行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
IC 封裝 3-D 殘留應力的模擬與分析(I)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2212-E-006-083- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學機械工程學系（所） 計畫主持人： 黃聖杰 計畫參與人員： 裴建昌 、郭韋克 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□成果報告
□ 期 進 度 報 告
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IC 封裝 3-D 殘留應力的模擬與分析
Simulation and Analysis of 3-D Residual Stress in IC Packaging
計畫類別：□ 個別型計畫 整合型計畫
計畫編號：
NSC 91-2212-E-006-083
執行期間：91 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
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計畫主持人：黃聖杰
計畫參與人員：裴建昌 郭韋克
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 □完整報告
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本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
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執行單位：國立成功大學機械工程學系
中華民國 九十二 年 十 月 二十 日
IC 封裝 3-D 殘留應力的模擬與分析
Simulation and Analysis of 3-D Residual Stress in IC Packaging 計畫編號：NSC 91-2212-E-006-083 執行期限：91 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日 主持人：黃聖杰 國立成功大學機械系 計畫參與人員：裴建昌 郭韋克國立成功大學機械系 一 、 中 英 文 摘 要 關鍵詞：熟化、殘留應力、IC 封裝 本計畫共擬分為三年來執行，主要目 的在於探討IC 封裝中殘留應力之研究。在 IC 封裝中，因為固化反應（Cure Reaction） 所引起的殘留應力通常被忽略。然而，因 為IC 封裝的產品愈來愈輕薄短小，使得以 往的假設不再適用，而造成不正確的預測 結果。因此在本計畫中，針對此一問題來 進行探討。 本計畫的執行步驟概述如下：（1）熱 固性材料之 P-V-T-C 量測儀器開發與關係 式的設計研究。[進行中]（2）IC 封裝中的 殘留應力（Residual stress）問題之研究。（3） P-V-T-C 關係式與殘留應力之理論整合。各 年度的計畫執行內容均分述如下： 第一年：在第一年計畫中，乃針對 IC 封裝的材料做一全盤性的實驗，並推導出 P-V-T-C 之 數 學 模 型 ， 作 為 預 測 因 熟 化 （Cure）所引起之殘留應力的材料行為的 統御方程式。 第二年：第二年的計畫中，則針對 IC 封 裝 中 的 殘 留 應 力 問 題 ， 考 慮 其 保 壓 （Packing）製程對於殘留應力之影響，重 新計算IC 封裝的殘留應力問題。 第三年：在第三年計畫中，將會把第 一年中所發展出來的 P-V-T-C 方程式，導 入到第二年發展的殘留應力方程式，將因 為發生固化反應而引起的殘留應力問題， 作完整的推導，並與實際產品結果作比 較，來驗證此一數學模型確實為可行的。
Keyword: Cure, Residual Stress, IC
Packaging
The object of this proposal is to study residual stress problem in IC encapsulation process. In IC packaging computation process, the residual stress resulting from cure reaction is usually ignored. However, as IC products become smaller and some assumptions in computation are no longer suitable to use. In this project, we will use three years to study the above problems. Specific areas for development are:
First year: (In progress)
Design and fabrication of a P-V-T-C measurement instrument for EMC and develop the P-V-T-C mathematical model. We can take the mathematical model as the governing equation for residual stress prediction.
Second year:
According to the residual stress problem, consider the effect of the packing process. Calculate the residual stress again and develop the residual stress mathematical model.
Third year:
By using the P-V-T-C and the residual stress mathematical model, calculate the solution of the residual stress problem. Comparing the exact solution with the
measurement result, we can check the validity of the mathematical model.
二 、 計 畫 緣 由 與 目 的 IC 塑膠構裝製程中，大部份殘留應力 的計算係根據溫度變化及材料間熱膨脹係 數（CTE）的不同而進行估算，並且忽略 EMC 固化時體積變化產生的影響；但是近 幾年發現只依據CTE 所做的計算，並無法 準確估計IC 構裝成型品之殘留應力，因此 為了要能準確估計構裝成品內的殘留應 力，必須重視EMC 固化時所產生的體積變 化。本計劃將經由實驗方式建立體積變化 與固化反應、壓力、溫度間之關係模式（即 P-V-T-C 關係式）。一方面使用DSC 熱分析 儀量測 EMC 之固化反應動力行為等相關 性質，另一方面以實驗方式配合DSC 的資 料進行P-V-T-C 關係式之建立。 一般IC 封裝材料，稱為 EMC（Epoxy Molding Compound），它是一種熱固性材料 （thermoset material），加熱後會放出熱 量，產生固化反應（cure reaction），其材料 行為與壓力、體積、溫度與固化程度有關。 然而，目前大部分的參考文獻均只有談到 射出成型熱塑性材料，對於材料收縮僅注 意到壓力、體積、溫度之相互關係，而忽 略了固化程度（cure）此項因素，使得預測 殘留應力時，容易出現不正確的結果，也 造成了解決問題的困難度。其次，目前針 對殘留應力問題，較為著重於因熱膨脹所 造成的殘留應力。而忽略了因熟化所造成 的殘留應力，但隨著產品的輕薄短小之趨 勢，忽略此一因素也使得殘留應力之預測 出現偏差。因此本計畫乃專注於EMC 材料 因固化反應所造成的體積收縮而引起的殘 留 應 力 問 題 ， 並 考 慮 成 品 在 保 壓 階 段 （packing）對殘留應力之影響。 最後，殘留應力一般會引起IC 產品的 翹曲（warpage），然而，因模流為為2½d， 因此大部分都將其簡化為 2 維模型來計 算，並不能完全代表真實情況。本計畫將 整合在前面階段所獲得的材料數學模型與 殘留應力理論，利用電腦的強大計算能 力，針對 3 維模型來計算其翹曲量，並與 實際產品作一驗證。 在本計畫中，主要研究的封裝形式專 注於以 EMC 材料進行封裝的產品，EMC 材料主要是由環氧樹脂、硬化劑、促進劑、 觸媒及其它添加劑所組成。此種材料在適 當溫度下環氧官能基與硬化劑作用產生鍵 結反應，此一名稱又稱固化反應。固化反 應發生時，會伴隨大量反應放熱，而提高 材料溫度，加速反應速率，提升樹脂轉化 率，縮短固化時間。在固化過程中，樹脂 轉化率漸增，當達到膠化點（gel point）， 材料由液態轉變成固態而成型。在固化收 縮的過程中，EMC 材料會先經過固化收縮 後，再進行熱收縮。因此，必須要充分了 解 EMC 材料在整個固化反應溫度和固化 程度的歷程，所以我們需要進行EMC 材料 實驗，因此，我們需要 P-V-T-C 關係式的 數學模型描述 EMC 材料在固化反應期間 的固化程度的變化曲線，從而利用P-V-T-C 關係式來計算EMC 材料的殘留應力。 三 、 結 果 與 討 論 求取P-V-T-C 關係式之實驗設計 本計畫第一年針對EMC 材料，利用實 驗器具進行材料實驗，並參照相關文獻， 找出P-V-T-C 關係式的數學模型。 本文採柱塞壓縮封閉圓柱內塑料的方 式：原因是柱塞型可針對固化反應速率 高、轉化速率快、高黏滯性材料系統進行 實驗；毛細管型卻受限於材料系統性質。
整個實驗系統主要包括：實驗機台本 體、模具、柱塞、伺服馬達、軸控卡、線 性編碼器、單軸力計、類比/數為轉換器等 等。系統示意圖如圖一所示。 模具 模穴 圖一 P-V-T-C 量測儀器系統 EMC 膠餅尺寸方面，在張益三的實驗 中[5]所採用的尺寸為φ14 × 20.6mm，由 於膠餅厚度過厚，可能造成固化反應時的 溫度不均勻而影響實驗的準確性，故在本 計劃中所採用的膠餅將為薄片型，其尺寸 為 mm h φ14 × 3 ，使膠餅在模穴中預熱時 能夠均勻地加溫至特定的溫度，模具與模 穴之剖面圖如圖二所示。 mm h mm 模具之詳細尺寸圖如圖三所示，而圖 四則為下模座之詳細尺寸圖。 本計畫執行至今，實驗機台及模具已 經設計加工完成，實驗機台之外觀如圖五 所示。依照上述之流程與規劃來進行的實 驗已有初步的成果，並根據所得到的資料 求出P-V-T-C 關係式。 下模座 柱塞 圖二 模具與模穴之剖面圖 圖三 模具之詳細尺寸圖 圖四 下模座之詳細尺寸圖 4
圖五 P-V-T-C 實驗機台 實驗流程與規劃 本實驗規畫中，包括DSC 熱分析儀、 P-V-T-C 量測儀器的使用以及 P-V-T-C 模具 的設計製作及架設。其流流程規劃簡介如 下： 1. 使用 DSC 熱分析儀求取 EMC 的固化反 應動力學。 2. 實 驗 採 定 壓 推 壓 模 式 ， 使 用 自 製 之 P-V-T-C 量測儀器，利用其具有的定壓 壓縮功能，推動柱塞壓縮EMC 膠餅。 3. 在溫度控制方面，採一組 PID 溫控器及 四支溫棒。溫控器的誤差為±1℃，由室 溫加熱至200℃需約 30 分鐘。 4. 本 實 驗 規 劃 了 十 五 種 不 同 的 實 驗 情 況，分別是：四種不同溫度120℃、140 ℃、160℃、180℃；五種不同壓力值 20、 40、60、80、100kgf cm/ 2。 5. 歸納整理所得到的實驗資料，尋求出 P-V-T-C 關係式。 如圖六至圖八所示，這是在三種不同 溫度140℃、160℃、180℃，五種不同壓力 20、40、60、80、100 下所產生的結 果。從中可以知道：（1）在某定溫下，壓 力越高其體積變化越大。（2）相較於熱膨 脹效應，因固化反應所引起的體積變化是 不可以忽略的。 kgf cm/ 2 0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 0 50 100 150 200 Time (sec) Volumetric Variation (%) 20 40 60 80 100 圖六 140℃、五種壓力之體積變化 0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 0 50 100 150 200 Time (sec) Volumetric Variation (%) 20 40 60 80 100 圖七 160℃、五種壓力之體積變化 0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 0 50 100 150 200 Time (sec) Volumetric Variation (%) 20 40 60 80 100 圖八 180℃、五種壓力之體積變化
四 、 計 畫 成 果 自 評 本研究之內容與進度皆在原計畫的規 劃之中，與原計畫相符程度頗高，唯量測 P-V-T-C 實驗用之儀器尚在組裝試車之階 段，故在第一年計畫執行結束之前，將依 照原計畫的規劃完成下列工作： 1. 完成 P-V-T-C 數學模型的推導。 2. 撰寫一篇學術論文，並予發表。 3. 預期研究人員對於 EMC 材料性質有更 進一步的認識。 本計畫以 EMC 材料來進行封裝的殘 留應力問題，目前尚無一良好的預測值產 生，特別是考慮因固化程度（cure）所引起 的殘留應力。因此，本計畫乃率先就此一 重要因子，藉由研究EMC 材料之 P-V-T-C 數學模型，將其導入計算IC 封裝的殘留應 力問題，並藉由強大的電腦計算能力，以3 維實際模型做為分析主軸，真實表現其殘 留應力的分佈情況，進而計算其翹曲量， 事先預測出發生問題的位置。此計畫完成 後，針對EMC 材料所提出的新的 P-V-T-C 數學模型，不僅在學術上具有價值，對於 以 EMC 封裝製程為主的 IC 產品（非 Underfill 製程），可以更精確地瞭解材料行 為讓預測更精確以改良其製程。而殘留應 力的預測與翹曲量的計算，更可以大幅降 低產品不良率的發生，提高生產力，最後， 藉由本計畫所發展的分析技術，可以大幅 減少產品開發的週期，提早預知新產品的 問題點，加快產品開發速度。 五 、 參 考 文 獻
[1] Loos, A.C., and G. S. Springer, “Curing of the Epoxy Matrix Composities,” J. Comp. Mat., 135,（1983）.
[2] Springer, G. S., “Resin Flow During the
Curing of Fiber Reinforced Composities,” J. Comp. Mat., 16, 400, （1982）.
[3] Gonzales, U, F., S. F. Shen, and C. Cohen, “Rheological Characterization of Fast-Reacting Thermosets Through Spiral Flow Experiments,” Polym. Eng. Sci., 32, 172-181,（1992）
[4] Frutiger, R. L., “The Effect of Flow on Cavity Surface Temperatures in Thermoset and Thermoplastic Injection Molding,” Polym. Eng. Sci., 26, 243-254,（1986）. [5] 張益三, “電子構裝材料固化反應與應 力體積及溫度關係模式之研究”, 碩士 論文, 國立成功大學,（1998） [6] 楊景安, “電子構裝元件之翹曲預測”, 碩士論文, 國立成功大學,（2001） 6
