ASE Confidential / Security-C
國立高雄大學 電機工程學系(研究所)
碩士論文
傳統堆疊式封裝元件注膠孔之最佳化設計與模流分析
The Optimization Design and Numerical Simulation of
Mold Flow in TRD POP Packaging
研究生:莊登舜
指導教授:施明昌
傳統堆疊式封裝元件注膠孔
傳統堆疊式封裝元件注膠孔
傳統堆疊式封裝元件注膠孔
傳統堆疊式封裝元件注膠孔之
之
之
之最佳化設計與模流分析
最佳化設計與模流分析
最佳化設計與模流分析
最佳化設計與模流分析
指導教授:施明昌博士 國立高雄大學電機工程所 學生:莊登舜 國立高雄大學電機工程所 摘要 堆疊式封裝元件( POP)是一種目前成本最低的3D封裝解決方案，可以利用其開發 新的元件外形、整合更多的半導體，並通過由堆疊帶來的封裝體積優勢保持甚至 減少母板的尺寸。而為了增加更多腳數以及減少溢膠至球墊所造成的良率損失， 因此業界開發出上中心注膠(TOP CENTER GATE)的方式，不過此舉卻也帶來了 封膠後剝膠所造成的注膠口突出或崩裂過深的缺點，注膠口突出可能會造成堆疊 在上的產品翹曲，導致錫球無法與球墊接合，甚至是產品受力不均龜裂，而注膠 口崩裂則會造成露晶片，兩種缺點都會引發產品失效。 本研究係針對傳統堆疊式封裝元件在使用上中心注膠封裝模式封裝後所造成的注 膠口突出或崩裂過深之生成原因研究及改善，使用參數、材料以及模具互相搭配， 探討出最佳剝膠控制參數，另外也利用Moldex 3D模流分析軟體建立有限體積固 體模型，分析上注膠形式封裝中的中心孔注膠及角落孔注膠對封裝充填過程之間， 對模流流動的差異與沖線偏移之影響，探討更改注膠口位置之設計是否會帶來其 他影響。並使用轉移成型封膠機(TRANSFER-MOLD)實際實驗並量測數據互相比 較，驗證注膠孔之最佳化設計。 關鍵字 關鍵字關鍵字
關鍵字：：：上注膠：上注膠上注膠(TOP GATE)、上注膠 、、、堆疊封裝堆疊封裝(POP)、堆疊封裝堆疊封裝 、、、沖線偏移沖線偏移沖線偏移沖線偏移(WIRE SWEEP)、、、、
模流 模流 模流
The Optimization Design and Numerical Simulation of
Mold Flow in TRD POP Packaging
Advisor(s):Dr.(Professor)MING-CHANG SHIN Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung
Student: TENG-SHUEN CHUANG Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung
ABSTRACT
The package on package (POP) is a lowest-cost 3D packaging solutions, it can be applied to integrated more package components within a short time , it also can reduce a staked package with smaller size of the substrate. In order to increase the number of output I/O without the excess of molding material, a central dispensing (TOP CENTER GATE) injection molding has been developed. However, the center gate injection molding leaves a problem of residual sealing molding compound which may cause warping on the top surface of the molded package and lead to the gap between solder balls. In this study, parameters such as molding compound materials, die sizes, and skiving control of molding were investigated to improve the issues of dispensing opening or protruding. In addition, a numerical simulation using a mold flow analysis software Moldex was performed to analyze the difference dispensing package by using a central hole and by different locations such as corner injection approaches of the dispensing package between dispensing hole filling process.
誌謝
首先感謝指導教授施明昌老師，在研究所兩年期間生活與課業上的指導，以 及論文方面給我細心指導與意見指教，另外感謝口試委員藍文厚教授與李孟恩教 授於論文口試期間給予指正與建議，提供論文方面寶貴意見，使本文更臻完善。 感謝我所任職之日月光半導體製造股份有限公司設備整合處黃富星處長與 羅光揚副理的鼓勵與建議,並提供實驗器材與試片，且在研究過程中給予相關知 識及指導，使本論文能順利完成，特別表達誠摯謝意。也感謝賴晉圓工程師及林 志隆主任，蔡俊源主任，產線工程師村維、詠喬、智程及辦公室的同仁給予鼓勵 與幫忙提供資料與相關經驗參考，讓我受益良多。 感謝班上同學奕銘、昇峰、惠玲、虹如、玉婷、育銓、義豪，傳暐等，也感 謝琬淇跟瓊萱兩位助教，在這兩年期間總是不厭其煩的叮嚀，熱心的幫忙，提供 經驗及安排大大小小事務，使我在高雄大學的研究生生活更多采多姿。最後我要 感謝我的家人及太太、女兒對我的照顧與支持體諒，還有在我身心俱疲時的鼓勵， 使我無後顧之憂，順利的完成學業，這一路走來要感謝的人很多，我相信在高雄 大學求學的階段以及所學習到的知識，將會對我的未來職場有極大的幫助,也是 我人生中最難忘的一段時光。 莊登舜謹誌于 國立高雄大學電機工程所 中華民國一百零五年六月目錄
摘要... ii ABSTRACT ... iii 誌謝... iv 目錄... v 表目錄... vii 圖目錄... viii 第一章緒論... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機 ... 3 1.3 文獻回顧 ... 6 第二章半導體封裝介紹... 7 2.1 電子封裝簡介 ... 7 2.2 轉移成型(Transfer Molding) ... 8 2.3 沖線偏移分析 ... 11 2.4 沖線偏移量的定義 ... 13 2.5 堆疊式封裝設計原理介紹 ... 14 第三章膠體封裝模流分析... 23 3.1 模流分析原理 ... 23 3.1.1 連續方程式（Continuity Equation） ... 23 3.1.2 動量方程式（Momentum Equation） ... 23 3.1.3 能量方程式（Energy Equation） ... 23 3.1.4 硬化反應方程式（Kinetics Equation） ... 24 3.1.5 黏滯方程式（Viscosity Equation） ... 24 3.2 模流分析的類型 ... 26 3.2.1 充填分析 ... 263.2.2 冷卻分析 ... 31 3.2.3 保壓分析 ... 32 3.2.4 收縮翹曲變形分析 ... 34 3.3 電子構裝模流分析 ... 35 3.4 Moldex 3D 軟體模擬方法 ... 36 3.5 Moldex 3D 模擬分析基本假設 ... 36 第四章實驗方法與步驟... 38 4.1 實驗材料與儀器介紹 ... 38 4.1.1 材料 ... 38 4.1.2 儀器設備 ... 40 4.1.3 模具設計介紹 ... 42 4.1.4 產品設計 ... 44 4.2 實驗方法 ... 45 4.3 膠餅實驗 ... 45 4.4 開模速度實驗 ... 47 4.5 模具注膠口實驗 ... 48 4.6 最佳參數組合實驗 ... 49 4.7 模流實驗 ... 55 4.7.1 上中心注膠模流分析 ... 57 4.7.2 上角落注膠模流分析 ... 59 第五章結論與未來展望... 66
表目錄
表 1 JEDEC JC-11 對 PoP 設計和機械結構的標準化 ... 19 表 2 材料流動比 ... 27 表 3 材料有效壓力 ... 27 表 4.1 膠餅數據表 ... 39 表 4.2 注膠口尺寸對應表 ... 43 表 4.3 產品結構尺寸對應表 ... 44 表 4.4 不同膠餅封膠結論表 ... 46 表 4.4 馬達脈波速度對應距離 ... 47 表 4.5 開模速度實驗結論表 ... 47 表 4.6 注膠口尺寸對應突出及崩裂 ... 49 表 4.7 田口實驗-崩裂 ... 50 表 4.8 田口實驗-突出 ... 50 表 4.9 最佳參數實驗結果 ... 52 表 4.10 產品相關尺寸對照表 ... 55 表 4.11 角落注膠實驗數據 ... 63圖目錄
圖 1.1 電子元件常用之封裝形式(半導體構裝製程簡介何宗漢國立高雄 應用科技大學化學工程與材料工程系) ... 2 圖 1.2 側注膠與上注膠產品... 3 圖 1.3 注膠口剝離後過深露出晶片及突出示意圖 ... 4 圖 1.4 注膠口剝離後過深露出晶片 ... 4 圖 1.5 注膠口剝離後突出 ... 5 圖 2.1 構裝基本構造圖(電子構裝技術介紹邱進連 12/03/2008) ... 7 圖 2.2 上注膠轉移成型設備 ... 9 圖 2.3 (a) 壓注前示意圖(b)壓注中流道示意圖 ... 10 (c)壓注中注膠示意圖(d)壓注完成示意圖 ... 10 圖 2.4 模流對缺口處沖擊，易造成偏移，如圖中 1 及 2 的位置。 ... 11 圖 2.5 沖線現象示意圖。 ... 12 圖 2.6 金線偏移分析流程圖 ... 12 圖 2.7 金線外型圖 ... 13 圖 2.8 沖線偏移示意圖 ... 14 圖 2.9 沖線值量測 ... 14 圖 2.10 封裝疊層(POP)橫截面。 ... 15 圖 2.11 封裝的橫截面圖示。... 17 圖 2.12 封裝互連橫截面圖 ... 17 圖 2.13 橫截面圖(上)和頂視圖(下)。 ... 19 圖 2.14(a)FBGA 或 SCSP 應用而最佳化的邏輯晶片。 ... 21 (b)的高密度應用。 ... 21 圖 2.15 作為線長和線徑函數的黃金線 ... 22 圖 3.1 模流分析工作 ... 26 圖 3.2 充填分析 ... 26 圖 3.3 流動比 ... 29 圖 3.4 冷卻分析 ... 31 圖 3.5 保壓分析 ... 32 圖 3.6 壓注壓力關係圖 ... 33 圖 3.7 影響壓注壓力之因素 ... 33 圖 3.8 收縮翹曲變型分析 ... 34 圖 4.1 TRDPOP BGA 12x12 基板 ... 38 圖 4.2 膠餅示意圖 ... 38 圖 4.3 上注膠封膠設備 ... 40 圖 4.4 模具示意圖 ... 41 圖 4.5 上中心注膠示意圖 ... 42圖 4.6 注膠口尺寸示意圖 ... 43 圖 4.7 產品結構示意圖 ... 44 圖 4.8 膠餅加熱後鍵結情況... 45 圖 4.9 機台參數設定 ... 48 圖 4.10 0.33mm 注膠口剝膠示意圖 ... 49 圖 4.11 0.35~0.45mm 注膠口剝膠示意圖 ... 49 圖 4.12 崩裂最佳參數 ... 51 圖 4.13 突出最佳參數 ... 51 圖 4.14 參數實驗結果 ... 52 圖 4.15 切面高倍顯微鏡圖 ... 53 圖 4.16 膠餅材料分子示意圖 ... 54 圖 4.17 上中心注膠口與上角落注膠口示意圖 ... 54 圖 4.18 膠餅黏滯係數(Viscosity) ... 55 圖 4.19 膠餅固化轉換率(Curing Kinetics) ... 56 圖 4.20 上中心注膠模擬 ... 57 圖 4.21 20%~100% 封膠模擬示意圖 ... 57 圖 4.22 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 ... 58 圖 4.23 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 ... 58 圖 4.24 角落注膠之模擬注膠口位置 ... 59 圖 4.25 上角落 1 注膠模擬 ... 59 圖 4.26 20%~100% 封膠模擬示意圖 ... 60 圖 4.27 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 ... 60 圖 4.28 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 ... 61 圖 4.29 上角落 2 注膠模擬 ... 61 圖 4.30 20%~100% 封膠模擬示意圖 ... 62 圖 4.31 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 ... 62 圖 4.32 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 ... 63 圖 4.33 角落注膠成型圖 ... 64 圖 4.34 角落注膠口放大圖 ... 64 圖 4.35 角落注膠沖線值 ... 65 圖 5.1 上產品堆疊後間隙示意圖 ... 66 圖 5.2 SEM 實拍堆疊後間隙 ... 67
第一章緒論
1.1前言
在各種電子產品功能越來越強大，但體積需求相對越做越小的情況下，許多 元件的功能被要求要整合封裝在一起或是單一顆IC內，也使得半導體產業的封裝 技術不斷持續的在變化與進步，如圖1.1，一般常見的電子元件包含積體電路產 品如邏輯IC（Logic IC）、隨機存取記憶體（Random-Access Memory）、特殊用 途用IC（ASIC）、光電元件（Electronic OpticalDevice）與微機電元件
（Micro-Electronic-Mechanical System）等。而這些電子元件均需經封裝以連接電 訊的傳輸與攜帶的方便性，並增加其抵抗外在負載的能力。因此對於不同用途的 電子元件將有不同型態的封裝形式來達成以上的功能。例如電腦的CPU 最常使
用的封裝型態為插針網格陣列 (PGA，Pin Grid Array)或覆晶(FlipChip)；對於記
憶體(DRAM)較常見的有薄型小尺寸封裝(TSOP，Thin-Small-Outline Package)型 式與未來較具有潛力的微形球柵陣列(µBGA，Micro Ball Grid Array)；而對於繪 圖晶片則常見的是方型扁平式封裝(QFP，Quad Flat Package)或是球柵陣列封裝 (BGA，Ball Grid Array)型態的封裝方式。除此之外，光電元件如光收發模組 （Optical Transceiver Module）、影像感測元件(CMOS imagesensor)與微機電元件
常用的封裝模式則為導線架（Leadframe）型態的雙列直插封裝(DIP，DualInline
Package)或是小尺寸封裝(SOP，Small Outline Package)等，由此可以瞭解目前一 般電子元件較常用的封裝技術包含有面積陣列型態（Area Array）與導線架型態 的封裝。
圖 1.1 電子元件常用之封裝形式(半導體構裝製程簡介何宗漢國立高雄應用科技 大學化學工程與材料工程系)
1.2研究動機 當電子構裝朝高容量、高密度及輕巧化的方向發展，要在更小的體積內滿足 更多的功能需求及增加更多腳數，且金線的間距更小，沖線對產品不良率的影 響顯得更重要。沖線是封裝常見的問題，除了會影響產品的壽命外，亦會對產品 品質有重大影響。沖線問題在封裝的尺寸變小時更突顯出來，由於產品變薄，使 得塑料的阻力變大，相對之下成型壓力也會變大，導致構裝產生沖線偏移及溢膠 等問題的可能性變大，如何將偏移量控制在可以接受的範圍之下，又可以兼顧小 且薄的需求，並且使產品的品質提昇，是重要的課題。傳統堆疊式封裝元件(TRD POP)就是一典型的例子，除了體積為了因應堆疊的需求縮小變薄以外，為了節 省基板的排版利用率，增加球矩陣排列，改善溢膠，而將原本的側注膠流道設計 取消改成上注膠，降低沖線偏移的現象，如圖1.2，因此雖然增加了產出及腳數， 可是卻也因為注膠孔的位置而引發出注膠孔剝離後突出或崩裂過深露出晶片的 問題，如圖1.3，本研究目的是在使用實驗設計找出最佳作業參數，經過實際測 試後確認是否可以有效解決問題，進而利用Moldex3D模流分析軟體，模擬充填 過程中的模流狀態，了解塑料在模具中的流動情形，預測金線在充填完成後所產 生的偏移量，並且與實際量測值做比較，藉由改變不同注膠孔位置設計，在不影 響沖線的情況下，改善注膠口剝離後突出或過深露出晶片的問題，如圖1.4、1.5， 並找出最佳的注膠設計。 圖 1.2 側注膠與上注膠產品
圖 1.3 注膠口剝離後過深露出晶片及突出示意圖
1.3文獻回顧 電子構裝充填過程中，影響沖線的因素很多，包括製程參數、金線與構裝體 的幾何形狀等，實驗量測及不同模擬方法，以及高分子材料等等，文獻有相當多 的討論。Nguyen與Lim[1]探討不同流速、模穴的幾何形狀、金線形狀對金線偏移 的影響。Han和Wang[2]將金線偏移區分成全域流場分析、局部流場分析、金線 偏移分析三大步驟，應用數值分析方法計算金線在流場中受力情形，並探討比較 不同方式計算出金線的偏移量與實驗值的差異。Han 和Wang[3]曾對一模多穴的 封裝進行模流分析，並分別探討不同的模穴厚度、充填時間、模穴溫度對金線偏 移的影響，並與實驗值做比較。Tay與Wu[4]等人運用邊界積分法與三維的金線 模型做金線偏移分析，探討固化時間與雷諾數對金線偏移的影響。Yang 與 Jiang[5]等人探討在PBGA 構裝體的外形增加輔助流道的設計對金線偏移與翹曲 量的影響。Tay與Lee[6]等人應用CFD 模擬改變BGA 構裝體進澆口的位置對金 線偏移的影響，模擬中考慮金線在打線製程中的殘留應力。Manzione[7]等人探 討射出壓力的設定對構裝可能產生溢膠或封裝完成膠體內部有氣孔等缺陷的影 響，並提出最適當的壓力設定方法。李[8]利用C-MOLD 模流分析軟體對 TSOP-LOC 構裝做模流分析，並以模流平衡為品質特性探討波前差異的面積比 例，用田口分析找出各個製程參數影響程度。張[9]3D 模型模擬塑料的充填流動 行為，並探討其不同的模擬方法對金線偏移的影響，並與實驗量測做比較。曾[10] 應用模流分析軟體Moldex 3D模擬塑料在模穴中的充填情形，再利用有限體積分 析軟體ANSYS 來分析金線的偏移量，並利用田口分析找出不同金線模型的最佳 製程參數。
第二章半導體封裝介紹
2.1電子封裝簡介 所謂電子封裝是指以塑膠或陶瓷等高分子材料來做保護一個到多個積體電 路晶片的外殼，晶片透過接點用金線連接到接腳上，而這些接腳又通過印刷電路 板上的插槽與其他電器元件作相連接，如圖2.1所示。在現今晶片速度(chip speed) 越來越快，線路密度越來越高，包裝腳數愈多，以及體積越來越小的情況下，電 子構裝產品在封裝充填過程中由於塑料本身具有黏度與射速，所以金線在充填過 程中受到塑料的拖曳而產生的沖線等缺陷更顯的重要。一般而言要使沖線值減小， 不外乎改變充填的塑料、模具的設計、製程參數等，藉由不斷的試誤找出其解決 方法，但是這往往必須花費大量的金錢和時間，因此若能用電腦來模擬分析充填 過程，進而計算出金線受拖曳力所產生的偏移量，便可節省許多成本。 圖 2.1 構裝基本構造圖(電子構裝技術介紹邱進連 12/03/2008) 構裝所使用的塑料在充填過程會產生金線偏移的缺陷，是一大需要克服的課題。 電子構裝產品具有安裝、固定、密封、保護晶片及增強電熱性能等方面的作用， 晶片的封裝技術已經歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA 到CSP 再 到Flip Chip。構裝的目的就是在如何有效並可靠地將晶片封裝起來，所以構裝材 料應俱備有較高熱傳導係數與耐熱性，使構裝體的散熱能力佳且避免因熱而 造成元件破裂。2.2轉移成型(Transfer Molding) 一般電子構裝通常利用轉移成型進行晶片與基板之封。轉移成型的方法具有 生產速度高、低原料耗損、低設備維護費用等優點，如圖2.2所示為轉移成型的 設備，其製程是將已完成晶片黏結與打線的基板放置於鑄模機可加熱的模穴 (Cavity)中，利用擠膠桿(Plunger)將預熱軟化的塑料經閘口(Gate)與流道(Runner) 壓入模穴後，進行175℃，1至2分鐘的固化處理使產生硬化反應；成品以頂出桿 (Ejector Pins)推出後，施予2至4小時，175℃的熱處理使塑料完全硬化，成型後即 可得到塑膠構裝元件，封裝過程如圖2.3 (a)、(b)、(c)、(d)所示。在充填鑄模原料 的過程中，擠膠桿射出壓力與塑料流動速度為製程控制的關鍵，過與不及均會使 晶片與基板之間的金線發生沖線偏移而造成短路的現象。因此在塑料填充時，擠 膠桿壓注的速度控制極為重要，速度太慢會使塑料在進入模穴前即呈烘烤硬化的 狀態，使得黏滯性大增容易導致金線偏移；速度太快則原料進入模穴的動量過大 而將使金線偏移發生。在模穴填入約90至95%的塑料時則進入保壓階段，保壓時 塑料逐漸硬化，密度隨之提高，在此一階段若壓力不足則原料將在閘口附近凝固 而無法進入模穴完成密封；壓力過大則將使硬化的原料流動過快而產生推擠金線 造成偏移或是溢料的缺陷產生。故自塑料的黏滯性與硬化性、基板與晶片連接打 線的設計(包括金線形狀、長度、連接方式等)、以至於鑄模製程條件的控制等均 與電子構裝的成敗息息相關。
圖 2.3 (a) 壓注前示意圖(b)壓注中流道示意圖 (c)壓注中注膠示意圖(d)壓注完成示意圖 (a) (b) (c) (d)
2.3沖線偏移分析 在電子構裝產品中，晶片是經由金、銅線將訊號傳遞到導線架或基板上面， 再從導線架經由導腳或是基板透過錫球將訊號傳至電路板上。然而在封裝的過程 中，金、銅線可能會因為分佈不均勻，造成缺口時，則模流對缺口處第一，二條 線沖擊，如圖2.4 所示，易造成短路現象(Wire shot)，或是受到塑膠流動拖曳 力的影響，而產生沖線的現象，如圖2.5所示。當金線偏移量太大時則可能會導 致因兩金線接觸而產生短路問題，或是金、銅線斷裂等問題。 圖 2.4 模流對缺口處沖擊，易造成偏移，如圖中 1 及 2 的位置。
圖 2.5 沖線現象示意圖。 一般而言，在電腦輔助分析軟體中，分析金線偏移的步驟可分為下列三個部 份，如圖 2.6所示: 流場分析計算金線的拖曳力計算金線的偏移量 圖 2.6 金線偏移分析流程圖 先利用反應注塑成型來求得環氧樹脂在IC 封裝的製程的流動情形，並且由 結果可得知在模穴內各個節點的速度、壓力及溫度的分佈情形，再經由金線附近 的流場資訊來計算再充填時金線所受的拖曳力，由拖曳力再利用數值解的方式來 求的金線的偏移量。在分析金線偏移時，金線的外型使用Moldex 3D內建模型來 全域流場分析 Global-Flow Analysis 局部流場分析 Local-Flow Analysis Numerical Analysis 金線偏移分析 Wire-Deformation Calculation Numerical Calculation
分析，其模型是利用〝spline〞通過金線的起點跟終點以及最高點來決定的其六 個主要的點，如圖2.7所示： 圖 2.7 金線外型圖 Xe：金線長度 Zh：金線弧高 Ze：基板或導線架厚度 d ：1/5 Xe∼1/4 Xe 2.4沖線偏移量的定義 在定義金線的偏移量除了以其偏移量來描述之外，因其偏移量通常都很 小，而且每條金線的長度也都不相同，難以用來判定其偏移量的優劣。所以通常 在描述金線偏移量會用其最大偏移量與金線的長度的百分比來當作金線偏移量 的大小。如圖2.8、2.9所示：
wire sweep (%) =δ
100%
圖 2.8 沖線偏移示意圖 圖 2.9 沖線值量測 2.5 堆疊式封裝設計原理介紹 堆疊式封裝元件(POP)設計相當複雜，必須滿足與各種系統和設備相關的設 計折衷要求，最終要在產品成本、尺寸、性能和上市時間要求方面取得最佳平衡 點。由於堆疊式封裝元件可充分利用適合組合記憶體件的現有設計與裝配基礎架 構，因此隨著行動多媒體產品的普及以及它們對更高數位訊號處理、具有更高儲 存容量和靈活性的新型儲存架構的迫切需求，堆疊式封裝元件應用正快速成長。在整合複雜邏輯和記憶體方面，堆疊式封裝元件是一種成本最低的 3D 封裝 解決方案。系統設計師可以利用堆疊式封裝元件開發新的元件外形、整合更多的 半導體，並通過由堆疊帶來的封裝體積優勢保持甚至減少母板的尺寸。 堆疊式封裝元件封裝的主要作用是在底層(基礎)封裝中整合高密度的數位 或混合訊號邏輯元件，在頂層(堆疊的)封裝中整合高密度或組合記憶體。因此通 常會看到在如圖 2.10 所示的頂層封裝中使用晶片堆疊技術。 圖 2.10 封裝疊層(POP)橫截面。 既然具有成本效益、微型化的邏輯+記憶體整合是採納堆疊式封裝元件的推 動力，那麼理解影響尺寸和安裝高度的設計規則就是設計流程中關鍵的第一步。 對於新的基頻元件或應用處理器來說，目前的堆疊式封裝元件應用代表了技術領 先或高性能的行動多媒體產品。針對傳統線打線裝配技術而設計元件採用的是標 準精細間距 BGA(FBGA，Fine-Pitch Ball Grid Array)或堆疊芯片尺寸封裝(SCSP，
Stacked Chip Scale Package)封裝，因此需要採用在線打線底層封裝上可堆疊甚薄
裝的 BGA 封裝堆疊構造可降低整體堆疊高度，並能充分利用現有的裝配技術和 新興的表面黏著技術(SMT，Surface-mount technology
)
堆疊技術。 在行動電話中使用的第一個堆疊式封裝元件是在代工廠商、邏輯和記憶體供 應商的通力合作下開發完成的，它解決了影響高密度邏輯+記憶體整合的複雜技 術和邏輯問題。由於代工廠商的最終產品組件中的封裝堆疊技術成功解決了高密 度整合問題，因此堆疊式封裝元件可提供最佳的成本，並消除堆疊晶片裝配和測 試元件流程中固有的良率下降、測試複雜性和冗餘堆疊問題。由於代工廠商擁有 封裝堆疊製程，而堆疊式封裝元件又允許他們目前的邏輯和元件供應商使用其現 有的裝配/測試基礎架構和流程，因此代工廠商可最佳化他們的成本，保證來源 的靈活。 接下來說明堆疊式封裝元件尺寸和要求，通過高度整合達到微型化是堆疊式 封裝元件受歡迎的關鍵原因。影響堆疊式封裝元件尺寸標準(X 和 Y 面積消耗) 的主要因素有： 1.邏輯元件的最大晶片尺寸； 2.支援邏輯 I/O、電源和接地導線所需的接線總數； 3.為了給頂層記憶體模組提供全部 I/O、電源、地和機械支撐角球所需的頂層記 憶體介面外形尺寸； 4.為了支援整合邏輯+記憶體架構所要求的高佈線密度和交叉網路，底層封裝和 相關面積所需的總焊球數。 5.基於被整合元件的晶片尺寸，頂層記憶體模組可支援的最小封裝尺寸。新的堆 疊式封裝元件設計中需要最先最佳化的計畫是堆疊設計機械要求。頂層和底層元 件必須能夠抵抗住高溫無鉛回流焊造成的堆疊空隙和扭曲影響，在整個底層和頂 層焊球介面上提供良好的焊接完整性，因而獲得高的表面安裝技術(SMT)裝配良 率。堆疊設計需要考慮的主要方面有： 1.模具高度，如圖 2.11 所示，A:晶片厚度、B:低弧弧高、C:基板厚度 D:高弧弧 高，為底層封裝模具高度需要考慮的關鍵尺寸。 圖 2.11 封裝的橫截面圖示。 2.互連焊球尺寸和間距，如圖 2.12。 圖 2.12 封裝互連橫截面圖
3.相關的頂層和底層焊盤尺寸 4.頂層和底層封裝在整個空間和回流焊溫度範圍內的扭曲特性。 為了盡可能降低模具高度，必須對圖 2.11 所示的下列技術進行評估和最佳化： (1).先進的晶圓削薄製程(圖 2.11 中的 A)。大批量邏輯元件目前都是用 300mm 晶 圓製造，而針對堆疊晶片應用的晶片厚度現已降到 50 至 100um。 (2).低環線打線(圖 2.11 中的 B)。多線打線平台目前支援最大 75um 的環高控制。 75um 環高控制對先進的邏輯元件所要求的精細間距打線來說已經是夠用了。 (3).底板厚度和層數(圖 2.11 中的 C)是影響最終堆疊厚度、高佈線密度和堆疊扭 曲控制的關鍵因素。目前帶盲孔和埋孔的四層底板在量產時使用的是 100um 厚 的電介核心和 40um 的樹脂塗覆金屬箔外層，因此對於四層底板來說總高度將達 300um。 (4).盡量減少所需環形的數量(圖 2.11 中的 D)。單環高度設計所支援的精細間距 周長線打線元件使用 0.27mm 的標稱模具蓋高。更高密度的交錯打線焊盤或堆疊 晶片設計需要二個環高。為了保證線打線和模具處理時有足夠的間隙，應採用 0.35mm 的標稱模具蓋高。POP 設計中關鍵的第二步是為頂層堆疊記憶體介面定 義所需的焊球數量、尺寸和間距設計規則。記憶體介面焊球數量取決於頂層記憶 體元件所需的記憶體、元件速度和匯流排架構。這一要求可以由終端產品設計師 根據目前和下一代記憶體架構以及邏輯核心儲存控制器所能提供的支援來決定。 開發具有強韌性和可靠性的堆疊介面需要關注一些關鍵尺寸，包括回流焊前後的 球高度、球壓扁後的形狀和最終的球間隙。通過對這些尺寸的研究，如圖 2.12， 即可開發出最佳的焊球直徑、阻焊層定義的焊盤開口和間距規則。圖 2.12 顯示 了回流焊前後不同互連焊球間距 a(0.8、0.65 和 0.5mm)下的堆疊絕緣高度(f1 和 f2)。訂定出原始的焊球直徑、頂層和底層阻焊層定義的焊盤開口規則，以此控 制 f2，同時保證回流焊前後球與球之間留有足夠的空隙(e1 和 e2)。為了滿足各 種模具蓋高度要求，我們成功地為堆疊開發和製造提供了多種成對的間距和焊球
尺寸變化組合。絕緣高度 f1 的目標值將影響堆疊良率，並取決於頂層和底層封 裝的扭曲度以及終端裝配公司的堆疊能力。圖 2.13 所示的堆疊式封裝元件尺寸 參數提供了現有堆疊式封裝元件設計以及相關設計準則的範圍並顯示了表 1 中 的一些重要尺寸。 圖 2.13 橫截面圖(上)和頂視圖(下)。 表 1JEDEC JC-11 對 PoP 設計和機械結構的標準化
這些堆疊式封裝元件標準可以幫助規劃產品發展道路，因而促進它在那些需 要利用堆疊式封裝元件好處的新應用中普及。
由於採用堆疊式封裝元件可以給高度整合的可攜式多媒體應用帶來尺寸和 費用降低等好處，因此一般要使用高密度的母板技術，而對底層封裝(到母板)上 具有典型 0.5mm BGA 間距的 I/O 數量或 I/O 密度很少有限制。用不了幾年，下 一代產品就會升級成 0.5mm 間距盤柵陣列(LGA)和 0.4mm 間距 BGA 密度。根據 大量的堆疊式封裝元件計畫收集到的經驗數據，四圈球排列應該可以滿足底層封 裝接腳輸出的 I/O 需求。 當需要更多數量的焊球時，一般會將電源和地的接腳集中在內部或中心的焊 球排上。表 1 中假設的 4 排 BGA 焊球顯示了採用大批量製造(HVM)設計規則時 不同體積所希望的 I/O 範圍。另外，本文給出的只是無孔基底封裝。基底有孔的 薄形空腔形芯片尺寸封裝(PSetCSP)構造確實提供了更矮的堆疊結構，但不提供 類似可堆疊甚薄精細間距 BGA(PSvfBGA，Package stackable very thin fine pitch
BGA)的高層 I/O 和佈線密度。因此作為底層元件的 PSetCSP 一般侷限於記憶體
加記憶體封裝堆疊。目前正針對頂層記憶體元件評估可以帶來更矮結構好處的 PSetCSP。 從以上圖表可以看出，記憶體互連(介面)球數量 B、底層邏輯裸模尺寸 D、 底層基底打線或典型的線數量以及底層封裝 BGA 球數量 C 都是影響堆疊式封裝 元件體積最小化的重要因素。最佳堆疊式封裝元件尺寸取決於佈線密度等級、基 底製造能力和元件成本/性能要求。堆疊式封裝元件被設計成四方形，因此 14mm 是指 14×14mm 的體積，要佔 196mm 平方的母板面積。 一旦選好最佳或最小的堆疊式封裝元件封裝尺寸後，工作重點將轉向封裝佈 線和具體設計。使堆疊式封裝元件封裝產品成本下降和良率改善的最佳策略是有 效利用目前底板製造中使用的大批量製造技術。影響目標實現的最重要因素無疑 是輸出接腳的最佳化。
如果考慮針對 FBGA 或堆疊晶片(即 SCSP)最佳化的邏輯晶片，然後再考慮使之 適應堆疊封裝所面臨的困難，我們很快會發現可改進的那些區域，如圖 2.14(a) 為 FBGA 或 SCSP 應用而最佳化的邏輯晶片，記憶體介面焊盤連接位於一側，以方 便線打線記憶體晶片堆疊或並排的元件母板連接佈線，圖 2.14(b)則可以看出如 果同一邏輯晶片是針對需要堆疊式封裝元件的高密度應用，記憶體介面佈線必須 從頂層元件的 4 側邊走到一側的邏輯元件焊盤，因而導致更高的佈線密度、不平 衡的交叉匯流排網路，這面臨更高成本和沖線風險。。 圖 2.14(a)FBGA 或 SCSP 應用而最佳化的邏輯晶片。 (b)的高密度應用。 以目前大量的堆疊式封裝元件封裝生產數據來看，有平均 32%的訊號線是從 底層封裝直接到頂層封裝的電源和地，或通過邏輯晶片到頂層記憶體介面。經過 邏輯晶片佈線的網路一般是分支網路，由於 30%的這些走線中幾乎有一半是感應 訊號，因此針對訊號完整性要求需要加以重點考慮並進行建模。剩餘 70%的訊號 佈線至底層(母板)，它們只需符合標準的 FBGA 設計規則。從圖 2.14 中我們可以 很容易發現，設計用於堆疊式封裝元件封裝中 SCSP 應用的邏輯晶片的使用可能 會犧牲一些成本和性能設計最佳化。今後的解決方案之一是針對堆疊式封裝元件 應用最佳化邏輯元件底層規劃，並遵循聯合電子裝置工程委員會(JEDEC，
Joint Electron Device Engineering Council)批准的堆疊式封裝元件記憶體接腳輸出 格式。 在討論電氣最佳化時我們意識到，PSvfBGA 封裝的佈線長度傾向於比相關的 SCSP 或 FBGA 設計更短，比封裝中封裝(PIP)設計更短得多。線長對電氣性能的 影響很大。佈線長度引起的阻抗增加要比底板走線長引起的阻抗增加大得多，見 圖 2.15。設計目標不是要否定更長底板走線長度和更短 PSvfBGA 線長帶來的好 處，這個問題可能通過今後專門為堆疊式封裝元件應用設計邏輯元件來得到解決。 相較 SCSP 更強的電氣優勢以及熱性能和邏輯優勢使得堆疊式封裝元件成為邏輯 +記憶體整合領域中非常有吸引力的技術平台。 在滿足底板成本和製造良率方面需要注意的是，沒有針對堆疊式封裝元件做 過最佳化的晶片版圖和封裝輸出接腳將導致更昂貴技術，如具有緊密過孔和擷取 焊盤直徑的精細走線/空間間距。從圖 2.14 還可以看到，在非最佳化情況下在晶 片邊緣下面可能直接佈置眾多又長又窄的走線。製造良率、走線裂痕控制和底板 成本控制以及訊號完整性設計都是這些情況下要考慮的因素。 圖 2.15 作為線長和線徑函數的黃金線
第三章膠體封裝模流分析
3.1 模流分析原理
在Moldex 3D中的反應注膠成型（Reactive Molding）模組中，系統的統御方 程式（Governing Equation）如下： 3.1.1 連續方程式（Continuity Equation） 若將融膠視為可壓縮性的流體時，其連續方程式可寫為： 其中ρ為密度，u 為x 方向的速度分量，v 為y 方向的速度分量，w 為z 方 向的速度分量。 3.1.2 動量方程式（Momentum Equation） 忽略流體的慣性項及流體在模穴厚度方向所造成的效應，在z 軸方向的動量 方程式則假設壓力為定值。則x 和y 方向的動量方程式可寫為： = 0 x 方向： =0 y 方向： 其中η為黏滯係數，P 為壓力。 3.1.3 能量方程式（Energy Equation） 假設模穴的厚度遠小於模穴的寬度，並考慮剪切力及硬化反應時所引起的熱 能，能量方程式則表示為： 其中
P C ：比容（heat capacity） K ：熱傳導係數（thermal conductivity） γ&：剪切率（shear rate） ∆H ：反應熱（reaction heat） T ：溫度（temperature） 3.1.4 硬化反應方程式（Kinetics Equation） 環氧樹脂是一種反應性物質，因此其硬化反應機構決定其硬化反應速率，進 而影響其硬化程度。在熱固性樹脂在充填的過程中會因為化學反應而產生硬化作 用，因此其轉化率會影響環氧樹脂在充填過程中因為材料的硬化而影響加工特 性，以及在充填過程完後的硬化時間。其硬化反應如下所示： 其中 上式中α為硬化度（resin conversion），m，n，A1，A2，K1，K2，皆為曲線擬 合常數。 3.1.5 黏滯方程式（Viscosity Equation） 黏度是高分子加工中相當重要的材料性質，熱固性樹脂的黏度不只要考慮溫 度、壓力、剪切率之外，還要考慮其硬化率，黏度的計算公式如下：
式中η0 = exp
其他參數意義如下：
η ：黏度（viscosity）
η0：零剪切率黏度（zero-shear-rate viscosity） ϓ：剪切率（shear rate）
τ* ：臨界剪應力（critical shear stress） T ：溫度（temperature）
Tb ：溫度靈敏度因子（temperature sensitivity factor）為曲線擬合常數 n ：冪次律指數（power-low index）
αg ：融膠停止流動之硬化度（conversion at gelation） B ：指數擬合常數（exponential-fitted constant） C1、C2 ：曲線擬合常數（fitted constant）
3.2模流分析的類型 在大部份的模流軟體所能分析之工作，有充填分析、冷卻分析、保壓分 析及收縮翹曲變形分析四種主要分析軟體。如圖3.1所示。 圖 3.1 模流分析工作 3.2.1 充填分析 在做充填分析時需要之條件，與分析得到之相關訊息，如圖3.2 所示。 圖 3.2 充填分析
充填過程分析： (一) 流動距離 1. 不同的材料有相異的流動比（L/t），流動距離也會不同，流動比 （L/t）如表2 所示。 表 2 材料流動比 2. 任何膠料，在不同的料溫、模溫、壓注壓力、壓注速度、厚度、形狀之下， 都可能影響其流動距離。超過此極限，一定會有流動不良、短射、流痕的現象發 生。尺寸不足、收縮凹陷很難避免。 (二) 壓注壓力 1. 不同的膠料有不同的壓注壓力。在模穴的壓力稱為有效壓注壓力，如表3所 示。 表 3 材料有效壓力
2. 當膠料充滿模穴時，立即停止壓注的動作，不再加壓（保壓），成品冷卻固 化後，一定會有嚴重的收縮凹陷現象。 3. 在膠料充滿模穴後，必須加以適當的壓力（保壓），以提高熔融膠料的密度。 4. 保壓過當：因保壓使模穴的內壓急速上升。又因膠料是一種高分子熔融體， 有很大的可壓縮性，因此保壓過當，將造成成品的毛邊、變形、尺寸過大及重量 過重，同時也可能產生脫模不良、頂出白化、頂出變形及龜裂的現象。 5. 保壓不足：保壓不足製品會有嚴重縮水、尺寸不足及表面凹陷的現象。 6. 保壓時間：保壓結束時，製品內部中心處的溫度很高，如熔融狀態因受到很 大的內壓，若保壓不再持續，則熔融的膠體會有逆流的現象，因此保壓必須持續 到注膠口確實固化後才可去除。 7. 在充填過程中的波前為一等壓線，此等壓線的波前壓力接近於零。 8. 膠料流動速度直接影響等壓線與等壓線之間距，間距越大表示流動距離長， 流動速度較快。反之則較慢。 9. 壓注壓力大小與等壓線之間距無關。 10. 保壓大小與保壓時間的切換點，決定成品的尺寸精度。 (三) 充填壓力 1. 壓注壓力係指噴嘴處膠料的壓力。 2. 膠料經噴嘴流經流道與注膠口會產生很大的壓力損失，壓力損失越大產生的 摩擦熱越大。 3. 充填壓力就是有效壓注壓力。 4. 有效壓注壓力＝壓注壓力－流道中的壓力損失。 5. 成品厚度小者充填壓力較大。 6. 膠料的粘度高者所需的充填壓力較大。 7. 同樣的流動比（L/t），當成品厚大時，所需的充填壓力較小（如圖3.3所示）。
圖 3.3 流動比 (四) 充填速度 1. 壓注成形時，速度的設定，實際上是設定前進推擠膠料的速度，亦即表示每 單位時間內有多少膠料被擠到模穴內，以Q 表示充填速度。（單位：cm3/sec， 即機台內的射出率） (五) 流動速度 1. 充填速度Q 的快慢，可以決定充滿模穴所需要的時間。但是當膠料經流道通 過注膠口進入模穴時，因不同的流路形狀及流路截面積，即使充填速度Q 為一 定，膠料在模穴的流動速度卻是快慢不等，如圖7至圖10 所示。 2. 流動速度V 的快慢是決定成品接合大小位置、短射及流痕最重要 的因素。因此如何調整前進的速度Q 以改變模穴內膠料的流 動速度V，是決定成品品質，改善成品外觀不良的關鍵技術。 3. 當Q 為一定，膠料通過注膠口時的流速很快，注膠口附近會有噴流或 流痕的現象。如圖11 所示。（Q＝充填速度、A＝流路截面積、 V＝流動速度，則Q＝VA） Q = VA V1πd1• t = V2πd2• t
∴V1:V2= d2:d1 即使膠料通過較薄的t2 時，會產生加速的作用，如何防止加速產生的不良為關 鍵技術，如圖12 所示。 Q = VA V1•Wt1= V2•Wt2 ∴V1:V2=t2: t1 4. 膠料流動速（V）與成品厚度有直接的關係，因此由成品的形狀、長度、厚度 的變化，可以預測膠料的流動速度（V），流動距離及接合線可能發生的位置， 如圖13 所示。 5. 充分分析了解膠料的流動速度與成品形狀及厚度的關係，以及注膠口型式與 注膠口位置對流動速度的影響，在實際設定成形條件時有很大的幫助。並且也可 協助我們對已產生的不良點，在成形條件上做正確有效的改善。 6. 配合成品形狀、厚度變化及注膠口位置，作速度的多段調整。 7. 速度的大小、速度段數及速度大小切換點為影響製品表面精度的關鍵技術。 8. 速度的變化係在充填過程中完成，波前的等壓線在成形過程中並不會移動。 因此可以確認充填速度、流動速度直接影響製品表面品質。
3.2.2 冷卻分析 在做冷卻分析時需要之條件，與分析得到之相關訊息，如圖3.4所示。 圖 3.4 冷卻分析 一、冷卻過程分析： (一) 膠料由熔融狀態進入模具內，一部份的熱量被模具帶走。膠料冷卻硬化後 再由模具內取出。充填過程的時間很短，為求膠料流動順暢，希望有較高的料溫、 模溫。充填完畢希望膠料能迅速冷卻硬化並從模具內取出。 (二) 整個作業中，應把模具視為一部熱交換機，而不能當做一部冷卻機。因此 必須做好模溫控制系統。 (三) 較高的模溫： 1.使冷卻時間延長，如果冷卻時間不足，會造成成品的收縮、凹陷或變形。 2.但較高的模溫，使成品緩慢冷卻而能得到較均勻及充分的收縮、減少成品的變 形。
(四) 較低的模溫： 1.冷卻時間縮短，成形週期也大幅縮短，產能提高，成本降低。 2.但因迅速冷卻，收縮時間較短，造成成品不完全的收縮，因此有較小的收縮率， 有較大的成品尺寸。 3.對結晶性樹脂，因模溫較低，冷卻速度快，阻礙收縮與結晶化的進行，將會因 環境的變化產生二次收縮與二次結晶。 (五) 模溫不平均： 1. 因成品收縮與結晶化的不平均，收縮率較大的部份有較高的密度，造成尺寸 的不均一及變形撓曲及較大的收縮量。 2. 溫度高的一側有較大的收縮量。 3.模溫不平均的原因及其解決對策為達到精密成形的關鍵技術。 3.2.3 保壓分析 在做保壓分析時需要之條件，與分析得到之相關訊息，如圖3.5所示。 圖 3.5 保壓分析
影響壓注壓力之各因素，如圖3.6和圖3.7所示：
圖 3.6 壓注壓力關係圖
3.2.4收縮翹曲變形分析 在做收縮翹曲變形分析時需要之條件，與分析得到之相關訊息，如圖3.8所 示。 圖 3.8 收縮翹曲變型分析 因此我們可以知道，膠料由熔融狀態流入溫度較低的模具內，一部份的熱量 被模具的冷卻帶走。在充填的過程中，為使膠料能很順暢的模具內流動，模具的 溫度必須加以控制，模溫太低，將阻礙膠料的流動，尤其是粘度高的結晶性樹脂， 更須維持一定的模具溫度。當充填完成後，為了縮短成形週期，希望成品能迅速 的硬化並從模具內立即取出，模具溫度最好能急速的冷卻。急速冷卻的時間應從 澆口冷卻固化後開始。實際上使用的冷卻水一直在循環，直正急速冷卻的瞬間， 應從開模時才發生（此時澆口早已固化）。在充填過程中粘度影響膠料流動。粘 度的大小與膠料別、流道截面積大小、模溫度高低有密切關係。如何改善膠料在 充填過程中的流動性，為品質、成本成敗的關鍵。
3.3電子構裝模流分析 一般塑膠模具製作、射出成形或壓鑄模具設計，均須依賴現場人員之經驗， 在嘗試錯誤的過程中，取得正確的模具設計與製作經驗，這種方式不但費時甚久， 增加試模時間，耗費甚鉅，且在經驗累積與傳承上較為困難，不利人才培訓。若 對較複雜之成形品及新型材料，又得重新面臨累積開模經驗的困難。近年來，由 於電腦在計算、繪圖的能力大符提升，硬體設備價格不斷降低，使得利用電腦進 行模擬及輔助工程分析更為可行。在射出成形方面，已經出現許多工程分析的專 用軟體，利用電腦高速及精確的計算能力，讓電腦上試模的成果能迅速展現在分 析者的面前。如此不僅縮短試模時間，節省開模與試模的費用，且能將相關知識 用於訓練員工，加速現場經驗的傳承。何謂模流分析模擬？是指利用理論分析的 方式，建立一套描述高分子塑膠材料在壓注成型時，所遭受的熱力歷程與行為變 化的模式。例如描述高分子塑料在模具內對速度分佈、應力分佈、溫度分佈、壓 力分佈等，及冷卻固化、翹曲變形的行為和加工參數及模具設計參數的關係。藉 著這些資料的分析，即能掌握塑膠材料在射出成型過程中的動態特性，以供給人 們作為操作射出成型程序或模具設計時的參考。由於這一套數學模式十分複雜， 故藉助電腦的數值計算能力來求解。因此把這些利用電腦求解描述物理現象（如 壓注成型）數學模式解析的過程稱為電腦模擬或數值模擬。而利用電腦來模擬射 出成型過程，即稱為模流分析模擬。
3.4 Moldex 3D軟體模擬方法 Moldex3D是一套高分子成型整合電腦輔助分析軟體，主要是應用有限體積 方法來求解，以有限體積方法與有限差分法來求流場的壓力、溫度、速度以及固 化程度，利用控制體積方法來求出流體的波前及位置，分析主要分為前處理、分 析、後處理三個部份。 前處理（pre-process）：模擬分析的模型為2.5D，先在AutoCAD 裡將其模 型畫出，再利用立體模型製作軟體(Rhinoceros)匯出成立體模型檔，並轉入Moldex 3D模流分析軟體裡定義其各個區域的厚度，再定義其網格的尺寸對模型進行網 格化，完成模型建立與模型網格化。 分析（solution）：定義金線的固定點、設定膠體的注入口、膠體的材料性 質、製程參數，Moldex 3D模流分析軟體依據質量、動量、能量以及連續方程式 與流變性質，模擬塑料充填射入模具。 後處理（post-process）：由Moldex 3D模流分析軟體分析的結果可以得到金線的 偏移量，以及模穴內的壓力、溫度與速度分佈圖。 3.5 Moldex 3D模擬分析基本假設 在此研究中是以下列幾項假設的前提的條件下進行探討： 1. 因為充填時只注意其模流情形，膠體的固化程度低，可忽略膠體的彈性，將 其視為一般牛頓流體。 2. 一般而言模穴的厚度遠小於模穴長度，固封膠過程的流體假設為Hele-Shaw 流動模式。 3. 忽略流體在厚度方向的效應，假設流體為不可壓縮。 4. 充填過程中，慣性效應相較於黏度變化產生的金線變形可被忽略，因此金線 偏移只考慮拖曳力的影響。
5.忽略side effect，經由計算可以發現進膠壓力約為邊界毛細現象的1000 倍左右， 因此在模擬中忽略毛細現象對流動造成的效應。 6.將實際情形假設為四分之一對稱模型。 7.假設充填結束時氣體包封內部的空氣壓力與保壓壓力達平衡，亦即充填結束包 封內部空氣壓力與充填的保壓壓力相等。且氣體回包壓力遵守Boyle's Law。 8.假設模穴內部初始氣壓保持固定，與實際情形稍微不同，實際為模穴內部壓力 是隨著排氣孔調整排氣大小而使內部氣壓非固定。 3.6 Moldex 3D軟體模擬方法 使用Moldex 3D三維模流分析軟體在模型的建立就沒有厚度方向簡化的問題 了，Moldflow模擬分析主要步驟如下： 1.繪製幾何模型：先用繪圖軟體Solidwork或Pro-E 內將構裝的3D 模型繪製完 成，再輸出成Moldex 3D所支援的圖檔形式，如：*.iges、*.stl。 2.建立網格：利用Moldex 3D軟體本身的Mesh 功能來建立分析模型的網格，第一 次先設定每個網格的邊長大小，進行表面的Mesh 動作。表面網格化 後再設定每個元素在厚度方向所要分割的等份數，再進行第二次Mesh，這樣才 算完成3D 的網格化。 3.匯入金線模型：將金線的模型BD圖檔匯入Moldex 3D軟體，設定金線的線徑、 材料性質，並將金線的兩端設定固定點。 4.選定充填材料及製程參數：設定材料的性質、模穴溫度、塑料溫度、充填時間、 固化時間等。 5.完成上述4 個步驟就可執行求解的動作，進行充填過程的模流分析及沖線分 析。
第四章實驗方法與步驟
4.1 實驗材料與儀器介紹 4.1.1 材料 1.基板: 本次實驗使用 PKG Size 12mmX12mm (L-MAP 尺寸 76.3x240 mm)如圖 4.1。 圖 4.1TRDPOP BGA 12x12 基板 2.膠餅: 使用不同分子大小、黏滯係數之膠餅種類進行評估，詳細數據如表 4.1，圖 4.2 為膠餅示意圖。 圖 4.2 膠餅示意圖表 4.1 膠餅數據表
EPOXY MOLDING COMPOUND QUALIFICATION DATA CHECK LIST FORM A. Data Sheet for Epoxy Molding Compounds
Compound Name/ Experimental Brand
CV8715FS CV8715MFS CV8760BA CV8710P
EMC SUPPLIER Name
Panasonic Electric Works Panasonic Electric Works Panasonic Electric Works Panasonic
Compound Technical Data
Unit Test Result Test Result Test Result
Test Result Cure Type Fast / Normal Normal Normal Normal Normal
Green
Green / Regular
Green Green Green Green
Ash Content wt (%) 70 70 70 70
Epoxy Resin New biphenyl New biphenyl Biphenyl Biphenyl Hardener Low moisture Low moisture Normal Normal Flame Retardant No No Metal hydroxide No Catalyst content wt(%) <1 <1 <1 <1
Gel Particle size um - - - -
Metal Particle size um - - below 45 below 45 Carbon Particle size in
molding compound *
avg/max(um) *
- - below 25 below 25
Filler Type Silica Low alpha Silica amorphous
Filler Content (wt%) 70 70 83.5 86
Filler Shape
spherical / crush
Spherical Spherical spherical spherical
Filler Size avg/max(um) 11/45 11/45 16/45 11/45 Monitoring/Checking Frequency 1x / lot
Inner Wax Type
synthesis/natur e synthesis/natur e synthesis/natur e synthesis/ nature Inner Wax Content <1 <1 below 1 below 1
Spiral Flow cm 208 208 160 125
(after thawing time 72hrs) cm 190+-30 190+-30 154 117
4.1.2 儀器設備
1.上注膠封膠設備(ASM IDEAL MOLD 80T)
本次實驗使用之封膠設備為 Transfer Top Gate Mold，如圖 4.3 所示。
2.Top Gate Mold 模具
模具可分為上模(Top Chase)、中模(Middle Plate)、下模(Bottom Chase)， 如圖 4.4 所示。
4.1.3 模具設計介紹
模具原始設計為中心注膠，也就是在每顆封裝產品的上方正中心進行注膠 (如圖 4.5)，注膠口尺寸如圖 4.6 及表 4.2 所示。
圖 4.6 注膠口尺寸示意圖 表 4.2 注膠口尺寸對應表
代號說明 12*12
a(Gate angle I) 30º
b (Gate angle II) 60º
c (Notch depth) 0.08mm
d (Gate diameter) 0.33mm
4.1.4 產品設計
產品尺寸設計如圖 4.7 及表 4.3 所示。
圖 4.7 產品結構示意圖 表 4.3 產品結構尺寸對應表
Symbol Description Max.(um)
A Chip Thickness + Adhesive 50um + 25um = 75um
B Mold Thickness 195um
C Low Loop Height 60~65um
D High Loop Height 85~100um
E Wire loop high to mold chase gap 30~45um
F Notch depth 50~80um
G Gate diameter 330~350um
H Notch diameter 800um
4.2 實驗方法 實驗方法分為兩大步驟，分別為實驗設計 (DOE) 實驗以及依照實驗設計之結果 進行之模流分析驗證。 因為影響注膠口崩裂露晶片或是突出的原因包含了材料、機構、作業參數等因素， 因此先以實驗設計找出最佳之修改方法，再以模流分析軟體來驗證此注膠口設計 是否可行，並實際應用於產品上做驗證。 4.3 膠餅實驗 使用添加不同成份的膠餅，數據如表 4.1，觀察不同流動性膠餅加熱鍵結情 況(如圖 4.8)並搭配壓注速度進行封膠實驗，觀查剝膠後有無注膠口突出或是注 膠口崩裂露晶片之情況，由表 4.4 可以得知實驗結果: (1). Spiral flow 較長的實驗，膠體崩裂露晶片數量有較少趨勢。 (2). Filler content 越高的膠餅膠體出現露晶片數量會有較少趨勢。 由上述結果得知，使用不同膠餅進行封膠，無法完全有效改善此問題。 圖 4.8 膠餅加熱後鍵結情況
表 4.4 不同膠餅封膠結論表
Compound Type Filler content 流動性流動性 流動性流動性 樣本數樣本數 樣本數樣本數 突出突出突出突出 崩裂崩裂崩裂崩裂
8715MFS 70% 125 720ea 8 4 82% 160 720ea 5 3 86% 208 720ea 5 3 8715FS 70% 125 720ea 9 6 82% 160 720ea 8 3 86% 208 720ea 6 4 8760BPA 70% 125 720ea 6 3 82% 160 720ea 9 1 86% 208 720ea 4 1 8710P 70% 125 720ea 6 3 82% 160 720ea 5 2 86% 208 720ea 3 2
4.4 開模速度實驗 因為上注膠封裝模式的剝膠是在硬化完成後模具慢速開模時候發生，如圖 4.9， 開模時膠體與注膠口即斷開，因此慢速開模的速度快慢對於注膠口的應力也是有 其影響程度，故在此實驗中也是需要被驗證的。而開模速度取決於馬達的脈波速 度，同時也等於開模的間距，因此經由原廠提供的伺服馬達型號及內部之設定換 算後得到數據如表 4.4，可以了解脈波速度對應開模間距並進行實驗，因此透過 表 4.5 可以得知，以開模速度 100 到 300 Pulse 之間突出及崩裂有減少趨勢，因 此決定以此參數範圍進行後續實驗。 表 4.4 馬達脈波速度對應距離 項目 控制值 開模間距 開模時間 脈波 100 0.5mm 5.3sec 200 1.0mm 4.2sec 300 1.5mm 3.0sec 400 2.0mm 2.1sec 500 2.5mm 1.3sec 表 4.5 開模速度實驗結論表 項目 速度 樣本數 檢驗工具 注膠口突出 注膠口崩裂 最佳條件 開模速度 100 720ea 9 11 100~300Pulse 200 720ea 9 8 300 720ea 10 13 400 720ea 16 21 500 720ea 19 16
圖 4.9 機台參數設定 4.5 模具注膠口實驗
由表 4.1 注膠口尺寸設計上，可以知道 C:Notch Depth(注膠口外徑深度)、D:Gate Diameter(注膠口直徑)、E:Notch Diameter(注膠口外徑直徑)是直接影響注膠口分 離後的關鍵尺寸，因其孔徑大小決定剝膠時的應力，而由表 4.2 產品結構設計上， 可以了解到間接影響產品注膠口的因素有 A:Chip Thickness + Adhesive(晶片高 度) 、B:Mold Thickness(膠體厚度) 、G:Gate Diameter (注膠口內徑尺寸)、H:Notch Diameter (注膠口外徑尺寸)、I:From chip to notch(晶片至注膠口距離)。由於產品 尺寸是由顧客提出，因此我們在產品設計不變的前提下，針對模具注膠口設計進 行實驗設計。此實驗針對模具上之注膠口孔徑做修改，以不改變產品外觀尺寸為 前提，也就是說注膠口外徑不變，在內徑上設計四種級距之注膠口來做測試，由 表 4.6 可以得知，最大注膠口突出由注膠口內徑 0.35mm 之模具效果最佳，如圖 4.10，內徑越大則在突出及崩裂露晶片方面，則是均有發現，如圖 4.11，因此修 改注膠口內徑尺寸的幫助仍是有限。
表 4.6 注膠口尺寸對應突出及崩裂 項目 尺寸 樣本數 量測工具 最大注膠 口突出 最小注膠 口突出 最深注膠 口崩裂 最小注膠 口崩裂 注膠口內 徑尺寸 0.33 720ea 3 軸高倍 顯微鏡
11.2um 5.4um 31.7um 15.3um
0.35 720ea 9.2um 3.9um 32.3um 19.7um
0.4 720ea 13.4um 2.7um 35.2um 21.1um
0.45 720ea 17.6um 4.5um 38.9um 21.3um
圖 4.10 0.33mm 注膠口剝膠示意圖 圖 4.11 0.35~0.45mm 注膠口剝膠示意圖 4.6 最佳參數組合實驗 由以上實驗結果，再從材料、機構參數、注膠口尺寸裡挑選出較具影響的參數因 子及其水準數，使用田口法針對崩裂及突出排出實驗組合，再次進行實驗後數據 收集分析，進而得出最佳參數，實驗如表 4.7 及 4.8。
表 4.7 田口實驗-崩裂
Spiral Flow Filler Content Slow Open Gate Size run1 run2 Mean SN Ratio
125 70 100 0.33 8 9 8.5 -18.6034 125 82 200 0.35 1 2 1.5 -3.9794 125 86 300 0.4 15 11 13 -22.3805 160 70 200 0.4 4 5 4.5 -13.1175 160 82 300 0.33 10 8 9 -19.1381 160 86 100 0.35 3 2 2.5 -8.12913 208 70 300 0.35 14 11 12.5 -22.0003 208 82 100 0.4 5 4 4.5 -13.1175 208 86 200 0.33 9 5 7 -17.2428 表 4.8 田口實驗-突出
Spiral Flow Filler Content Slow Open Gate Size run1 run2 Mean SN Ratio
125 70 100 0.33 6 9 7.5 -17.6716 125 82 200 0.35 4 6 5 -14.1497 125 86 300 0.4 7 9 8 -18.1291 160 70 200 0.4 8 10 9 -19.1381 160 82 300 0.33 5 8 6.5 -16.4836 160 86 100 0.35 6 11 8.5 -18.9487 208 70 300 0.35 13 8 10.5 -20.6633 208 82 100 0.4 10 9 9.5 -19.5665 208 86 200 0.33 6 4 5 -14.1497
由以上實驗組合及實際收集數據可求得最佳參數如圖 4.12 及 4.13
圖 4.12 崩裂最佳參數
將這兩組崩裂及注膠最佳參數再分別進行實驗，實驗數據收集可得到結果如表 4.9 之結果，由圖 4.14 可以得知，以第二組參數在崩裂及突出可得到較佳之管控，
其中又以突出的管控效果最佳。 表 4.9 最佳參數實驗結果
Cell Spiral Flow Filler Content Slow Open Gate Size 崩裂 突出
1 160 82 200 0.35 95.3% 91.2%
2 125 82 200 0.33 95.8% 99.8%
實驗設計結論 綜合以上實驗設計可以發現，針對材料、機台參數、注膠口尺寸等關鍵因素 做更換或是修改測試，可以管控注膠口突出，但是對於偶發性的膠體崩裂仍然有 發現，且崩裂之缺口形狀有大有小，因此我們重新檢視產品，透過切面高倍顯微 鏡圖 4.15 我們可以知道，膠餅的成份分子大小不一，在注膠口注膠完成時，如 果堆積在注膠口的分子均為體積較大分子，如圖 4.16 在注膠口剝離後會造成程 度不一的崩裂，因此我們再重新檢視整個產品結構對應實驗數據之後，可以發現， 在表 4.2 項目 I:From chip to notch (晶片至注膠口距離)才是注膠口設計之關鍵。 因此針對產品注膠口位置做修改，由上中心注膠修改為上角落注膠方式，如圖 4.17，並分別對中心及角落兩處進行模流沖線實驗分析，確保品質。
圖 4.16 膠餅材料分子示意圖
4.7 模流實驗 進行沖線模流實驗時，需要產品膠體厚度、晶片尺寸、晶片厚度、膠餅型號、線 徑、膠餅黏滯係數、固化轉換率等產品資訊以便進行模流分析設定，如表 4.10、 圖 4.18 膠餅黏滯係數、圖 4.19 膠餅固化轉換率，同時我們也使用對注膠口突出 可以達到有效管控的最佳參數進行實驗。 表 4.10 產品相關尺寸對照表 圖 4.18 膠餅黏滯係數(Viscosity)
4.7.1 上中心注膠模流分析 首先，先針對上中心注膠方式建立模流分析模型，確定使用上中心注膠方式方膠 的產品沖線值如圖 4.20，並將注膠流程分成六個比例觀察注膠情況如圖 4.21，完 成後記錄其沖線值，以利後續使用上角落注膠時對照沖線值。 圖 4.20 上中心注膠模擬 圖 4.21 20%~100% 封膠模擬示意圖
將產品標示出 1~12 顆，分析注膠第 1~6 顆沖線值，模流分析出最大沖線值在第 3 顆，沖線值為 0.61%，如圖 4.22。分析注膠第 7~12 顆沖線值，模流分析出最 大沖線值在第 7 顆，沖線值為 0.81%，如圖 4.23。 圖 4.22 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 圖 4.23 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 0.61% 0.81% 0.69%
4.7.2 上角落注膠模流分析 角落注膠方式預計針對不同的兩個角落建立模型，藉以驗證不同角落注膠口之沖 線值有無差異，如圖 4.24。 圖 4.24 角落注膠之模擬注膠口位置 針對角落 1 建立模型，模擬模流分析，如圖 4.25，同樣模擬六個不同注膠程度， 觀察其注膠狀態，如圖 4.26。 圖 4.25 上角落 1 注膠模擬 中心注膠
圖 4.26 20%~100% 封膠模擬示意圖 將產品標示出 1~12 顆，分析注膠第 1~6 顆沖線值，模流分析出最大沖線值在第 2 顆，沖線值為 2.95%，平均沖線值為 2.7%，如圖 4.27。分析注膠第 7~12 顆沖 線值，模流分析出最大沖線值在第 8 顆，沖線值為 2.64%，平均沖線值為 2.6% 如圖 4.28。 圖 4.27 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 2.78% 2.95% 2.80% 2.69% 2.75% 2.72%
圖 4.28 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 針對角落 2 建立模型，模擬模流分析，如圖 4.29，同樣模擬六個不同注膠程度， 觀察其注膠狀態，如圖 4.30。 圖 4.29 上角落 2 注膠模擬 2.59% 2.64% 2.62% 2.57% 2.63% 2.60%
圖 4.30 20%~100% 封膠模擬示意圖 將產品標示出 1~12 顆，分析注膠第 1~6 顆沖線值，模流分析出最大沖線值在第 5 顆，沖線值為 1.89%，平均沖線值為 1.8%，如圖 4.31。分析注膠第 7~12 顆沖 線值，模流分析出最大沖線值在第 8 顆，沖線值為 1.99%，平均沖線值為 1.9% 如圖 4.32。 圖 4.31 第 1~6 顆模流分析沖線值示意圖 1.79% 1.85% 1.77% 1.81% 1.89% 1.79%
圖 4.32 第 7~12 顆模流分析沖線值示意圖 從第 1 組上中心注膠模擬實驗可以得知，上中心注膠的沖線值最大在 0.81%，在 封裝上來講幾乎是完全沒有沖線，而在上角落 1 的模流模擬分析裡，可以得知最 大沖線值為 2.95%，上角落注膠 2 的模流模擬分析裡，最大沖線值則是 1.99%， 三組實驗比較起來，雖然以上中心注膠的沖線值最為平穩，但是上角落 1 及 2 的注膠在封膠產品的規範裡是可以被接受的，其中又以角落 2 最佳，因此我們選 定此方案重新製作模具並驗證注膠口突出及崩裂露晶片，結果如表 4.11 以及成 型後如圖 4.33、4.34，另外也針對沖線值驗證，沖線值在 2~3%，如圖 4.35。 表 4.11 角落注膠實驗數據
Cell Spiral Flow Filler Content Slow Open Gate Size 崩裂 突出
2 125 82 200 0.33 100% 99.8%
1.89% 1.95% 1.87%
圖 4.33 角落注膠成型圖
圖 4.35 角落注膠沖線值
Wire sweep:3.34% Wire sweep:3.25%
Wire sweep:2.32% Wire sweep:3.23%
第五章結論與未來展望
本文透過實驗設計以及 Mold Flow 3D 模流模擬軟體的運用，針對 TRD POP 產 品注膠口設計進行研究，將所得之研究成過綜合歸納如下: 1. 堆疊封裝產品雖然已有規定封裝設計規則，但均以產品內、外部元件尺寸為 主，對應這些元件設計訂定出膠體高度，但卻沒有考慮到因為模具注膠方式 及設計關係帶來之影響，因此我們必須為堆疊式封裝產品的上注膠模具設計 訂定出參考規範。 2. 針對上中心注膠方式產生注膠口剝離後的崩裂露晶片，訂定出晶片表面至注 膠口最小距離不得少於 0.04+0.01/-0mm，如圖 4.7 及表 4.2 所示，I:From chip to notch (晶片至注膠口距離)。 3. 雖然我們知道在 JEDEC 的標準化裡有定義，在堆疊完成後仍會有部份之間隙。 如圖 5.1 及 5.2 所示，以本文產品 A:膠體厚度 195um，C:上產品加上錫球銲 接後高度 210um，相減後可以得到 B:等於 C-A 為 15um 的空隙距離，但因為 注膠口剝離後突出可管控在 0.02mm，因此可以訂定出針對上中心及角落注膠 方式產生注膠口剝離後的突出，不得高於膠體表面，如圖 4.7 及表 4.2 所示， 且 F:Notch depth(注膠口外徑深度)不得大於 0.08mm。。
圖 5.2 SEM 實拍堆疊後間隙 4. 當上述情況無法取得平衡點時，得使用角落注膠以獲取最大生產良率之空 間。 模 流 分 析 軟 體 結 論 目前封膠模具製程頭痛的問題，諸如產品品質不穩定、換模調機時間長、人工成 本高、模具製作費時等等，要從根本上解決這些問題的出路，模流分析軟體是唯 一方法，其結合模流分析與模內壓力技術。透過科學試模的實施方法，從而降低 試模成本，實現快速的工藝再現和品質保證。3D 實 體 模 流 分 析 技 術 不 但 能 將 傳 統 2.5D 分 析 法 無 法 考 量 的 實 際 狀 況 列 入 分 析 考 量 ， 還 能 簡 化 從 CAD 到 CAE 的 模 型 準 備 時 間 ， 可 望 將 模 流 分 析 透 過 快 速 準 確 的 計 算 、 完 整 的 塑 膠 材 料 庫 與 射 出 成 型 條 件 設 定，真 實 呈 現 所 有 分 析 結 果，滿 足 設 計 者 對 模 具 及 產 品 最 佳 化 的 需 求 。 若 能 有 效 運 用 3D 實 體 模 流 分 析 ， 則 可 以 幫 各 系 統 廠、元 件 廠 達 到 降 低 成 本、提 升 效 率 的 目 標，實 為 近 年 來 生 產 微 利 化 浪 潮 下 各 生 產 單 位 值 得 投 入 的 方 向。然 而 精 密 塑 膠 材 料 庫 的 建 立，先 進 數 值 演 算 法 與 大 量 平 行 計 算 平 台 的 發 展，是 我 們 未 來 繼 續 掌 握 製 造 之 鑰 的 關 鍵 。
未來展望
在此研究裡尚有 2 點建議，可提供後續研究參考，使品質更加完善。 1. 注膠口形狀設計也可能是影響剝膠後注膠口是否突出或崩裂的因素。 2.探討注膠道剝離時，膠餅與模具鍍層的黏著力，使剝膠更平穩。
參考文獻
[1] L. T. Nguyen and F. J. Lim, 1990, “Wire Sweep During Molding of Integrated Circuits”, IEEE 40th Electronic Components and Technology Conference, pp. 777-785.
[2] S. Han and K. K. Wang, 1995, “A Study on Wire Sweep in Encapsulation of Semiconductor Chips Using Simulated Experiments”, Journal of Electronic Packaging, Transactions of ASME, Vol.117, pp. 178-184.
[3] S. Han, K. K. Wang and D. L. Crouthamel, 1997, “Wire Sweep Study Using an Industrial Semiconductor-Chips-Encapsulation Operation”, Journal of Electronic Packaging, Transactions of ASME, Vol.119, pp.247-254.
[4] J. H. Wu, A. A. O. Tay, K. S. Yeo, T. B. Lim, 1998, “A Three-Dimensional of Wire
Sweep Incorporating Resin Cure”, IEEE Transaction on Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part B, Vol.21, No. 1, pp. 65-72.
[5] S. Y. Yang, S. C. Jiang, W. S. Lu, 2000, “Ribbed Package Geometry for Reducing Thermal Warpage and Wire Sweep During PBGA Encapsulation”, IEEE
Transaction on Components and Packaging Technology, Vol.23, No. 4, pp.700-706. [6] A. A. O. Tay and W. H. Lee, 2002, “Transient Three Dimensional Simulation of Mold Filling and Wire Sweep in an Overmold BGA Package”, Electronic
Components and Technology Conference, pp. 897-904.
[7] Louis T. Manzione, 1990, ” Plastic Packaging of Microelectronic Devices”, Van Nostrand Reinhold, New York.
[8] 李宏倫，1998，以田口式實驗計劃法協助IC構裝模流分析, 國立成功大學， 碩士論文。
