輩學習的典範。 另外亦感謝日月光的鄭智仁同仁大力協助並提供相關專業知識與文 獻，讓本論文得以完成。並感謝陳裕文、高崇堯、吳勝郁副理指導與支持， 及散熱片專案組的伙伴昆賢、昱翔、宗豪在工作上的協助。因為有你們的 體諒及幫忙，使得本論文能夠更完整而嚴謹。 最後，謹以此文獻給我摯愛的家人，謝謝你們，我愛你們。. iii.
(4) 覆晶封裝中底膠材料之最佳化材料參數研究 指導教授：施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系碩士班 學生：陳奕良 國立高雄大學電機工程學系碩士班 摘要 本論文針對覆晶封裝製程中，因為晶片、基板、凸塊和底膠材料都之不同，當溫度 變化時，所產生的熱膨脹效應使得整個封裝出現翹曲變形的現象。 特別是針對充填用 的底膠材料，如何能夠調整晶片、基板和凸塊之間的熱膨脹係數差異，來強化銲錫連接 的強度，降低連接點的疲勞應力，以增加凸塊產品封裝壽命。 並提出一改良式材料結 構分析模型，加入底膠材料之黏彈性性質參數，能更實際提供分析其對於銲錫凸塊之應 力影響狀況。並得到底膠材料之最佳化材料參數選擇方式。 關鍵字：底膠、黏彈性、應變能、熱膨脹係數、模數. i.
(5) The optimization of underfill material for Flip Chip packaging Advisor: Dr. Ming-Chang Shih Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung Student: Chen, I-Liang Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT This thesis is focus on the problem of warpage in flip-chip package due to the CTE mismatch between die, substrate, and bump using various underfill materials. The underfill material is an important factor to extend shelf life of flip-chip product. It can absorb CTE mismatch between die, substrate and bump in order to increase bump joint strength and decrease stress on it. In this thesis an modified model of modules of underfill is suggested for analyzing stress distribution in flip-chip analysis, and to optimize the processing of underfill material. Keyword: Underfill, Stress, Strain, Loss modulus, Storage modulus.. ii.
(6) 目. 錄. 中文摘要..........................................................................................………...…..i 英文摘要......................................…............……………………...………...…..ii 目錄.................................................................................................................…iii 圖目錄..............................................................................................................…v 表目錄.............................................................................................................…ix 第一章 前言.........................................................................................................1 1.1 前言(研究背景) ..........................................................................................1 1.2 底膠製程介紹 .............................................................................................3 1.3 研究方法 .....................................................................................................5 第二章 底膠材料機械應力模型.........................................................................6 2.1 高分子材料黏彈性質 .................................................................................6 2.2 材料機械性質與量測方法 .........................................................................7 2.3 目前底膠材料參數之工程分析方法 .........................................................9 第三章 底膠材料最佳化材料參數分析-黏彈性模型 .....................................13 3.1 黏彈性於工程分析中之重要性 ..............................................................13 3.2 黏彈性之模型 ...........................................................................................16 第四章 底膠材料最佳化材料參數分析-材料應力分析 .................................18 iii.
(7) 4.1 底膠材料自身所產生之破壞應力計算 ...................................................18 4.2 底膠材料結合焊錫凸塊的應力吸收計算 ...............................................21 4.3 底膠材料產生之基板變形計算 ...............................................................23 第五章 實驗結果與分析...................................................................................25 5.1 實驗結果分析...........................................................................................25 5.2 實驗結果驗證 ...........................................................................................52 第六章 結論與未來展望...................................................................................53 參考文獻.............................................................................................................54. iv.
(8) 圖. 目. 錄. 第一章 圖1.1 覆晶構裝示圖………………………………………………..……..2 圖1.2 底膠填充製程…………………………………………………..…..3 圖1.3 覆晶產品溫度與變形量示意圖………………………….….……..4 第二章 圖2.1 長鏈聚合物變形方式示意圖[8]…………………….......................6 圖2.2 高分子材料相轉換示意圖[8]…………………...............................7 圖2.3 不同Tg材料之M-T曲線示意圖……………………........................8 圖2.4 銲錫凸塊與底膠材料的彈簧模型……………………....................9 圖2.5 應力-應變關係圖…………………….............................................10 圖2.6 模數-溫度的關係圖(M-T圖)圖…………………….......................10 第三章 圖3.1 黏彈特質數學模型[2][6][8]……………………............................14 圖3.2 DMA所量測之“Tanδ”曲線圖…………………………...….......…16 圖3.3 四元件黏彈模型於力學之相對應示意圖………………………..17 第四章 圖 4.1 材料受熱時，變形長度與受力示意圖………………..…...……19 圖 4.2 不同底膠材料之基板翹曲量測與計算比較………….…………24. v.
(9) 第五章 圖 5.1 UA process test SAT…………………………….….......................27 圖 5.2 UD process test SAT………………………………........................27 圖 5.3 UF process test SAT………………………………........................28 圖 5.4 UZ process test SAT………………………………........................28 圖 5.5 UA pre-condition SAT………………………………….................29 圖 5.6 UD pre-condition SAT…………………………………….............30 圖 5.7 UF pre-condition SAT………………………………..……............30 圖 5.8 UZ pre-condition SAT………………………………….................31 圖 5.9 UA pre-condition cross section………………………….………..31 圖 5.10 UD pre-condition cross section………………….………………32 圖 5.11 UF pre-condition cross section……………………….…….……32 圖 5.12 UZ pre-condition cross section……………………………..……33 圖 5.13 UA TCT 500 SAT………………………………..........................35 圖 5.14 UD TCT 500 SAT……….………….………………....................35 圖 5.15 UF TCT 500 SAT…………….…………………….....................36 圖 5.16 UZ TCT 500 SAT………………….……………….....................36 圖 5.17 UA TCT 1000 SAT……………….…………………...................37 圖 5.18 UD TCT 1000 SAT…………………..………………..................37. vi.
(10) 圖 5.19 UF TCT 1000 SAT………………………..…………..................38 圖 5.20 UZ TCT 1000 SAT…………………………..………..................38 圖 5.21 UA TCT 500 cross section………….……………………..…......39 圖 5.22 UD TCT 500 cross section…………….….……………….…......39 圖 5.23 UF TCT 500 cross section……………….……………….….......40 圖 5.24 UZ TCT 500 cross section……………………………….…........40 圖 5.25 UA TCT 1000 cross section…………………………….….….....41 圖 5.26 UD TCT 1000 cross section…………………………….………..41 圖 5.27 UF TCT 1000 cross section…………………………….……......42 圖 5.28 UZ TCT 1000 cross section…………………………….……......42 圖 5.29 UA TST 300 SAT…………………………………......................44 圖 5.30 UD TST 300 SAT…………………………………......................44 圖 5.31 UF TST 300 SAT………………………………...........................45 圖 5.32 UZ TST 300 SAT………………………………...........................45 圖 5.33 UA TST 500 SAT………………………………..........................46 圖 5.34 UD TST 500 SAT…………………………………......................46 圖 5.35 UF TST 500 SAT……………………………..........….................47 圖 5.36 UZ TST 500 SAT……………………………...............................47 圖 5.37 UA TST 300 cross section………………………………….........48. vii.
(11) 圖 5.38 UD TST 300 cross section……………………………....….......48 圖 5.39 UF TST 300 cross section…….………………………....….......49 圖 5.40 UZ TST 300 cross section……….……………………..….........49 圖 5.41 UA TST 500 cross section…………..…………………...….......50 圖 5.42 UD TST 500 cross section…………….………………...….......50 圖 5.43 UF TST 500 cross section……………….………………….......51 圖 5.44 UZ TST 500 cross section………………….……………….......51. viii.
(12) 表. 目. 錄. 第四章 表 4.1 兩種不同底膠材料之性質比較表………..……….…….……….22 表 4.2 兩種不同底膠材料在溫度循環測試之應力分析……...………..22 表 4.3 底膠材料性質對照……………….………………..……………..24. 第五章 表 5.1 實驗材料及組別……………….…………………………..……..25 表 5.2 等效 K 值與基板翹曲指標計算結果………………….………26 表 5.3 Process 實驗結果……………….…………………………………26 表 5.4 Pre-Condition 實驗結果……………….…………...…………….29 表 5.5 TCT 500/ 1000 實驗結果……………….…………………………34 表 5.6 TST 300/ 500 實驗結果………………….…………………….….43. ix.
(13) 第一章 前言 1.1 前言(研究背景) 覆晶(Flip Chip)的名稱源自於將晶片倒置後再連接至基板或導線架。覆晶有別 於以往透過打線的互連模式，而是採用焊料或金質凸塊(bump)進行連結。因此，I/O 墊可配置在晶片的表面，而不必侷限在週圍區域。這種模式讓晶片與電路尺寸得 以縮減並進行最佳化調整。覆晶的另一項優點就是因不採用打線，故能減低訊號 的電感效應，以符合高速元件的需求。目前最常應用於中央處理器、晶片組、繪 圖晶片、記憶體、網路微處理器等高階產品。 在覆晶構裝體中，銲錫凸塊(solder bump) 扮演著相當重要的腳色，由於銲錫 凸塊是負責訊號的傳遞，所以一旦銲錫凸塊遭到損壞，將會導致整個元件功能失 效(如圖 1.1)。目前覆晶封裝大多是利用有機基板(substrate) 配合銲錫凸塊作為封裝 的材料，兩者之間的密合多以用點膠方式，來達到填滿晶片與基板間的間隙，經 由毛細現象(capillary)，使得液態膠材可以完全填滿載板中的空隙，除此之外，還 可以達到固定與提高可靠度的功能，所以，在整個封裝過程中，底膠(underfill) 便 扮演了相當重要的角色。. 1.
(14) 銲錫凸塊 (Solder 晶片. Bump). (Die). 底膠 (Underfill). 基板 (Substrate). 錫球 (Solder Ball). 圖 1.1 覆晶構裝示圖. 2.
(15) 1.2 底膠製程介紹 由於基板與晶片之間的空隙，大多在 25~150um 之間，而覆晶接腳又多超過 1,000pin 以上，再加上在製程中必須花費一段時間讓底膠流體佈滿有機基板與覆晶 之間的空隙。所以，考慮到底膠材料的黏度與高溫穩定性是相當關鍵的。例如， 助焊劑會降低底膠材料在銲錫凸塊密合程度而造成空隙，所以，底膠的黏度和高 流性都是重要的條件之一。底膠填充的製程是將底膠材料經由點膠機台將底膠點 於晶片周圍，底膠即藉助毛細現象，於晶片與基板間流動，其波前為凹形,即接觸 表面的底膠流速較快，內部則較慢，可視為拉力作用於底膠上(如圖 1.2)。 晶片(Die). 點膠機 (Syringe). 銲錫凸塊 (Solder Bump) 底膠 (Underfill). 基板 (Substrate). (a) 點膠. (b) 底膠經由毛細現象流動. (c) 完成點膠圖 圖 1.2 底膠填充製程. 3.
(16) 因為，在整個覆晶封裝的過程中，毛細作用是完成整個封裝的必要現象，但 是因為晶片、有機基板、銲錫連接和底膠材料都是不同材質，因此這幾項材料的 熱膨脹係數 Coefficient of Thermal Expansion (CTE)也都有相當大的差異性。 一般來說，晶片的熱膨脹係數大約為 2.3ppm/℃，而 FR-4 基板則為 18ppm/℃、 銲錫凸塊為 24ppm/℃、底膠材料的熱膨脹係數為 70ppm/℃，尤其是晶片與有機基 板的熱膨脹係數差異最大，當溫度出現變化時，會產生不一致的熱膨脹效應使得 整個封裝出現變形的現象(如圖 1.3)。並且會在覆晶與基板的銲錫連接上出現剪應 力，一般銲錫熔點約在 180~400℃間，容易達到其降服點而對整體封裝的結構產生 破壞性。. (a)常溫. (b)升溫. (c)降溫 圖 1.3 覆晶產品溫度與變形量示意圖. 4.
(17) 1.3 研究方法 本論文研究之重點，針對目前業界模擬底膠材料之模型，只以剛體材料來進 行模擬加以修正。並探討底膠材料對於銲錫凸塊的保護能力；以及底膠材料性質 如玻璃轉換溫度 Glass Transition Temperature(Tg)、熱膨脹係數、楊式模數(Young's modulus) 的相對應關係而產生之應力對於產品的影響，以期得到選擇底膠材料之 最佳化參數。. 5.
(18) 第二章 底膠材料機械應力模型 2.1 高分子材料黏彈性質 線性無定形聚合體所具有的黏彈性行為中，最基本的特色就是一種被稱為鬆 弛(relaxation)的過程，在鬆弛的過程中，分子會在除去外來應力時重排；假若一個 聚合體固體受到外來的壓力而產生應變，那麼此材料就會產生一種收縮應力回應 的現象(如圖 2.1)。在一段時間過後，所發生的應力隨著應變回到原來狀態而趨近 於零，這種應力衰變(decay)是黏性的自然性質。. (a)主鍵伸長. (b)長鏈伸長及取向. (c)長鏈間的滑動 圖 2-1: 長鏈聚合物變形方式示意圖[8]. 我們一般最常用機械模型或相似物來描述線性黏彈性材料的行為，例如，我 們以彈簧作為理想彈性體或虎克(Hookean behavior)的相似物，以緩衝筒當作純粹 黏性體或牛頓行為(Newtonian behavior)的相似物，彈簧或緩衝筒，這些元件可依並 聯或串聯的方式結合成一次線性黏彈行為的模型。 6.
(19) 2.2 材料機械性質與量測方法 底膠材料為高分子材料，所以其特性與一般結構常用的金屬材料有很大的不 同。在選用底膠材料時，目前一般所重視的物理特性為玻璃轉化溫度(Tg)、熱膨脹 係數(CTE)、楊式模數(Modulus)。當底膠材料熱固化(Fully curing)後，溫度低於玻 璃轉化溫度(Tg)時，呈現玻璃態，此時模數(Modulus)的單位級約在 10^9~10^10， 但當溫度超過玻璃轉化溫度(Tg)後，會因為高分子鏈獲得較大的能量，產生移動變 化，因此熱膨脹係數(CTE)會變大，且因為鍵結之間彼此拘束的力量變小，所以模 數(Modulus)也會隨之降低數個單位級(如圖 2.2)。 而玻璃轉化溫度(Tg)本身並非是一個明確的溫度，因為底膠材料(Underfill)產 生黏彈轉變時，並非是在特定溫度，而是在一個溫度區間，常用量測璃轉化溫度(Tg) 的方法有熱示差掃描儀 Differential Scanning Calorimetry (DSC)、熱機械分析法 Thermal Mechanical Analysis (TMA)與動機械分析法 Dynamic Mechanical Analysis (DMA)。. 圖 2.2 高分子材料相轉換示意圖[8]. 7.
(20) 在以有限元素分析軟體(ANSYS)進行應力分析時，由於高分子材料的物性受 玻璃轉化溫度(Tg)的影響，會有非線性的變化，因此底膠的模數(modulus)，通常是 以隨溫度的變化值代入來進行分析。而熱膨脹係數(CTE)則是分成溫度低於玻璃轉 化溫度(Tg)時的熱膨脹係數(alpha1)，與溫度高於 Tg 時的熱膨脹係數(alpha2)。 選用底膠時，如果其玻璃轉化溫度(Tg)高於 125°C 時，其模數(modulus)就不 會在高溫循環測試(TCT) -55°C ~ 125°C 時，有劇烈變化(如圖 2.3)。如果其玻璃轉 化溫度(Tg)低於 125°C 時，較容易因為 modulus 的改變而產生劇烈變化，而產生較 大的應力。. TgA. TgB. B材料因為有較高的Tg，所以在進行 TCT時，modulus不會有大變化，但 A材料則是相反. B 材料 A 材料 125°C. 圖 2.3 不同 Tg 材料之 M-T 曲線示意圖. 8.
(21) 2.3 目前底膠材料參數之工程分析方法 目前電腦輔助工程分析 Computer Aided Engineering (CAE)模擬底膠材料與銲 錫凸塊，都是以”剛體材料”來進行模擬，以簡單的數學模形來說，就是遵守虎克定 律的彈簧模型(如圖 2.4)。各種材料的熱膨脹係數(CTE)所造成的不匹配 (mismatch)，則以外加應力來等效之。. 外加應力. 銲錫凸塊. 底膠材料. 圖 2.4 銲錫凸塊與底膠材料的彈簧模型. 在此模型中(如圖 2.4)，可將底膠材料的模數(modulus)等效於彈性係數(K)。 所以，如果底膠材料的等效彈簧，其 K 值(modulus)越大，則利用彈簧串聯所算出 的等效彈簧，其等效 K 值也越大，因此，需要較大的應力才能使底膠和銲錫凸塊 產生較大的變形，而造成銲錫凸塊破裂(crack)。因此，在”相同的外力”之下，底膠 的模數(modulus)越高，則保護性越大。 基於吸收能量的觀點，如果底膠可以吸收較多的能量，則銲錫凸塊受到的能 量就會較少，因此銲錫凸塊本身就較不會被破壞。目前業界在選用底膠時所用的 應變能(strain energy)的方法，即是基於此論點。. 9.
(22) 應變能(stain energy)是指當材料本身因為受外力變形時所吸收的能力，也就是: 應變能(stain energy) =W(功) =F．S = Stress．Strain…………… (2.1) 簡單的說，就是在應變能就是在應力-應變關係圖(Stress-Strain 圖)中，曲線下的面 積(如圖 2.5)。. Stress. Strain 圖 2.5 應力-應變關係圖. 目前在一般業界中，並沒有量測底膠材料的 stress-strain 圖，來估算應變能 (stain energy)，而是利用模數-溫度的關係圖(M-T 圖)(如圖 2.6)來等效之。也就是說 在一般實驗室所量的模數-溫度的關係圖中，如果其曲線下的面積越大，則吸收的 能量就會多，因此以此方法來選用底膠材料時，其選法是選擇在-55C~125C 之間， 其曲線下面積越大的底膠，則吸收能量的能力就越好，因此越能保護銲錫凸塊。. M. -55°C. 125°. T. 圖 2.6 模數-溫度的關係圖(M-T 圖). 10.
(23) 圖 2.5 是一般的應力-應變圖，要算應變能(stain energy)時，就是算出曲線下 的面積，也就是應力與應變的積分:. 應變能(stain energy) =. ∫ σd ε. ……... (2.2). 圖 2.6 是一般我們送實驗室時量測底膠性質所得到的模數(modulus)與溫度(T) 的曲線，而熱膨脹係數(CTE)的定義為:. Q CTE. =. εT − εT0 ΔεT = εT0 ⋅ΔT ε T 0Δ T. ……………... (2.3). ∴CTE ⋅ ε T 0 ⋅ ΔT = Δε T. ……………... (2.4). ∴ ε T = CTE ⋅ ε T 0 ⋅ ΔT + ε T 0. ……………... (2.5). 又因為. σ = M ⋅ε. 所以圖 2.6 的 Y 軸值乘上 ε 就會變成 σ. 所以應變能(stain energy) 可以得到如下的公式. Strain Energy = ∫ σdε = ∫ Mεdε = M ∫ εdε. ……………... (2.6). Q Δε T = CTE ⋅ ε T 0 ⋅ ΔT. ……………... (2.7). Energy = M ∫ εdε = M ∫ ε ⋅ (CTE ⋅ ε T 0 )dT = M ⋅ CTE ⋅ ε T 0 ∫ εdT …. (2.8). Q ε T = CTE ⋅ ε T 0 ⋅ ΔT + ε T 0. ……………... (2.9). ∴ ε 為 T 的變數. ……………... (2.10). 11.
(24) 由以上材料數學模型可歸納得到: 1.因為熱膨脹係數的不匹配(CTE mismatch)，所以根據公式(2.9)、(2.10)可得 知在當產品在溫度循環測試(TCT)中，會有變形(warpage)與應力的產生。 2.在”相同外力”之下，模數(modulus)較高的底膠材料較能保護銲錫凸塊 (bump)(如圖 2.4)。 3.利用應變能(strain-energy)的觀點選用底膠材料時，是以 M-T 圖(如圖 2.6) 等效之，所以在 M-T 圖中曲線下面積越大的底膠材料，較能吸收能量，相 對的，凸塊所受的應力就越小。. 12.
(25) 第三章 底膠材料最佳化材料參數分析-黏彈性模型 3.1 黏彈性於工程分析中之重要性 為何現行選用底膠的方法尚無法準確? 分析如下: A.對於基板翹曲(Warpage): 利用有限元素分析軟體(ANSYS)進行基板翹曲(Warpage)模擬 時，並沒有將覆晶黏著(Chip Bond)完後就造成的基板翹曲(Warpage) 先進行處理。一般模擬均是假設基板(substrate)是平整(stress free)的狀 況。 並且在設立基板是平整(stress free)的狀況時，對於底膠材料而 言，應該要設在底膠材料的烘烤溫度。而此時基板(substrate)也會因 受溫而產生變形，但模擬時都是忽略不計。. B.對於用剛體來模擬底膠和銲錫: 底膠為高分子材料，所以其有黏彈性的特質，因此潛變(creep) 對於底膠的影響很大，也就是說在模擬底膠的受力狀態時，不應該 單單只用彈簧的數學模型(如圖 2.4)，而是應該要加入阻尼(damping)。 一般模擬高分子材料時，考慮其黏彈特質時所採用的數學模型 有四種，分別為馬克斯威爾模型(Maxwell model)、凱爾文模型(Kelvin model)、標準線狀固體模式，與四元件黏彈模型(如圖 3.1)。. 13.
(26) (a) 馬克斯威爾模型(Maxwell model). (b) 凱爾文模型(Kelvin model). (c) 標準線狀固體模式. (d) 四元件黏彈模型. 圖 3.1 黏彈特質數學模型[2][6][8]. 其中以四元件黏彈性模型(如圖 3.1_d)較能符合高分子的黏彈 性，其應力(stress)與應變(strain)關係如下:. 14.
(27) ……… (3.1). 從公式 3.1 中可知道，變形量 ε 固定時，則應力 stress 可以由彈 性體，黏彈體與黏彈體分攤。因此，數值模擬計算(simulation)時不應 該忽略掉底膠材料中的潛變(creep)，即黏彈性與黏性受力(如公式 3.1)。. 15.
(28) 3.2 黏彈性之模型 知道目前對於底膠材料之有限元素分析模型的條件不足後，下一步是建立較 完整的模型與參數的量測。 從黏彈性模型的四元件模型(如圖 3.1_d)，得知阻尼(damping)在高分子材料中 的重要性，因此對底膠材料中的“黏性“進行分析，從參考文章中得知，動機械分析 法 Dynamic Mechanical Analysis (DMA)可以量測高分子材料的機械性質。 一般使用動機械分析法(DMA)分析材料時，會得到材料的模數與時間的變化 圖(如圖 2.6)；除此之外，還會得到“Tanδ”的曲線圖(如圖 3.2)。一般而言，Tanδ 的 最大值時的溫度，視為用 DMA 所量測出的玻璃轉換溫度(Tg)。而 Tanδ 的定義為 消耗模數(Loss Modulus)與儲存模數(Storage Modulus)的比值。. Storage modulus. tan δ = Tanδ. 圖 3.2 DMA 所量測之“Tanδ”曲線圖. 16. Loss Storage.
(29) 儲存模數(Storage Modulus)即為黏彈性材料中(如圖 3.3)，彈性的部分，因此 即為彈性模數(Young’s modulus or Shear modulus)。 而消耗模數(Loss Modulus)，即為高分子材料升溫後，分子鏈彼此因分離而摩 擦所消耗的能量模數，而這類能量會以熱能的形式消耗掉。由於消耗模數(Loss Modulus)所代表的是能量的散失，即不可回復，所以在四元件黏彈模型中即相等於 黏性所消耗的模數。. 消耗模數 (黏. 性). 應力鬆弛 (黏彈性). 彈性模數 (彈. 性). 圖 3.3 四元件黏彈模型於力學之相對應示意圖 以能量吸收觀點來說，底膠材料在吸收能量後產生變化，可以分為變形與散 失，一般模擬時，是以變形量為主。假設兩種底膠材料的特性(Tg、CTE、Modulus…) 皆相同，則 Tanδ 越大的底膠材料，其除了以變形來吸收能量外，還可以用熱散失 的方法來吸收能量，因此選擇 Tanδ 較大的底膠材料，其對於溫度循環測試(TCT) 的壽命會較長。 Tanδ 的特性，基本上與底膠高分子本身的支鍊形式有關，所以不會輕易改 變，因此將 Tanδ 用於估算時所需的參數，可得到較正確的數據。. 17.
(30) 第四章 底膠材料最佳化材料參數分析-材料應力分析 4.1 底膠材料自身所產生之破壞應力計算 在溫度循環測試(TCT)時，底膠材料同時扮演兩種角色，一種為吸收能量，緩 衝基板(substrate)、銲錫凸塊(bump)與晶片(die)間的應力變化。另外一種為對基板、 銲錫凸塊與晶片間，所產生推擠的力量，進而造成破壞。 底膠在溫度循環測試(TCT)中產生破壞的原因，在於熱膨脹係數不匹配(CTE mismatch)。由於各材料間的熱膨脹係數不同，所以基板產生形變，如果底膠材料 本身的儲存模數(modulus)又太高的話，就會對基板(substrate)、銲錫凸塊(bump)與 晶片(die)產生過大的推擠力，所以減小熱膨脹係數不匹配(CTE mismatch)與較小的 模數(low modulus)就成為選用的原則。 以靜不定樑的觀點來看，一樑長 L，在升溫後，長度變成 L+△L，但因為兩 側受到拘束的關係，所以仍維持原長度 L。 此時樑所受到的拘束力就等於(圖 4.1(b)) 中的 f，此 f 的值為將樑壓縮△L 所需的力。. 18.
(31) (a) 材料未受熱變形. (b) 材料受熱變形時，所受外力 圖 4.1 材料受熱時，變形長度與受力示意圖. ……………………………………….… (4.1). ……………………………………….… (4.2) 令 CTE△T=x，將第二項獨立說明，所以可得. 19.
(32) 假設有兩底膠其儲存模數 M 相同，但 CTE 相差 K 倍. 將兩應力相除. 由於 x 為 CTE 的數值，其單位為 PPM，所以假設 x 趨近於 0. …………………….… (4.3). 從上列計算式與假設(公式 4.3)可知，如果熱膨脹係數(CTE)值很小時，儲存 模數(Modulus)與熱膨脹係數(CTE)的乘積為底膠所產生的形變應力. 由於 4.2 式中並無定義應力釋放(stress free)的狀態，所以接著必須知道應力 釋放的溫度，才能算 CTE‧ΔT 的乘積。 從文獻中得知，底膠材料應力釋放(stress free)的溫度與烘烤條件(curing condition)及玻璃轉換溫度(Tg)有關。 當烘烤溫度大於玻璃轉換溫度(Tg)時，應力 釋放(stress free)的溫度即為玻璃轉換溫度(Tg)；反之，烘烤溫度如果溫度小於玻璃 轉換溫度，則應力釋放的溫度即為烘烤溫度。 由於目前業界底膠材料烘烤溫度的條件，幾乎都大於底膠材料本身的玻璃轉 換溫度，所以應力釋放的狀態即為其玻璃轉換溫度(Tg)。 所以底膠材料所產生的破壞應力公式如 4.4 所示. σ =M. CTE ⋅ (Tg − T ) 1 + CTE ⋅ (Tg − T ) 20. …………………….… (4.4).
(33) 4.2 底膠材料結合焊錫凸塊的應力吸收計算 接著討論底膠材料結合銲錫凸塊時，其吸收應力的能力:. ……………………………….… (4.5). 其中 k:彈力常數,. x:變形量. ……………………………….… (4.6). 因為產品的幾何外型皆相同，因此A / l0可視其為定值。再另用彈簧併聯之公 式，可得下式. ……………………………….… (4.7). ……………………………….… (4.8). 為簡化計算，只考慮底膠材料，故其等效 K 值可簡化為. ……………………………….… (4.9). 假設有兩種底膠(如表 4.1)，計算其在不同溫度時，其等效 K 值與 產生的破壞應力 21.
(34) 表 4.1 兩種不同底膠材料之性質比較表. 表 4.2 兩種不同底膠材料在溫度循環測試之應力分析. 從等效 K 值(表 4.2)中可以發現，UB 材料在低溫時，強度只有 UA 的一半， 但在高溫時，明顯比 UA 大(40 倍)，所以 UB 在低溫時的保護能力比較弱，但在高 溫時比較高。. 22.
(35) 4.3 底膠材料產生之基板變形計算 另外，為了評估與預測基板翹曲(warpage)的大小，另外建立基板翹曲的預測 數學模型。理論上，底膠材料翹曲的模型必須選用 DMA 與 TMA 的實際量測數據， 並考慮基板的熱膨脹係數(CTE)與產品的幾何參數。但因為詳細與更準確的模型須 花更多時間與數據來建立與驗證。 在此提出一個簡易的數學模型： 假設不考慮產品與基板的幾何參數，純粹考慮底膠材料，則可得到基板翹曲 指標(warpage index)，如公式 4.9. Warpage Index. = ∫ Modulus(T ) ⋅ CTE (T )dT T2. …… (4.9). T1. 將上述公式分解，可得:. Warpage Index = Modulus1 x CTE 1 x (Tg - 25) + Modulus 2 x CTE 2 x (Curing Temp- Tg) …… (4.10) 其中 Modulus1 與 CTE1 為底膠材料在玻璃轉換溫度(Tg)前的性質，Modulus2 與 CTE2 為 Tg 後的性質，此數據可由 TMA 量測得知。 由公式 4.9、4.10 得知基板翹曲指標(warpage index)越大，則基板翹曲越大。. 23.
(36) 將 7 種不同底膠材料性質參數(如表 4.3)代入公式 4.10，並以 FC4 1521L 的構 裝元件，SAC305 及 SAC315 兩種不同的凸塊作為測試模型，計算 7 種不同實驗組 的基板翹曲指標(如圖 4.2)。 表 4.3 底膠材料性質對照表 U01. U02. U03. U04. U05. U06. U07. 132. 132. 100. 105. 100. 130. 107. CTE α1. 28. 35. 27. 27. 26. 35. 30. CTE α2. 97. 121. 92. 86. 90. 120. 110. Modulus (< Tg). 7.3. 5.3. 9.5. 9.5. 8. 6.3. 9.1. Modulus (> Tg). 0.01. 0.01. 0.1. 0.11. 0.5. 0.1. 0.06. Tg. (TMA). 圖 4.2 不同底膠材料之基板翹曲量測與計算比較 可以發現其不同材料的基板翹曲趨勢，與基板翹曲指標(warpage index)的趨勢大致 相符。. 24.
(37) 第五章 實驗結果與分析 5.1 實驗結果分析 首先以FC6基板測試，材料條件(如表5.1 (a))以及實驗組數(如表5.1 (b))所示， 其中以Tg 110°C為界限，挑選2組Tg低於110°C (UA、UD)與2組Tg高於110°C(UF、 UZ)；並以Modulus 8 GPa為界限，挑選2組Modulus低於8GPa (UF、UZ)與2組Modulus 高於8GPa (UA、UD)，分別進行封裝後的SAT檢查是否有孔洞(void)或脫層 (delam)；並進行Pre-condition、TCT 500/1000、Thermal Shock Test (TST) 300/500 測試，確認此實驗於各項測試後的結果是否有孔洞、脫層、凸塊斷裂等情形產生。. 表5.1 實驗材料及組別 Device. FC6. Bumping. 8” LF Plating. Die Size. 9300 x 9300 um. Solder Composition. SnAg2.6. Passivation Type. Nitride. Bump Pad Pitch. 150um. Bump Height. 75 um (a) 實驗材料條件. Cell. Tg. Modulus. CTE. (°C). (GPa). (ppm). Underfill. Cell 1. UA. 85. 9/ 0.03. 30/ 110. Cell 2. UD. 100. 9.5/ 0.11. 27/ 92. Cell 3. UF. 128. 4.4/ 0.02. 40/ 135. Cell 4. UZ. 140. 4.8/ 0.1. 50/125. (b) 實驗組別 25.
(38) 經過公式4.10計算，可得到等效K值及基板翹曲指標如表5.2. 表5.2 等效K值與基板翹曲指標計算結果 UA. UD. UF. UZ. Warpage Index. 16464. 19895. 18228. 27913. 等效 k(-55'C). 820. 1005. 618.2. 727. 等效 k(125'C). 1.2. 2.75. -0.06. -1.5. Process實驗結果如表5.3、圖5.1、5.2、5.3、5.4:. 表5.3 Process實驗結果 Cell. Underfill type. Process test. Cell 1. UA. SAT. 34/34 Pass. Cell 2. UD. SAT. 34/34 Pass. Cell 3. UF. SAT. 34/34 Pass. Cell 4. UZ. SAT. 34/34 Pass. 26.
(39) 圖5.1 UA process test SAT. 圖5.2 UD process test SAT 27.
(40) 圖5.3 UF process test SAT. 圖5.4 UZ process test SAT. 28.
(41) Pre-Condition實驗結果如表5.4、圖5.5~12 表5.4 Pre-Condition 實驗結果 Pre-Condition Cell. Underfill type MSL3Aa 260’C SAT 34/34 pass. Cell 1. UA. SAT X-Sec No abnormal SAT 34/34 pass. Cell 2. UD. SAT X-Sec No abnormal SAT 34/34 pass. Cell 3. UF. SAT X-Sec No abnormal SAT 34/34 pass. Cell 4. UZ. SAT X-Sec No abnormal. 圖5.5 UA pre-condition SAT 29.
(42) 圖5.6 UD pre-condition SAT. 圖5.7 UF pre-condition SAT. 30.
(43) 圖5.8 UZ pre-condition SAT. 圖5.9 UA pre-condition cross section. 31.
(44) 圖5.10 UD pre-condition cross section. 圖5.11 UF pre-condition cross section. 32.
(45) 圖5.12 UZ pre-condition cross section. 33.
(46) TCT 500/1000實驗結果如表5.5、圖5.13~28 表5.5 TCT 500/ 1000實驗結果 TCT(-55’C~125’C) Cell. Cell 1. Cell 2. Cell 3. Cell 4. Underfill type 500. 1000. SAT 22/22 Pass. SAT 21/21 Pass. Without crack. Micro crack. SAT 22/22 Pass. SAT 21/21 Pass. Without crack. Micro crack. SAT 1/22 delam < 0.1%. SAT 21/21 Pass. Bump deform/ C4 slight crack. Solder crack. SAT 22/22 Pass. SAT 21/21 Pass. Bump deform/ C4 slight crack. Micro crack. UA. UD. UF. UZ. 34.
(47) 圖5.13 UA TCT 500 SAT. 圖5.14 UD TCT 500 SAT. 35.
(48) Delam. 圖5.15 UF TCT 500 SAT. 圖5.16 UZ TCT 500 SAT. 36.
(49) 圖5.17 UA TCT 1000 SAT. 圖5.18 UD TCT 1000 SAT. 37.
(50) 圖5.19 UF TCT 1000 SAT. 圖5.20 UZ TCT 1000 SAT. 38.
(51) 圖5.21 UA TCT 500 cross section. 圖5.22 UD TCT 500 cross section. 39.
(52) 圖5.23 UF TCT 500 cross section. 圖5.24 UZ TCT 500 cross section. 40.
(53) 圖5.25 UA TCT 1000 cross section. 圖5.26 UD TCT 1000 cross section. 41.
(54) 圖5.27 UF TCT 1000 cross section. 圖5.28 UZ TCT 1000 cross section. 42.
(55) TST 300/500實驗結果如表5.6、圖5.29~44 表5.6 TST 300/ 500實驗結果 TST (-55’C~125’C) Cell. Underfill type 300. Cell 1. Cell 2. Cell 3. Cell 4. 500. SAT 11/11 Pass. SAT 10/10 Pass. without crack. Slight crack at C4. SAT 11/11 Pass. SAT 10/10 Pass. Slight crack. Solder crack. SAT 11/11 Pass. SAT 10/10 Pass. Micro crack. Bump deform and C4 crack. SAT 11/11 Pass. SAT 10/10 Pass. without crack. without crack. UA. UD. UF. UZ. 43.
(56) 圖5.29 UA TST 300 SAT. 圖5.30 UD TST 300 SAT. 44.
(57) 圖5.31 UF TST 300 SAT. 圖5.32 UZ TST 300 SAT. 45.
(58) 圖5.33 UA TST 500 SAT. 圖5.34 UD TST 500 SAT. 46.
(59) 圖5.35 UF TST 500 SAT. 圖5.36 UZ TST 500 SAT. 47.
(60) 圖5.37 UA TST 300 cross section. 圖5.38 UD TST 300 cross section. 48.
(61) 圖5.39 UF TST 300 cross section. 圖5.40 UZ TST 300 cross section. 49.
(62) 圖5.41 UA TST 500 cross section. 圖5.42 UD TST 500 cross section. 50.
(63) 圖5.43 UF TST 500 cross section. 圖5.44 UZ TST 500 cross section. 51.
(64) 5.2 實驗結果驗證 實驗結果，發現以下幾點: 1. UA材料結合SnAg2.6的凸塊，在封裝後及Pre-Cond的測試中有不錯的表 現，僅在TCT 1000、TST 500有輕微的崩裂，與實驗預測相符。 2. 在Pre-cond後，UF、UZ兩種底膠材料，經過TST的測試後，對於凸塊的保 護，都有較好的表現，甚至比UA材料還要好。而UF、UZ是此實驗特別挑 選的高Tg、低Modulus的材料(HTLM)；經由從切片(Cross-section)來觀察 凸塊，發現使用HTLM的底膠材料，其經過TST測試後，對於凸塊有較佳 的保護。 3. HTLM的底膠材料，在TCT後的表現，較UA材料差，與其結合的凸塊經 過TCT測試後所產生的裂痕都比UA材料來的長。 經由以上幾點，可作出以下分析: HTLM的底膠材料在TST中都有不錯的表現，但在TCT中反而沒UA材料來的 好。先從TST與TCT不同之處看起。TST與TCT不同處在於TST的升降溫速度較快， 因此對凸塊的衝擊較大。嚴格來說，TST算是比TCT還嚴格的測試，但HTLM反而 在TCT中不如預期。推測最大的原因在於持溫段的時間對凸塊的影響。基於此論 點，可得知TCT測試對於應變累積分佈會有敏感的反應，而TST測試則是對應力有 較大的反應。 對於TST測試，如果Tg較高或Modulus變化較小，加上持溫的時間不長，則對 凸塊的保護較佳，不容易產生凸塊崩裂。 而在TCT測試時，雖然HTLM的底膠材料在125’C時不會產生嚴重的凸塊崩 裂，但因為基板(substrate)的Modulus高達20G以上，且因為TCT測試的持溫時間較 久，因此需考慮基板本身所造成的形變。所以TCT測試是以基板、晶片、凸塊與底 膠材料等總體能吸收掉的變型量為主，是故要挑選modulus較高，或者是M-T圖(如 圖2.6)中，曲線下面積較大的底膠材料。 52.
(65) 第六章 結論與未來展望 覆晶封裝是由各種不同材料所組成，各材料間之熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion)大不相同，由於溫度變化及各材料間熱膨脹係數之差異所產生 的熱應力會造成構裝體的損害，並降低元件的可靠度；在晶片運作而產生溫度變 化時，會使構裝結構承受極大的熱應力，因變形導致裂縫產生而破壞，並失去原 有功能。以巨觀來看，晶片和基板間之熱膨脹係數差異會造成構裝體之整體不匹 配（Global mismatch）；以微觀來看，構裝體各組成材料間之熱膨脹係數差異會造 成其局部不匹配（Local mismatch）。 本研究中分析選用高Tg、低Modulus(HTLM)的底膠材料，較能保護銲錫凸塊 不受應力所破壞。並可運用文中推導出來的基板翹曲指標(warpage index)來預推測 因底膠材料所造成的基板翹曲程度，以減少測試材料的時間。另外為了降低底膠 材料自身產生的破壞，可選用熱膨脹係數較小的材料。目前晶圓已走到40奈米科 技，且在環保意識抬頭的時代下，銲錫凸塊亦需無鉛含量，所以底膠材料與晶片 和凸塊的結合更加重要，因此如果能將晶圓表面製程材料及銲錫凸塊材料參數加 入分析，應該能夠讓選擇底膠材料的參數更加準確。. 53.
(66) 參考文獻 [1] 許永昱，民90，底膠填充(Underfill)材料在不同環境及介面條件下之介面剪力 強度與破壞模式分析，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文 [2] 潛振寰，民95，底膠材料於IC 封裝熟化過程中黏彈性質之模型建構，國立成 功大學機械工程學系碩士論文 [3] 鍾文仁、陳佑任，IC封裝製程與CAE應用 [4] 劉振南，民97，無底膠新型覆晶封裝結構之設計與可靠度分析，國立清華大學 動力機械工程學系碩士論文 [5] 林文山，民92，覆晶封裝底部封膠技術之研究，國立成功大學航空太空工程研 究所碩士論文 [6] 張祥傑，民93，IC封裝黏模力之量測與分析，國立成功大學機械工程學系博士 論文 [7] http://www.pidc.org.tw/，塑膠的黏彈力學 [8] 材料力學性能第十章聚合物材料的力学性能，武漢理工大學材料科學與工程學 院 [9] 朱敬平，材料加工輸送現象，國立台灣科技大學高分子工程系. 54.
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