I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/2119

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(1)義守大學機械與自動化工程學系碩士論文. 金線與銅線在熱影響區的材料特性及其應用於銲線製程之動態分析 An Investigation on Heat Affected Zone for Gold Wire/Copper Wire and Dynamic Response on Bonding Process. 研究生：張巍耀指導教授：徐祥禎博士共同指導：葉昶麟博士中華民國九十七年七月.

(2) 金線與銅線在熱影響區的材料特性及其應用於銲線製程之動態分析 An Investigation on Heat Affected Zone for Gold Wire/Copper Wire and Dynamic Response on Bonding Process. 研究生：張巍耀. Student：Wei-Yao Chang. 指導教授：徐祥禎. Advisor：Hsiang-Chen Hsu. 指導教授：葉昶麟. Advisor：Chang-Lin Yeh 義守大學. 機械與自動化工程學系碩士論文 A Thesis Submitted to Department of Mechanical and Automation Engineering I-Shou University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree in Mechanical and Automation Engineering June , 2005 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十七年七月.

(3) 金線與銅線在熱影響區的材料特性及其應用於銲線製程之動態分析摘要在半導體封裝上接合技術上，其主流還是以銲接接合技術(Wire Bonding)中的熱音波銲接(Thermosonic Ball Bonding 簡稱 T/S Bonding) 為主。而銲接接合技術是以金屬線作為連結通電之橋樑，其中金線在國際市場上使用量位居首冠，金線(純度 99.99%或 4N，以下稱 4N)的優點由拉伸實驗得知延長性的優越、導電性佳、經電子燒球後不易氧化等優點。高階構裝產值比重愈來越高[15]，國內構裝廠商在高階構裝能力逐漸完善下，產品訂單也持續增加中，但是近年來黃金在國際上不停飆漲，於西元 2008 年漲幅程度到達每盎司千元美金。因此銅線的取代，將是降低成本主因之ㄧ，然而以材料性質角度而言，其導電性比金線優，缺點容易氧化，由拉伸實驗得知材料強度比金線高，在進行銲線接合(Wire Bonding)時，容易造成晶片上的鋁墊(Pad)推擠變形，這可能影響鈍化層(Passivation)以下的晶片結構承受力，嚴重則導致晶片裂紋的發生。本研究過程分兩部份進行：ㄧ、與應變率相關(Strain rate dependent) 的材料性質實驗，二、運用 ANSYS/LS-DYNA 商用套裝有限元素軟體. I.

(4) 數值模擬分析。研究過程中採用兩種不同方式來達到機械性質強度降低，方法為：一、一次電子燒球(Primary Electronic Flame Off)與二次電子燒球(Secondary Electronic Flame Off)狀態下性質比較，並且使用微小硬度與奈米硬度證明性質變化；另一方法，試片退火處理與常溫之下的兩種狀態試片，實驗與比較。經電子燒球後的熱影響區晶粒組織改變其機械性質跟著改變，影響低弧銲線接合製程。實驗所得材料性質代入數值模擬中，發現應變硬化指數(Strain-Hardening Exponent)、強度係數 (Strength Coefficient)與降服強度(Yield Strength)對晶片上的鋁墊(Pad)推擠變形現象極為重要。研究中改變接觸速度(C/V)與超音波振幅有助於降低銲墊推擠量，線材二次燒球與退火處理以達到降低材料強度目的，其有助於降低銲墊被推擠量，對銅導線的銲線接合有極重要改善。關鍵字：金線、銅線、銲接接合、推擠、一次電子燒球、二次電子燒球、微小硬度、奈米壓痕、LS-DYNA、應變-硬化指數、強度係數。. II.

(5) An Investigation on Heat Affected Zone for Gold Wire/Copper Wire and Dynamic Response on Bonding Process Abstract The wire bonding process has been widely used in the semiconductor package industry for the past two decades for its easy application and low cost.. However, the. mechanism of dynamic response for wire bonding process is scarcely reported due to the material data is difficultly to determine. As the price of gold is dramatically increasing in the year of 2008, engineers and researchers have been focused on the replacement material of copper wire. The present research involves two major works, experimentally determines the material properties and accurately predicts the dynamic response of stressed region on the bond pad and beneath the contact area.. The tensile mechanical properties of ultra thin. gold/copper wires (φ=1mil) before/after electric flame-off (EFO) process have been investigated by self-design pull test fixture.. Secondary EFO experiments are also. conducted to observe the lower hardness of copper wire. Microstructure characteristics of free air ball (FAB) and heat affected zone (HAZ) are also carefully investigated by micro-hardness as well as nano-indentation tests. An empirical coefficient of hardening exponent was determined for Hell-Petch equation to evaluate the deformation of bond pad. The accurate experimental material data should be reflected as input for the precise. III.

(6) finite element analysis. Numerical model based on explicit time integration scheme software ANSYS/LS-DYNA is developed to simulate the ball bond of wire bonding process.. The impact effects on structure stressed area during wire bonding process are. investigated and the shovel of pad was observed during transient ultrasonic vibration stage.. It is noted that the material of bond pad should be Al pad instead pure Al pad.. Special emphasizes are focused on the via layouts and the optimal design of microstructure beneath the bond pad.. A series of comprehensive parametric studies. were conducted in this research. Keyword：Gold wire,Copper wire,Wire bonding,Shovel, Primary Electronic Flame Off , Secondary Electronic Flame Off,Mircoindentation,Nanoindentation, LS-DYNA,Strain-Hardening Exponent, Strength Coefficient.. IV.

(7) 致謝踏入研究所的那一刻起，自己的成長學習與躍進無時無刻銘記在心，生平中的第一本著作，它伴隨著我兩年的日子裡，面對困難與耐心的解決，心中更加充實與踏實，一路走來承蒙恩師祥禎老師研究的上循序漸進指導以及關心鼓勵，老師對我許多的期許我將會努力學習並且學以致用。昶麟博士指導令人印象深刻，沉浸研究之中彷彿醍醐灌頂，昶麟博士時常提醒「師」與「匠」的差別，工程師必須面對學習規劃執行與解決問題的經驗累積，勇敢面對與接受，方可進步，兩位的教誨學生對於未來的生涯規劃更是令自己勇於挑戰。剛進入大學那天起認識水源老師，當時的我專業基礎是有待加強的，您給于我的教導與關心，如今自己能站在這裡，學生深深感到感激與喜悅。感謝金佩傑老師、賴逸少博士、施孟鎧博士與陳水源博士在百忙之中對學生的論文指導與匡正，使學生的論文更加謹慎。實驗室裡研究精神不可忘之，學長們不管是專業研究與做人處事常常提醒大家，並且團隊合作的重要性是必備的，感謝育嘉、輝宇，聖文、騰鴻、育騰與金元學長的教導，功豪與志安研究上的共勉之，認真學弟們盟傑、儀峰、瑞峰還是峰瑞啊隨便以及杰融與其他學弟。政良兄、王崴、覲鳳與展宏雖然鵬程萬里但我們研究與友誼上一起共勉之。老朋友宏仁兄與來自西安交通大學韓韜在研究上鼓勵與建議。喬凱、文修、建豪、享立、瑛吉、晉圓、健智、煌億、益生以及碩班其他同學一起勉勵向上。感謝日月光集團高雄廠合核心與應力可靠度實驗室的逸少、昶麟、金利、宗岳、孟鎧、效銓、秉豐、陳俊、兆欣、東鴻、英志以及管理師宥珊在專業知識協助與建議，不只是專業上的幫忙對我這個小老弟無時無刻關心與照顧。感謝華泰電子盧明正學長與藍元仁學長在 K&S 1484 Wire Bonding 機台教學、前華泰電子副總經理現任鼎晨科技總裁謝文樂大哥在 Wire Bonding 專業建議、K&S 公司林鴻孟業務經理與董士安先生銅導線供應、、大昶貿易林清裕先生在微小硬度. V.

(8) 計儀器校正、成功大學奈米所洪飛義博士、中山大學顏仲崑博士生協助奈米硬度儀器幫忙以及中山大學吳以德博士在原子力顯微鏡實驗建議。感謝材料科學與工程學系鄭憲清博士在實驗材料幫忙、家閔學長與健勳在原子力顯微鏡儀器幫忙、存信學弟加溫爐的機台教學與借用、政勳、永裕與君華在專業知識訂正。感謝我的家人給于我精神支持與鼓勵，體諒我的忙碌。最後感謝各專業人士的指教與匡正，使的論文有更大進步空間。願祝福平安順心。. 張巍耀義守大學. 謹誌於. 機械與自動化工程學系中華民國九十七年七月. VI.

(9) 總目錄中文摘要…………………………………………………………………………...I 英文摘要…………………………………………………………………………..II 致謝………………………………………………………………………………..V 總目錄……………………………………………………………….……..……VII 圖目錄………………………………………………………………………..........X 表目錄…………………………………………………………………………XVII 第一章前言……………………………………………………………….……..1 1.1. 研究動機..................................................................................................1. 第二章文獻回顧 ………………………………………………………..……...3 2.1. 電子封裝 …….………………………………………………………...3 2.1.1 電子封裝主要流程.........................................................................3 2.1.2 電子封裝主要的目的.....................................................................4. 2.2. 熱超波銲接機被業界廣泛需求…………..............................................4. 2.3. 銲接接合過程：(以金線為例)…………………………………....…….6. 2.4. 金線經電子燒球後之溫度效應………………………………..............9. 2.5. 燒球後熱影響區的機械性質影響……………………...…………….10. 2.6 .數值模擬……………………….……………………………………..16 第三章理論基礎…………………………………………………...………..…18 3.1. 拉伸試驗………………………………………………………….…...18 3.1.1 工程應力應變...............................................................................18 3.1.2 真實應力應變...............................................................................20 3.1.3 指數定律方程式...........................................................................21. VII.

(10) 3.1.4 應變率影響......................................................................................22 3.1.5 與應變率有關的因子......................................................................23 3.2. 材料的晶粒結構與機械性性質的關係……………………...…….…25. 3.3. 微小硬度試驗……………………………………………...……….....25. 3.4. 奈米壓痕試驗……………………………………………...……..…...26. 3.5. 數值模擬……………………………..……………...………………...29. 第四章材料實驗研究方法與結果討論………………………………….........32 4.1. 實驗材料……………………………………….…………………...…33. 4.2. 銲線退火處理……………………………….……….………………..33. 4.3. 電子燒球………………………………………………………………33. 4.4. 拉伸試驗……………………….…………………………….……..…34 4.4.1 實驗儀器準備...............................................................................34 4.4.2 試片製作.......................................................................................35 4.4.3 實驗方法與控制因素...................................................................37. 4.5. 微小硬度實驗…………………………………………………………52. 4.6. 奈米硬度實驗……………………………………………...…….……57. 4.7. 實驗討論……………………………...…………………….…………69 4.7.1 拉伸試驗與拉球試驗…………..……………………………….69 4.7.2 微小硬度試驗...............................................................................72 4.7.3 奈米硬度試驗……………………………………………...……74. 第五章銅導線數值模擬研究方法與結果討論…………………………….…81 5.1. 物理模型……...…………………………………………….…………82. 5.2. 材料定義………………………...………………………….…………83 5.2.1 材料組成率...................................................................................83. VIII.

(11) 5.2.2 材料模型定義...............................................................................85 5.3. 元素定義…...……………………………………………….…………87. 5.4 接觸定義…………………………..……………………….…………88 5.5. 物理假設……………...…………………………………….…………89 5.5.1 銲接機制…………………………………..………….…………89 5.5.2 銲接………………………………………………….…………..91 5.5.3 邊界條件…….…………………………………………………..91. 5.6. 結果與討論………………………………………………..……..……92. 第六章結論………………………………………………….…………………99 參考文獻…………………………………………………………….…………..102 作者簡介………………………………………………………………………...109. IX.

(12) 圖目錄圖 2-1 Kulicke & Soffa(K&S)公司出品熱音波銲接機 1484 型...........................5 圖 2-2 銲接過程內部機制.....................................................................................6 圖 2-3 電子燒球示意圖.........................................................................................6 圖 2-4 燒球後 SEM 圖............................................................................................6 圖 2-5 第一鍵結(First bond)過程..........................................................................7 圖 2-6.鍵結後 SEM 圖..............................................................................................7 圖 2-7 金線的幾何形狀形成.................................................................................7 圖 2-8 第二鍵結(Second bond)過程.....................................................................8 圖 2-9 銲針剖面圖.................................................................................................8 圖 2-10 第二鍵結的 SEM 圖..................................................................................8 圖 2-11 銲線扯斷過程...........................................................................................8 圖 2-12 鍵結完成，後銲針移至下一銲墊開窗(Open)位置……………………9 圖 2-13 金線尾端燒球之後的溫度分佈……………………………………….10 圖 2-14 黃銅經退火溫度對再結晶或熱影響區的機械性質影響.....................11 圖 2-15 燒球後晶粒示意圖.................................................................................12 圖 2-16 金導線熱影響區之微結構組織與硬度分佈圖.....................................13 圖 2-17 金導線不同高度弧線與硬度分佈之情形.............................................13 圖 2-18 (A)Hard-type 金線溫度分佈修正...........................................................14 圖 2-19 銅導線尾端與電子燒球器的間距(Gap)……………………………...15 圖 2-20 0mil 與 20mil 不同的間距(Gap)造成電子燒球後真圓度之影響…….15 圖 2-21 銅導線電子燒球後球頸部份產生雙晶現象(a)(b)……………………16 圖 2-22 金導線數值模擬拉力試驗中第一鍵結 4 種破壞模式..........................17 圖 3-1 應力-應變線性區…………………………………………………...…..19. X.

(13) 圖 3-2 彈-塑性區……………………………………………………………….19 圖 3-3 工程應力-應變圖.....................................................................................20 圖 3-4 工程應力-應變、修正塑性變形之後的真實應力-應變與修正頸縮之後的應力-應變趨勢圖.................................................................................21 圖3-5 計算應變-硬化指數取值範圍..................................................................22 圖3-6 真實應力-應變之硬化指數 0 ≤. n ≥ 1 關係............................................22. 圖3-7 高應變率( σ 1 )與低應變率( σ 2 )之真實應力應變圖…………………..25 圖 3-8 微小硬度的壓子幾何形狀…………………………………………..….26 圖 3-9 奈米壓痕硬度側試圖...............................................................................28 圖 3-10 壓痕硬度的負荷與位移關係曲線.........................................................28 圖 3-11 隱式法(Implicit Method)與顯式法(Explicit Method)之工程問題區分... .................................................................................................................29 圖 3-12 不同元素尺寸大小.................................................................................31 圖 4-1 研究流程圖...............................................................................................32 圖 4-2 銲接過程內部機制中控制環境條件.......................................................34 圖 4-3 夾具範圍造成試片易斷裂在夾具尾端...................................................35 圖 4-4 試片黏著於方格紙(a)…………………………………………………..36 圖 4-4 試片夾持受力(b)......................................................................................36 圖 4-5 線材拉伸試驗(a)、球狀拉球試驗(b).....................................................36 圖 4-6 拉球試驗夾具...........................................................................................36 圖 4-7 試片標距長度定義...................................................................................38 圖 4-8 金線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率 = 10 −4 S −1 ).................................................................................................39. XI.

(14) 圖 4-9 金線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率 = 10 −4 S −1 )..................................................................................................39 圖 4-10 銅線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率 = 10 −4 S −1 )..................................................................................................40 圖 4-11 銅線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率 = 10 −4 S −1 )..................................................................................................40 圖 4-12 金球拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 ).........................................................................................41 圖 4-13 金球拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 ).........................................................................................41 圖 4-14 銅球拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 ).........................................................................................42 圖 4-15 銅球拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 ).........................................................................................42 圖 4-16 銅球二次燒球(2EFO)拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 )............................................................43 圖 4-17 銅球二次燒球(2EFO)拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)(應變率= 10 −4 S −1 )............................................................43 圖 4-18 銲線接合數值模擬中銲針位移方向....................................................45 圖 4-19 金線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min)(應變率 −2 −1 = 60 S )............................................................................................46. 圖 4-20 金線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min)(應變率 −2 −1 = 60 S )............................................................................................46. XII.

(15) 圖 4-21 銅線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min)(應變率 −2 −1 = 60 S )..............................................................................................47. 圖 4-22 銅線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min)(應變率 −2 −1 = 60 S )..............................................................................................47. 圖 4-23 金球拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速率 −2 −1 =457.2mm/min)(應變率= 60 S ).......................................................48. 圖 4-24 金球拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速率 −2 −1 =457.2mm/min)(應變率= 60 S ).......................................................48. 圖 4-25 銅球拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速率 −2 −1 =457.2mm/min)(應變率= 60 S ).......................................................49. 圖 4-26 銅球拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速率 −2 −1 =457.2mm/min)(應變率= 60 S ).......................................................49. 圖 4-27 銅球二次燒球(2EFO)拉伸試驗，熱影響區工程應力-應變圖(拉伸速 −2 −1 率=457.2mm/min)(應變率= 60 S )...................................................50. 圖 4-28 銅球二次燒球 (2EFO)拉伸試驗，熱影響區真實應力-應變圖(拉伸速 −2 −1 率=457.2mm/min)(應變率= 60 S )...................................................50. 圖 4-29 硬度實驗壓痕處，俯試圖.....................................................................52 圖 4-30 硬度實驗壓痕處，側試圖.....................................................................52 圖 4-31 四面角錐型壓痕器(Tetrangular Pyramid Indenters)維克氏壓子(Vickers Indenter)..................................................................................................53 圖 4-32 ㄧ次燒球與二次燒球的熱影響區壓痕硬度(Microindentation，HV)與. XIII.

(16) OM 拍攝壓痕情形..................................................................................54 圖 4-33 ㄧ次燒球的球體壓痕(OM) (a)..............................................................55 圖 4-33 二次燒球的球體壓痕(OM) (b) .............................................................55 圖 4-34 ㄧ次燒球與二次燒球的球體壓痕硬度(Microindentation，HV).........56 圖 4-44 美國 MTS 公司 Nano Indenter XP System............................................57 圖 4-45 奈米壓痕凹痕處與 Berkovich 型三角鑽石錐形(Triangular Diamond Pyramid)..................................................................................................58 圖 4-46 奈米硬度壓痕在球體分佈的位置.........................................................58 圖 4-47 金線於室溫 25℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 •. −3 −1 (應變率 ε = 10 S )............................................................................59. 圖 4-48 金線退火 125℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 •. −3 −1 (應變率 ε = 10 S )............................................................................60. 圖 4-49 金線退火 200℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 •. −3 −1 (應變率 ε = 10 S )............................................................................61. 圖 4-50 銅線於室溫 25℃經電子燒球後 EFO，銅球奈米硬度壓痕負載與位移 •. −3 −1 曲線(應變率 ε = 10 S )....................................................................62. 圖 4-51 銅線退火 125℃經電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 •. −3 −1 (應變率 ε = 10 S )............................................................................63. 圖 4-.52 銅線退火 200℃經電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 •. −3 −1 (應變率 ε = 10 S )..........................................................................64. 圖 4-53 銅線室溫 25℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲 •. −3 −1 線(應變率 ε = 10 S )........................................................................65. XIV.

(17) 圖 4-54 銅線退火 125℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移 •. −3 −1 曲線(應變率 ε = 10 S )....................................................................66. 圖 4-55 銅線退火 200℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移 •. −3 −1 曲線(應變率 ε = 10 S )....................................................................67. 圖 4-56 固態反應動力學的變態分率與時間對數............................................69 圖 4-57 純銅在固定溫度時再結晶的百分比為時間函數................................70 圖 4-58 拉球試驗，標距與熱影區的距離........................................................73 圖 4-59 線材的拉伸速率、退火溫度和楊氏係數關係.....................................75 圖 4-60 熱影響區的拉伸速率、退火溫度和楊氏係數關係.............................75 圖 4-61 線材的拉伸速率、退火溫度和降伏強度關係......................................76 圖 4-62 熱影響區的拉伸速率、退火溫度和降伏強度關係.............................76 圖 4-63 線材的拉伸速率、退火溫度和應變-硬化指數(n)關係.........................77 圖 4-64 熱影響區的拉伸速率、退火溫度和應變-硬化指數(n)關係................77 圖 4-65 線材的拉伸速率、退火溫度和 UTS 關係..............................................78 圖 4-66 熱影響區的拉伸速率、退火溫度和 UTS 關係......................................78 圖 4-67 線材的拉伸速率、退火溫度和延展性關係...........................................79 圖 4-68 熱影響區的拉伸速率、退火溫度和延展性關係.................................79 圖 4-69 應變-硬化指數、強度係數、不同退火溫度和拉伸速率關係...............80 圖 4-70 ㄧ次燒球與二次燒球的熱影響區壓痕硬度(Microindentation，HV)分佈範圍.....................................................................................................81 圖 5-1 銲線接合二維物理模型...........................................................................82 圖 5-2 低介電常數(Low-K)晶片內部各項材料與模型尺寸.............................82 圖 5-3 銲針尺寸圖...............................................................................................83. XV.

(18) 圖 5-4 非線性無彈性-雙線段等向性模型(雙線性 Isotropic 模型)...................84 圖 5-5 二維平面元素 162………………………………………………………87 圖 5-6 模型元素劃分…………………………………………………………...88 圖 5-7 (I)銲針位移機制，型態 I……………………………………………….90 圖 5-7 (II)銲針位移機制，型態 II………………………………………………90 圖 5-7 (III)銲針位移機制，型態 III…………………………………………….90 圖 5-8 二維模型邊界條件拘束位置...................................................................91 圖 5-9 銲墊造成推擠現象(SEM)………………………………………………92 圖 5-10 銲墊造成推擠現象(OM)………………………………………………92 圖 5-11 數值模擬後銲墊造成推擠現象.............................................................92 圖 5-12 (I)銲針機制型態-I，等效應力圖(von Mises Stress)………………….95 圖 5-12 (II)銲針機制型態-II，等效應力圖(von Mises Stress)………………..95 圖 5-12 (III)銲針機制型態-III，等效應力圖(von Mises Stress)………………95 圖 5-13 銲墊推擠元素節點-最高隆起的元素節點…………………………...96 圖 5-14 銲接機制型態-I，在不同退火溫度球體材料特性造成銲墊推擠量....96 圖 5-15 銲接機制型態-I 在不同接觸速度(C/V)造成銲墊推擠量....................97 圖 5-16 銲接機制型態-I 在不同超音波振幅造成銲墊推擠量………….…….97 圖 5-17 銲接機制 I.II.III.的三種型態造成銲墊推擠量……………………….98 圖 5-18 銲接機制型態-II，在不同超音波持續時間造成銲墊推擠量……….98. XVI.

(19) 表目錄表 4-1 INSTRON-3365 萬用試驗機規格表......................................................35 表 4-2 拉伸速率 1mm/min 應變率 10 −4 S −1 之影響，真實應力-應變材料組成...44 表 4-3 拉伸速率 457.2mm/min 應變率 60 −2 S −1 之影響，真實應力-應變材料組成...............................................................................................................51 表 4-4 金球(FAB)奈米壓痕楊氏係數.................................................................68 表 5-1 銅導線材料性質組成率...........................................................................84 表 5-2 晶片結構的材料性質組成率...................................................................84 表 5-3 銲墊(Al-Pad)材料性質組成.....................................................................85. XVII.

(20) 第一章、前言目前電子構裝中的接合技術主要方式有三種：銲接接合技術 (Wire bonding)[2]、捲帶自動接合技術(Tape automated bonding 簡 TAB)[1]、覆晶接合技術(Flip chip bonding 簡稱 FCB)[19]，其主流還是以銲接接合技術(Wire bonding)中的熱音波銲接(Thermosonic ball bonding 簡稱 T/S bonding)為主 [1]，在銲接部分是否好壞將影響對電性性質以及 IC 的壽命，並且以金屬線連結電性之橋樑。而大部份元件是採用高分子材料 MODL 若是影像感測元件是以透明材料進行 MODL，如：玻璃。高分子材料具備良好封裝特性，如熱傳導傳遞、保護金屬線的幾何形狀或灰塵隔絕…等功能。因高階構裝產值比重愈來越高[15]，我國國內構裝廠商在高階構裝能力逐漸完善下，產品訂單也持續增加中，以高階產品多腳化之設計，它造成通電之橋樑數量相對的提高，國內的金線使用量年年升高，在國際市場上平均消耗量約五百億英呎，以線徑寬 1mil 金線的金製程產品計算則總金額達 10 億歐元，2004 年國內金線的市場已達到 250 億台幣，如今黃金在國際市場不停上漲，每一盎司漲至千元美金，金線市場可能超過 400 億台幣以上之需求，因此銅導線製程在半導體界紛紛開始考慮大量使用，雖然銅導線(4N)早在之前就有，但材料特性問題，銅導線並不廣泛使用，如今黃金上漲的衝擊，因此為了降低成本，銅導線的取代將是未來的趨勢，然而使用銅線做為電性傳遞橋樑之時，材料特性的問題還是持續困擾，因此本研究對材料相關性研究與模擬之研究探討。. 1.1 研究動機銲線接合技術是以金屬線作連結，銲線中的金線(4N)特性是不易氧化、延展性好[2-3]、導電性佳，熱影響區(Heat affect zone, HAZ)直接影響低弧製程 (Loop process)[2]，在銲線接合處的優劣將影響對電性性質以及 IC 的可靠度。. 1.

(21) 如今黃金在國際市場不停上漲，為了降低成本銅線將是未來的趨勢。銅的導電性與熱傳導性比高於金和鋁，然而使用銅線做為電性傳遞橋樑之時，必須考慮銅活化能高，經電子燒球(EFO)後的高溫造成材料的氧化，它可能因為表面粗糙狀或氧化物對銲接過程中易造成假銲，另一問題是機械性質，對於抽線後(即眼模道抽線製造完成的金屬線)的銅線強度高，在銲線接和之時造成銲墊推擠現象容易將晶片損壞，因此進行材料實驗對機械性質探討，並運用商用套裝軟體 ANSYS/LS-DYNA 數值模擬銅導線銲接 Cu/Low-K 晶片過程。. 2.

(22) 第二章、文獻回顧 2.1 電子封裝將晶圓(Wafer)送入封測廠中，從晶圓切割成晶粒，ㄧ直到完成黑色封裝體，其黑色封裝體中的晶片上佈滿了線路，用金屬線做傳遞聯結之材料，此稱為半導體後段製程。[12]電子封裝製程分成三個層級，將積體電路晶片與封裝結構接合形成一電子元件，此為第一層級(First Level Packaging)，將電子元件銲接至印刷電路板或卡上，稱第二層級(Second Level Packaging)，印刷電路板或卡與母板之結合，為第三層級封裝。而第零層級為半導體前段製程，晶圓製作階段。 2.1.1 電子封裝主要流程[1][2][12]： 1. 晶圓研磨(wafer grinding)：將晶圓研磨至產品所需之厚度。 2. 晶圓切割(Die sawing)：晶圓切割之前，先將晶圓背面黏背膠(UV 膠)，再使用鑽石刀切割成晶粒，可保持晶粒不易散落。 3. 黏晶或銲晶(Die bonding)：使用銀膠(Adhesive) 將晶片與導線架黏接在一起，並且經過烘烤，使其晶片與導線架黏緊。 4. 銲線接合(Wire bonding)：銲線方面有金線、銅線或鋁線，從晶片上的銲墊為第一銲點(First bond)連接到導線架上的內引腳(Inner lead) 為第二銲點(Second bond)，將電子訊號與電流之傳遞橋樑接起形成通路。 5. 封膠(Molding)：將以完成銲線接合的晶片與導線架，將其放置模穴灌注耐高溫之環氧樹脂(Epoxy Molding Compound，EMC)塑料，其主要是在保護結構體、降低濕氣進入或晶片氧化，若封膠沒封好濕氣還是有可從引腳進入。. 3.

(23) 6. 蓋印(Marking)：印下公司及產品型號規格，主要方法有兩種:一、使用白漆蓋印並且要烘烤，二、雷射蓋印方式。 7. 電鍍(Solder plating)：將封膠以外的導線架，使用電鍍藥水電鍍，可避免導線架氧化。 8. 剪切與彎腳成型：將殘留金屬架移除，並進行彎腳至所須形狀。 9. 檢測：品管檢查 2.1.2 電子封裝主要的目的： 1. 保護電子訊號與電源之 I/O(輸入/輸出)焊接的銲線 2. IC 晶片與金屬線的幾何形狀支撐保護 3. 保護 IC 晶片避免灰塵、濕氣或空氣氧化 4. 由於(Compound)耐高溫，可提供有效散熱路徑. 2.2 熱超波銲接機 (Thermosonic ball bonding) 被業界廣泛需求 [1][2][12] 目前電子構裝中的接合技術主要方式有三種：銲接接合技術(Wire bonding)、捲帶自動接合技術(Tape automated bonding 簡 TAB)[1]、覆晶接合技術(Flip chip bonding 簡稱 FCB)。銲接接合技術又可分成熱壓技術(1)、超音波技術(2) 以及熱超音波技術(3)，它使用銲線銲接，銲線以市場最常用以金線為主而鋁線為次，目前正測試銅導線銲接，其少部分產品製造。 (1) 熱壓銲接(Thermocompression) (2) 超音波銲接(Ultrasonic wedge bonding) (3) 熱超波銲接(Thermosonic ball bonding)：熱超波銲接是 1970 年 Coucoulas 首先將熱壓與超音波技術合成， Coucoulasru 此法稱為 Hot Work Ultrasonic Bonding，他利用金屬之間在高溫時原子能量提升的觀念，用一定壓力將銲線尾端的銲球(金. 4.

(24) 球)打到銲墊，使銲球表面接觸到銲墊產生塑性變形，加上銲針 (Capillary)給于超音波震動使打在銲墊上早已塑性變形的銲球，使其銲球表面原子與銲墊表面原子之間產生吸引力，形成金屬鍵結。熱壓技術在進行銲接的溫度約 300 0C ~400 0C ，Coucoulasru 將熱壓與超音波兩種技術結合，熱壓部分只需約 125 0C ~220 0C ，再靠超音波震動加壓緊合。然而主流還是以銲接接合技術 (Wire bonding) 中的熱音波銲接 (Thermosonic ball bonding)為主[1]，本研究使用 Kulicke & Soffa(K&S)公司出品熱音波銲接機 1484 型，圖 2-1，而圖 2-2 為熱音波銲接機運作檯面，金屬線從圖 2-2 中的線軸 1.的位置通過到銲針(Capillary)6.的位置，進行電子燒球與銲接動作。. 圖 2-1.Kulicke & Soffa(K&S)公司出品熱音波銲接機 1484 型. 5.

(25) 圖 2-2.銲接過程內部機制. 2.3 銲線接合(Wire Bonding)過程(以金導線為例)： 1. 圖 2-3 線匣目前還是關著並且夾住金線，金線(4N)熔點 1063 0C ，當設定電子燒球器(Electronic Flame Off，EFO)點火，電子燒球器自動至金線尾端通電，經高壓電流通至金線尾端，立即產生約 1070 0C 左右溫度使金線受高溫成熔融狀態，因表面張力及地心引力的關係使其熔融部分形成金球，圖 2-4 為電子燒球後形成球狀。在燒成金球時藍色火花表示金線表面無任何雜質，黃色火花表示金線有可能沾上粉塵或手上的油脂或電子燒球器表面氧化，易造成燒球品質不良，可能發生假銲。. 圖 2-3.電子燒球示意圖. 圖 2-4.燒球後 SEM 圖[46]. 6.

(26) 2. 圖 2-5 陶瓷銲針向下移動，將金球打到晶片上的銲墊(鋁墊)，線匣開啟，導線架以及在導線架上面的晶片加熱至 150 0C ~220 0C，金球受到衝擊接合於鋁墊的階段中，球體受到衝擊變形之時，同時超音波震盪 120KHz 使其金與鋁形成金屬鍵結。此步驟 2.完成為第一鍵結(First bond)。. 圖 2-5.第一鍵結(First bond)過程. 3. 圖 2-6.鍵結後 SEM 圖[46]. 完成第一鍵結(First bond)，圖 2-7 銲針移動將金線形成幾何形狀。. 圖 2-7.金線的幾何形狀形成. 4.. 圖 2-8 銲針打到導線架位置上為第二鍵結(Second bond)，將金線壓到導線架上，同時有導線架上約 150 0C ~220 0C 以及超音波震盪，因銲針外圍 OR 角及 Face angle 角如圖 2-9 關係，使金線於第二鍵結形成魚尾形狀，如圖 2-10 關係。. 7.

(27) 圖 2-8.第二鍵結(Second bond)過程. 圖 2-9.銲針剖面圖[46]. 圖 2-10. 第二鍵結的 SEM 圖[45]. 5.. 第二鍵結(Second bond)完成之後，圖 2-11 銲針提起將金線扯斷。. 圖 2-11.銲線扯斷過程. 6. 圖 2-12 扯斷金線後，銲針移至下一個鋁墊(Pad)上方，電子燒球器(EFO) 自動通電流至金線尾端將金線型成熔融狀態，重複前面步驟。. 8.

(28) 圖 2-12.鍵結完成，後銲針移至下一銲墊開窗(Open)位置. 2.4 金線經電子燒球後之溫度效應金線受到高電流低電壓的電子點火之時,一瞬間將金線底端加熱成熔融狀態的液體，並且受到地心引力與表面張力作用，熔融的液體變成球狀，如圖 2-4，當電子燒球停止動作，此時球狀的部份一直沿著線頸到金線皆發生熱傳遞現象，包含熱傳導、熱對流以及熱輻射，其中的熱傳導為最主要之影響，而金線熱傳導行為以 L.J. Huang 等人[16]推導模式，將電子燒球之過程做過數值模擬，利用最小能量原理，用來計算結成球狀，再用能量方程式求得結球後溫度分佈情形，式子中將熱傳導、熱對流以及熱輻射等條件皆考慮，如 ". 式(2-1)，式(2-2)，式中 k 為熱傳導係數， hC 為熱對流係數， qO 為金球的熱通量， T 為任意截面積之平均溫度。 ∂T 2hC 2εσ 4 1 ∂T − (T − TO ) − (T − T∞4 ) = ∂Z krO krO α ∂t. ∂T T ( Z ,0) = T∞ ; ∂Z. ( 0 ,t ). ∂T = 0; ∂Z. ( L ,t ). q O" = k. (2-1). (2-2). 圖 2-13，為金線經電子燒球(EFO)後溫度分佈之情形，A.A.O. Tay 等人[38] 解出沿著金線的暫態溫度分佈。假設金線初始溫度 20 ° C ，不考慮環境的熱損失，當電子燒球時 t = 0 秒，線尾形成金球溫度為 1070 ° C 。銲針下降至晶片. 9.

(29) 上的鋁墊 t = 0.01秒，也就是金球與鋁墊接合。時間 t > 0.01 秒時，此時假設金 ° 球溫度與晶片上鋁墊溫度相同為 200 C 。若時間超過 0.04 秒以後溫度趨近穩. 定。由於每次運動速率的不一定，因此假設每一次進行銲接接合之時大約 0.1 秒完成，銲針下降過程(衝擊過程)總共約 0.06 秒，因此在 0.04 秒到 0.1 秒之 ° 間，金線的暫態溫度分佈呈穩態線性分佈，而距離金球 10mm 處為常溫 20 C 。. 圖 2-13.金線尾端燒球之後的溫度分佈[38]. 2.5 燒球後熱影響區(Heat Affect Zone)的機械性質影響材料經熱處理又稱退火處理，其機械性質可恢復到未冷加工之前狀態，在高溫中變化過程為：回復(Recovery)、再結晶(Recrystallization)以及晶粒成長(Grain Growth)[4][7]。William D.等人[3]，以 G. Sachs 等人為例[47]，發現黃銅受到退火溫度之影響越高，到了再結晶區之時晶粒的粗細明顯變化，黃銅的抗拉強度越低與延展性越高之趨勢，圖 2-14。E.O.Hall[3][7][30] 和 J.N. Petch 提出若以同一種材料的微觀組織來看，細晶粒的材料比粗晶粒的. 10.

(30) 材料的硬度高也代表強度高，建立 Hall-Petch 方程式 σ Y = σ 0 + Kd. −1. 2. ，式. (3-20)，降伏強度( σ Y )它隨晶粒尺寸( d )變大而變小，原因是細晶粒的材料具有較大總晶界面積以阻止差排移動也造就強度高。運用在燒球後熱影響區之探討。. 圖 2-14. 黃銅經退火溫度對再結晶或熱影響區的機械性質影響[3]. 11.

(31) 圖 2-15. 燒球後晶粒示意圖[1][2]. 因金線尾端受到約 1070 0C 高溫形成熔融狀態，如圖 2-14[2][3]與圖 2-15[1][2]，第一區形成金球的位置它的組織晶粒比沒受到溫度影響的金線第三區晶粒要大幾倍。瞬間加熱 1070 0C 因熱傳遞高溫往低溫傳遞行為，因此金球上方為第二區也受到高溫影響，晶粒也有變大此部份稱熱影響區(Heat affected zone)或再結晶區(Recrystallization)。第二區因熱影響晶關係晶粒比未受到熱影響要大，其機械性質影響很深。受到熱影響區而造成球頸上方機械性質之影響，Y. Ohno 等人[37]進行相關實驗發現，圖 2-16，熱影響區微結構經腐蝕後，如同圖 2-15 示意圖趨勢性，經由硬度試驗之後，熱影響區硬度值呈 υ 形狀分佈，表示 υ 狀部份硬度值低， (A)Hard-型態金線熱影區範圍約 200 µm ，(B)Soft-type 金線熱影區範圍約 300 µm ，針對封裝製程上體積越小，對低弧製程縮小封裝體，可由圖 2-17 看出(A) Hard-型態的金線對於現況是非常重要參考及發展。. 12.

(32) 圖 2-16. 金導線熱影響區之微結構組織與硬度分佈[37]. 圖 2-17. 金導線不同高度弧線與硬度分佈之情形[37]. 13.

(33) D.S. Liu 等人[17]使用三種型態的金線：SR 型態為低強度、高銲線迴路； FA 型態為中強度、中高銲線迴路用；與 GL-2 為高強度、高銲線迴路用，進行拉伸試驗控制變因有應變率、溫度，實驗得到的應力與應變曲線用 Ramberg-Osgood 彈塑性本構方程式來表達。D.S. Liu 等人[18]，金線銲接製程對 STD2 型標準三角形迴路製程和 LOW2 型梯形迴路製程，使用 ANSYS/LS-DYNA，材料模型中熱影響區(HAZ)的機械性質，溫度的影響約 200 ° C ，將受到溫度影響之機械性質與溫度條件代入軟體中分析，對不同銲接迴路對熱影區的應力集中預測，這對低弧製程有重要的幫助。熱影響區(HAZ) 溫度的影響約 200 ° C 是從 Y.Ohno 等人[37]與 A.A.O.Tay[38]等人，金球硬度分佈圖 2-16 與假設整條銲線皆為線性變化利用內插法求得金球頂端到整條銲線的溫度變化，(A)Hard 型態金線，圖 2-18 金球頂端溫度 200 ° C ，距離金球頂端約 100 µm 此處附近硬度最軟其溫度約 250 ° C ，距離金球頂端約 250 µm 其溫度約 195 ° C 。. 圖 2-18. (A)Hard-type 金線溫度分佈修正[36]. 14.

(34) 銅線經電子燒球後形成球狀的階段，因銅的活化能高經高溫過後，熱擴散行為加速銅球的表面氧化， Chunjin Hang 等人 [39] 對實驗中加入 95%N2 +5% H2 其目的避免氧化，研究中以氣體流動率控制在 0.8 1 mil ，燒球中 Gap 距離不可太高容易造成球表面真圓度的影響，圖 2-19 與圖 2-20。 S. Murali[21]等人和 N. Srikanth[20]等人對銲接製程的銅銶做斷面微結構晶粒. 圖 2-19.銅導線尾端與電子燒球器的間距(Gap)[39]. 圖 2-20. 0mil 與 20mil 不同的間距(Gap)造成電子燒球後真圓度之影響[17]. 分佈，燒球後的銅銶與受到熱超音波震盪銲接到銲墊上的銅銶做微小硬度分析。Fei-Yi Hung 等人[22]，由於銅導線使用目的降低成本考量，但銅線強度影響在鍵結(Bonding)之時容易損壞晶片，因此對深抽後的銅導線做退火處理是很重要的，發現退火處理 1 小時持溫 200 ° C 完全退火溫度，經銅球拉伸試. 15.

(35) 驗所得結果，使用韋伯統計法，找出抗拉強度與硬度有下降趨勢，延伸率有提高趨勢，對熱影響區(HAZ)可靠度有提升，並且經腐蝕液腐蝕後的微結構，發現球頸部部份有出現雙晶(Twin)在<100>面，圖 2-21(a)，受到電子燒球後球頸部分未完全熔融，圖 2-21(b)。. (a). (b). 圖 2-21. 銅導線經電子燒球後球頸部份產生雙晶現象(a)(b)[18]. 2.6 數值模擬 Chin-Li Kao 等人[40]，運用有限元素法套裝軟 ANSYS/LS-DYNA 模擬暫態問題，物理模型建立金球與低介電常數(Low-K)晶片為軸對稱之模型，模型中晶片位置不變而是改變劃分矽的深度與寬度，不同 2-D 尺度進行算，最後建議朝向 3-D 物理模型發展。 Chang-Lin Yeh等人[23][24]，建立3-D物理模型金導線與低介電常數(Cu Low-K)晶片，材料組成率中不同材料的彈性模數之參數研究。Copper-Via與銲墊的等效應力增加則Low-K IMD與USG的彈性模數就減少。低彈性模數的 Passivation能防止Copper Via損壞，但它會造成銲墊上的應力增加。氧化層的模數改變造成最大應力趨勢是顛倒的，不過氧化物的模數改變是不重要的。. 16.

(36) passivation或者氧化層的模數變得更低，則在銲墊上的最大正向應力就減少，但銲墊上的最大剪應力增加。Akella G.K.Viswanath等人[41]，銲線接合以3-D 物理模型建立金導線與低介電常數(Cu Low-K)晶片結構模型，數值模擬採用 ABAQUS有限元素法商用套裝軟體。 Chang-Lin Yeh 等人[25]，在金導線銲線接合完成進入銲線拉力測試，拉力測試是評估是否假銲或接和良率，拉力測試造成第一鍵結(First Bond)的位置發生 4 種破壞模式：球頸上方的熱影區斷裂、球斷裂、銲墊脫起、晶片與球脫起，運用 ANSYS/LS-DYNA 計算，圖 2-22，從分析中評估計算相應失效標準。. 圖 2-22. 金導線數值模擬拉力試驗中第一鍵結 4 種破壞模式[25]. 17.

(37) 第三章、理論基礎 3.1 拉伸試驗 3.1.1 工程應力-應變(Engineering Stress-Strain)[3][4][6] 本實驗將金線與銅線進行拉伸試驗，其目的是取得材料機械性質，試片經由拉伸試驗機上夾具固定試片，並給予固定拉伸速率( V )，單軸向拉伸過程中可得到負荷 (F)- 變形量 ( δ ) 。單位截面積上所受的外力稱為工程應力 (Engineering Stress， σ )式(3-1)，垂直於試片截面積瞬間施加負荷( F )，幾何形狀的截面積( A )。由試片變形量除以試片的原長度是為工程應變(engineering strain，ε )式(3-2)，並且是線性應變，未施加任何負載時試片原來的長度( l o )，試片受到負載的長度變化( l i )，試片的變形量( δ )。而單軸向拉伸過程中所得 F A. (3-1). li − lo δ = lo lo. (3-2). σ=. ε=. 負荷(F)-變形量( δ )負載-變形量經由式(3-1)(3-2)計算得應力-應變曲線。當試片受到力( F )時，在應力-應變曲線中，呈線性範圍的斜率稱為彈性模數(Modulus of Elasticity)或楊氏係數(Young’s Modulus)，此範圍也是遵循虎克定律(Hooke’s law， E )式(3-3)，圖3-1。試片的應力持續增加中，從線性範圍到達比例限 (Proportional Limit，P) 圖3-2，通過此點稱材料塑性行為產生，但卸載之後材. σ = Eε. (3-3). 料還是會回復原形。試片的應力在持續增加中，應變向右偏移0.002並與線性線段平行對齊，與塑性線段交叉於Y點為降伏強度(Yield Strength，σ Y )圖3-2，. 18.

(38) 此方法來找尋降伏強度又稱為0.002降伏偏位法，若試片所承受應力超過降伏強度材料將永久變形。通過Y點之後試片持續承受負載到達圖3-3之M點，已承受最大極限應力稱拉伸強度或極限拉伸強度( σ UTS )，材料將要產生頸縮 (Necking)如圖3-3。若持續負載試片開始頸縮直至試片破斷如圖3-3 F 點，即為失效應變( ε )。 F. 圖3-1.應力-應變線性區[3]. 圖3-2.彈-塑性區[3]. 19.

(39) 圖3-3.工程應力-應變圖[3]. 3.1.2真實應力-應變(True Stress-Strain)[4][6] 然而真實狀況下，實驗中所得到負載-變形量曲線，要轉成工程應力-應變，發現如圖3-2通過P點比例限塑性變形產生，式(3-1)在真實狀態下應力增加，雖然試片體積不變，但幾何形狀的截面積一直在縮減，因此必須修正方程式，真實應力(True Stress，σ T )式(3-4)。而工程應變以線性方式計算，但真實上試片會越拉越長，因此必須修正非線性部份，真實應變(True Strain， ε T ) 式(8)[4][26]。. σT = εT = ∑. P (ε + 1) = σ (ε + 1) A. (3-4). L1 − L0 L2 − L1 L3 − L2 + + + KK L0 L1 L2. (3-5). ⇒ εT = ∫. L. L0. dL L = ln = ln(ε + 1) L L0. 20. (3-6).

(40) 3.1.3指數定律方程式(Power Law Equation)[3][4][8][38] 將真實應力-應變(True Stress-Strain)曲線繪出，其趨勢性如圖3-4，此曲線也是流動曲線(Flow Curve)，它代表材料塑性流動特徵。金屬之流動曲線使用關係式Power Law方程式來描述，式(3-7)圖3-5，式中的n為應變-硬化指數 (Strain-Hardening exponent)，K為強度係數(Strength Coefficient)，分別由式(3-9) 和式(3-11)得知，圖3-5為計算應變-硬化指數取值範圍，n=0為完美塑性，n=1 為完美彈性，圖3-6。. σ T = Kε T n log σ T = log K + n log ε T n=. d (log σ ) log(σ J ) − log(σ i ) ε dσ = = d (log ε ) log(ε J ) − log(ε i ) σ dε. (3-7) (3-8) (3-9). log K = log(σ i ) − n log(ε i ). (3-10). K = 10 log K. (3-11). 圖3-4.工程應力-應變、修正塑性變形之後的真實應力-應變與修正頸縮之後的應力-應變趨勢圖[3]. 21.

(41) 圖3-5.計算應變-硬化指數取值範圍. 圖3-6.真實應力-應變之硬化指數 0 ≤. n ≥ 1 關係. 3.1.4應變率影響[4][5] 金屬材料的流變應力以外另考慮應變率。A. Nadai [28]當圓柱試片的一端固定，而另一端為可動式十字頭上面裝有荷重元件感測器(Load Cell)，十字頭 •. 上給予拉伸速率(Tensile Speed，V = dL / dt )，傳統應變率( e )它與工程應變有關，式(3-12)，傳統的應變率和拉伸速率成正比。現代的拉伸試驗中在試片上裝延伸計可測得試片被拉伸的變形量變化，與真實應變有關，真實應變率 •. e=. dε d (li − l0 ) / l0 1 dl V = = = dt dt l0 dt l0 22. (3-12).

(42) •. •. (True Strain Rate， ε )式(3-13)以下簡稱應變率( ε )。將傳統應變率與應變率之關連性，如式(3-14)。因此流變應力是隨著應變率而改變，以指數定律形式表 dε T d [ln (li / l 0 )] 1 dl i V = = dt dt l i dt l i. (3-13). V l V l dε e 1 dε ε= = 0 = = = 0 li li dt 1 + ε dt 1 + ε 1 + ε. (3-14). •. ε=. •. •. 示，式3-15，K為常數，m為應變率敏感性(Strain-rate sensitivity)，指數m是從 •. log σ T 對 log ε 圖之斜率取得，式(3-16)，應變率敏感性是由ㄧ定的應變和溫度. 影響之下造成應變率因此改變。 • m. σT = K ε ⎛ ∂ ln σ T m=⎜ • ⎜ ⎝ ∂ ln ε. •. ⎞ ⎛ ⎟ = ε ⎜ ∂σ T ⎟ σ ⎜⎝ ∂ ε• ⎠ ε ,Τ. (3-15). ⎞ ⎟ = ∆ log σ = log σ T 2 − log σ T 1 = log(σ T 2 σ T 1 ) • • • ⎟ ⎛• • ⎞ log ε 2 − log ε 1 ⎠ ε ,Τ ∆ log ε log⎜ ε 2 ε 1 ⎟ ⎝ ⎠. (3-16) 3.1.5與應變率有關的因子[5][29][36][48] 物體與物體在一瞬間的碰撞，材料的應變率會上升，因此進行銲接接合 (Wire Bonding)模擬之時，必須考慮材料應變率敏感性，而材料應變率敏感性之本構方程式有數種，本研究採用Cowper-Symonds 本構方程，它適用於理論分析與數值模擬計算， Cowper-Symonds 本構方程的原式式移項後式 •. (3-18)[36]。式(3-18)中的 ε 為應變率( S. −1. )為式(3-13)或式(3-14)， σ S 為靜態. 流動應力(Static Flow Stress)式(3-17)， σ d 為動態流動應力(Dynamic Flow Stress)，σ d 於 σ UTS ≤ σ d ≥ σ Y 之間，C和P為影響應變率的材料常數。將式(3-18). 23.

(43) 兩邊取自然對數得式(3-19)。圖3-7，高應變率時的應力-應變曲線( σ 1 )，則式 (3-20)。圖3-7，當低應變率時的應力-應變曲線( σ 2 )，則式(3-21)。式(3-20)與式(3-21)兩組不同應變率之本構方程進行聯立，式(3-22)求得C和P值，P為式 (3-23)，C為式(3-24)。式(3-22)為Cowper和Symonds兩人提出，因材料受到高應變率之負荷影響，C和P值影響應力與應變之間的關係。 σS = ⎛ σd ⎜ε =1+ ⎜ σS ⎜C •. ⎝. ⎞ ⎟ ⎟⎟ ⎠. 1 P. σ Y + σ UTS. (3-17). 2. ⎡σ ⎤ ⇒ ε = C ⎢ d − 1⎥ ⎣σ S ⎦ •. P. (3-18). • ⎛σ ⎞ ⇒ ln ε = P ln⎜⎜ d − 1⎟⎟ + ln C ⎝σS ⎠. (3-19). • ⎛σ ⎞ ⇒ ln ε 1 = P ln⎜⎜ 1d − 1⎟⎟ + ln C ⎝ σ 1S ⎠. (3-20). • ⎛σ ⎞ ⇒ ln ε 2 = P ln⎜⎜ 2 d − 1⎟⎟ + ln C ⎝ σ 2S ⎠. ⎧ • ⎞ ⎛ σ 1d − 1⎟⎟ + ln C ⎪ ln ε 1 = P ln⎜⎜ ⎪ ⎠ ⎝ σ 1S ⎨ • ⎪ln ε 2 = P ln⎛⎜ σ 2 d − 1⎞⎟ + ln C ⎟ ⎜σ ⎪⎩ ⎠ ⎝ 2S. (3-21). (3-22). •. ln ⇒P=. ε1 •. (3-23). ε2. ⎞ ⎛ σ 1d ⎜⎜ − 1⎟⎟ σ ⎠ ln ⎝ 1S ⎞ ⎛ σ 2d ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎠ ⎝ σ 1S. • ⎞ ⎛σ ln C = ln ε − P ln⎜⎜ d − 1⎟⎟ ⇒ C = exp(ln C ) ⎠ ⎝σS. 24. (3-24).

(44) 圖3-7.高應變率( σ 1 )與低應變率( σ 2 )之真實應力應變圖. 3.2材料的晶粒結構與機械性性質的關係多晶金屬(Polycrystalline Metal)在晶粒大小對硬度與強度有很大的影響，晶粒越小，材料的硬度與流變應力愈大。流變應力指拉伸試驗時某一固定應變對應應力值。因此流變應力與差排密度平方根的線性關係分別由 Hall[27] 和 Petch 兩人提出即為 Hall-Petch 方程式[7]，式(3-25)， σ 為流變. σ = σ o + Kd. −1. 2. (3-25). 應力，σ o 和 K 為常數， d 為晶粒平均直徑。而硬度與晶粒尺寸的關係也是如此式(3-26)， H 為硬度值， H o 為直線在縱軸的截距， K H 為直線斜率， d 為晶粒平均直徑。. H = Ho + KH d. −1. 2. (3-26). 3.3微小硬度試驗(Microindentation Test)[44] 微小硬度(HV)試驗中微小硬度的壓子(Indenter)，圖3-8，試驗機運作時是給予固定克重(Force，P)單位為gf，壓子(Indenter)表面積凹痕形狀( AS )單位. 25.

(45) µm 2 ，壓子的四邊行長與寬( d )， α 為四角錐的夾角136o，式(3-27)，量測試片在固定負載下，測得材料軟硬程度及反映出材料的強度。. HV = 1.000 ×10 3 × P / AS = 2.000 ×10 3 × P sin(α / 2)d12 HV = 1854.4 × P / d12. (3-27). 圖3-8.微小硬度的壓子幾何形狀[44]. 3-4.奈米壓痕試驗(Nanoindentation Test)[9][10][31][32][33][34][35] 奈米壓痕的荷重與位移關係(Indentation Load-Displacement Relation)曲線來計算機械性質，最常用的方法是紀錄壓痕的負載與卸載 (Loading and unloading)之全部週期圖3-9，在卸載(unloading)過程中，依彈性變形模式，取得最大荷重之時壓痕接觸面積與彈性模數關係。壓痕硬度 (Indentation Hardness， H IT )式(3-28)，式中 Fmax 為試片承受最大的力， AP 為荷重-位移曲線與壓頭面面積函數計算的壓頭與試片間的接觸投影面積，本研究使用 Berkovich壓頭，式(3-29)為完美無缺陷的Berkovich壓頭，其 hC 為壓頭和式接觸深度圖3-9與圖3-10，式(3-30)。. 26.

(46) H IT =. Fmax AP. (3-28). AP = 24.50 * hC2 hC = hmax −. 3 (hmax − hr ) 4. (3-29) (3-30). Tabor和Stillwell壓痕實驗觀察到，非剛性壓痕器(Non-Rigid Indenter)對負載-位移行為，以複合模數(Reduced Modulus， E r )定義式(3-31)， υ i 為壓子的蒲松比(鑽石蒲松比0.07)， E i 為壓子(鑽石)的壓模( 1.14 * 10 6 N / mm 2 ) E IT 為要測定材料的壓痕模數， υ S 為要測定材料的蒲松比，因此 E IT 可由壓痕硬度過程中的力與深度變化曲線的斜率求得，式(3-32)。1970年時Bulychev、Alekhin 和Shorshorov等人由實驗中得到圖3-9曲線， Pmax 為最大壓痕負載， hmax 為最 (1 − ν S ) (1 − ν i2 ) 1 = + Er E IT Ei 2. E IT =. 1 − (υ S ) 2 1 1 − (υ i ) 2 − Er Ei. (3-31) (3-32). 大壓痕位移， hr 為卸載後壓痕深度， S = dP / dh 是卸載之後的曲線並在曲線找出斜率便可量測得剛性(Stiffness)或彈性模數(Modulus of Elasticity)或楊氏係數(Young’s Modulus)，式(3-34)。 Er =. S=. π 2 S AP. dP 2 = Er 4 dh π. 27. (3-33). (3-34).

(47) 圖3-9.奈米壓痕硬度側試圖[31]. 圖3-10.壓痕硬度的負荷與位移關係曲線[10]. 28.

(48) 3.5數值模擬本研究進行銅導線銲接接合數值模擬，真實銲接狀況為大變形屬於非線性動態問題。美國Livemore Software Technology Corp.(LSTC)所開發商用有限元素法軟體ANSYS/LS-DYNA有限元素分析軟體，其適合求解暫態、非線性大變形、接觸非線性、ㄧ瞬間爆炸等問題。針對本研究內容使用. ANSYS/LS-DYNA軟體進行求解非線性問題與探討。. 3.5.1 LS-DYNA的基礎[11][13][14][48][49]. LS-DYNA原理為直接積分-顯式法(Explicit Method)，顯式法的區分如圖 3-11，隱式法(Implicit Method)與顯式法(Explicit Method)兩種算法皆可採用。本研究採用LS-DYNA顯示積分法求解計算。顯式法在空間上用有限元素法表現、時間方面以有限差分法 (Finite Difference Method) 表示以及時域 (Time. Duration)以中心差分法(Central Difference Method)來處理各時間物理量。. 圖3-11.隱式法(Implicit Method)與顯式法(Explicit Method)之工程問題區分[48]. 29.

(49) 中心差分法(Central Difference Method)將時間 t 為物理量求得加速度式 ••. (3-35)， U t 在某一時間 t 的加速度，M為質量的慣性矩(Inertia Effect of Mass)， Ft ext 同一時間上在物體上的外力， Ft int 同一時間上在物體間的內力，. Ft int 表示為式 (3-36) ，式中 F hg 為沙漏現象抵抗力 (Hourglass Resistance Force) ，. F contact. 為接觸力，經中央差分法得知半時間步長 (Half Time. Step) ∆t / 2 ，的速度和位移為(3-37)和(3-38)，其中 ∆t t + ∆t / 2 = 0.5(∆t t + ∆t t + ∆t ) 和 ∆t t −∆t / 2 = 0.5(∆t t − ∆t t + ∆t ) 加至初始幾何形狀 X 0 (Initial Geometry)，式(3-39). [. ]({ } { }). ⎡ •• ⎤ −1 Ft ext − Ft int ⎢⎣U t ⎥⎦ = M. Ft int = ∑. (∫. Ω. (3-35). ). B T σ n dΩ + F hg + F contact. (3-36). ⎧• ⎫⎧ • ⎫ ⎧ •• ⎫ ⎨U t + ∆t / 2 ⎬⎨U t − ∆t / 2 ⎬ + ⎨U t ⎬∆t t ⎩ ⎭⎩ ⎭ ⎩ ⎭. (3-37). ⎧• {U t + ∆t } = {U t } + ⎨U t + ∆t / 2 ⎫⎬∆t t + ∆t / 2 ⎩ ⎭. (3-38). {xt + ∆t } = {x0 } + {ut + ∆t }. (3-39). ，可得到變形之後幾何形狀，得到的位移即可計算應力 σ t + ∆t 與內力的值，因此經時間變化 t + ∆t 、 ∆t + ∆t1 、 ∆t1 + ∆t 2 、 ∆t2 + ∆t3 …等進行每一時間步長計算為顯示法(Explicit Method)整個過程。顯示法的優點不需求出K(剛性矩陣)反矩陣，可直接求出元素上節點的加速度或位移，不必同時求解聯立方程式組，避免非線性的疊代發散問題。但是顯示法的中心差分法部份是有條件穩定(Conditionally Stable)，在中心差分法(Central Difference Method)中，將整個有持續作用的時域切割小”最小時間. 30.

(50) 步長”(Time Step， ∆t min )式(3-40)，其中0.9為比例因子，桿件(Rod)的 lmin 為最小元素的邊長，也就是說電腦自行偵測到最小元素如圖3-12，中的 l 2 ， C 為波傳遞速度(Wave Propagation Velocity)式(3-41)， lmin 和 C 兩者隨不同元素尺寸與機械性質不同皆會影響，式(3-42)。時間步長(Time Step， ∆t )必須劃分很小必須小於臨界時間步長(Critical Time Step， ∆t critical )，式(3-36)，否則容易產生不穩定解，最大自然頻率 ω max = 2 C l. 。 min. ∆t min = 0.9 lmin C=. (3-40). C. E. (3-41). ρ. ∆t min = ∆t critical = 2. ω max. 圖3-12 .不同元素尺寸大小[48]. 31. (3-42).

(51) 第四章材料實驗研究方法與結果討論本研究分兩階段：實驗與數值模擬。實驗部份：拉伸試驗、硬度試驗，其目的是得到在不同退火溫度下的線材、熱影區線段、球體等部份機械性質。數值模擬部份：將機械性質代入有限元素法軟體 ANSYS/LS-DYNA，模擬銅球鍵結於鋁墊(Al-Cu Pad)時造成銲墊被推擠現象並加以探討。本研究之流程圖，圖 4-1。. 抽線後的金導線和銅導線導線常溫25℃、退火處理 125℃與200℃1小時. 電子燒球. 二次燒球. 導線. 形成球狀. 拉伸試驗. 硬度試驗. 機械性質分析 LS-DYNA 銅導線接合數值模擬討論與結論圖 4-1、研究流程圖. 32.

(52) 研究過程中用兩種不同方式來達到機械性質強度降低，方法為：一、一次電子燒球 (Primary Electronic Flame Off) 與二次電子燒球 (Secondary. Electronic Flame Off)狀態下性質比較，並且使用微小硬度與奈米硬度證明性質變化；另一方法，經退火處理的試片與常溫之下的兩種狀態試片，實驗與分析比較。經電子燒球後的熱影響區進行相關實驗。實驗所得材料性質代入數值模擬中。. 4.1 實驗材料本實驗使用線材為抽線後 ( 製造完成的線材並用線軸包裝後的線材 ) 的. Nippon Micrometal corporation 金線線徑 1mil(1mil=25 µm )純度 4N，及深抽後的 K & S 銅線線徑 1mil 純度 4N。. 4.2 銲線退火處理熱處理方式，將銲線放入加熱箱中，在加熱之前先抽真空，抽真空器關掉，開始升溫至 125℃或 200℃持溫 1 小時，同時充氮氣，避免銅線氧化而影響性質，持溫 1 小時之後降溫，降溫方式採用爐冷(爐蓋開啟小縫)，其冷卻速率很慢，目的是為了得到軟化的組織。將 25℃、125℃、200℃不同條件的金線與銅線備用。. 4.3 電子燒球(Electronic Flame Off，EFO) Kulicke & Soffa(K&S)公司出品熱音波銲接機 1484 型，圖 2-1，金線與銅線做電子燒球(EFO)。金線採用高電流低電壓燒球，而銅線採用低電流高電壓燒球。本實驗有進行ㄧ次燒球 (Primary Electronic Flame Off) 與二次燒球. (Secondary Primary Electronic Flame Off)，一次燒球目的是為了得到熱影響區 (HAZ)的性質，由於銅銲接時容易造成銲墊推擠現象嚴重至破壞銲墊下面的結構，經二次燒球其目的是降低材料強度，對銲接時降低銲墊推擠現象。目前. 33.

(53) 銲線機尚未有自動二次電子點火功能，因此採用手動電子點火兩次，兩次電子點火的時間間隔約 0.5 秒，並且在電子燒球的一瞬間，所呈現的火花必須是藍色火花，由於無塵室的溫度約 20℃，在進行二次燒球之時，如圖 4-2，控制銲接區域的環境溫度約 70~85℃，其目的是降低淬火效應。銅球經電子點火後，高溫容易造成球表面的氧化也影響真圓度，因此在銲接區域充氮氣，以抗氧化。. 圖 4-2.銲接過程內部機制中控制環境條件. 4.4 拉伸試驗(Tensile Test) 4.4.1 實驗儀器準備實驗設備為 INSTRON-3365 型萬用拉伸試驗機，採用線性馬達驅動，若做儀器校正或拉伸速率更正等相關功能調整操作，可藉個人電腦做介面，荷重感測元件(Load Cell)為 5N。本實驗使用拉伸試驗功能其規格表，如表 4-1。. 34.

(54) 表 4-1. INSTRON-3365 萬用試驗機規格表. INSTRON-3365 規格表 Load capacity Maximum Speed Minimum Speed Maximum Force at Full Speed Maximum Speed at Full Load Data Transfer Rate Load Range Speed Accuracy. 5KN 1000mm/min 0.01mm/min 5KN 1000mm/min 100Hz 100:1 and +/10.5% +/-0.2%. 4.4.2 試片製作拉伸試驗的線材型態有：金線常溫(25)℃與退火處理 125℃、200℃；金線常溫 25℃與退火處理 125℃、200℃三種條件的線材，進行ㄧ次與二次的電子燒球；銅線常溫(25)℃與退火處理 125℃、200℃；銅線常溫 25℃與退火處理 125℃、200℃三種條件的線材進行ㄧ次與二次的電子燒球。線材的線徑. 1mil(1mil=25 µm )約人的毛髮 1/4 倍，將極細的試片上夾具時，夾具易將試片造成刮傷或應力集中，而應力集中容易發生在夾具的範圍，因此試片容易斷裂在夾具尾端，圖 4-3，這將影響實驗所測得的性質不準確。因此將線材型式的試片在上夾具之前，在線材上用 Loctite 480 黑膠黏著於 1×1cm 的方格紙上，如圖 4-4(a)，Loctite 480 黑膠包覆線材待 1 小時以上，確保黑膠乾至硬化，. 圖 4-3. 夾具範圍造成試片易斷裂在夾具尾端. 35.

(55) 硬化的黑膠硬度相當高可保護線材，而用方格紙是為了讓試片方便固定在夾具上，另一目的降低夾具對試片的應力集中而造成斷裂於夾具附近，圖. 4-4(b)，對拉伸試驗誤差率降低。線材與電子燒球後兩種形態的試片進行拉伸試驗，分別為圖 4-5(a)(b)，圖 4-6 為針對拉球試驗用夾具設計，而拉球試驗目的是取得熱影響區的性質。. 1cm. 圖 4-4.試片黏著於方格紙(a). 圖 4-4. 試片夾持受力(b). 圖 4-5. 線材拉伸試驗(a)、球狀拉球試驗(b). 圖 4-6. 拉球試驗夾具[50]. 36.