行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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應 用 全 像 干 涉 術 量 測 半 導 體 構 裝 體 介 面 接 著 性 之 研 究
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計畫類別：□個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC 90－2212－E－110－026－
執行期間：
90 年
8 月
1 日至
91 年
7 月
31 日
計畫主持人：錢志回
共同主持人：邱以泰
計畫參與人員：葉承修、謝其昌、吳以德、林文郁、陳聖偉、
翁大鈞
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
執行單位：國立中山大學機械與機電工程學系
中
華
民
國
91 年
10 月
15 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用全像干涉術量測半導體構裝體介面接著性之研究
Applications of the Hologr aphic Inter fer ometr y in the Study of
Inter facial Adhesion of IC Package
計畫編號： NSC 90-2212-E-110-026
執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
主持人：錢志回 國立中山大學機械與機電工程學系教授
共同主持人：邱以泰 工業技術研究院電子所研究員
計畫參與人員：葉承修、謝其昌、吳以德、林文郁、陳聖偉、
翁大鈞 國立中山大學機械所研究生
一、中文摘要 本研究之主要目的為應用光學干涉術 量測 FR-4 基板、環氧防焊膜(Solder Mask) 與封膠(Epoxy Molding Compound)之界面 於承受拉伸負荷時之位移場分佈，並且分 別導出各種負荷狀態下剝離應變、剪應變 與拉應變之相對比例，藉以瞭解半導體構 裝材料之介面接著特性。 關鍵詞：光學干涉術、IC 封裝、FR-4、封 膠、環氧防焊膜 AbstractThe plastic IC package is composed of several dissimilar materials. The inherent anisotropic and the interfacial fabrication method lead to very different mechanical behavior and failure mechanisms compared with homogeneous materials. Due to the complicated geometry and the coefficient of thermal expansion and moisture expansion mismatch between materials in a plastic IC package, thermally and moisture induced stresses may occur inside packages during manufacturing process. In addition, the degradation of interfacial adhesion resulting from stresses will affect the performance and reliability of IC packages severely. In this paper, the optical interferometry was employed to obtain the distribution of strains on the interface between the epoxy molding compound and FR-4 substrate under a shear
extracted independently from the interference fringes of u and v fields, respectively.
Keywords: optical interferometry 、 IC
package、FR-4、epoxy molding compound、 solder mask 二、緣由與目的 由於 IC 封裝為多種不同材料之組合製 程，當其承受熱負荷或濕-熱負荷時，各界 面間材料之熱膨脹係數與吸濕膨脹係數之 差異將導致應力之形成，並產生界面接著 強度之劣化。因此若材料搭配不當或製程 偏差，將會嚴重影響構裝體之可靠度。 本 研 究採 用具有高精確度、高敏感 性、非接觸性與全域性量測等優點之光學 干涉術，針對主流封裝技術中與可靠度具 有密切關係之 FR-4/solder mask/MC 界面， 量測並探討其搭接接頭承受拉伸應力時之 應變分佈特性。 三、結果與討論 本實驗採用單搭接（single-lap）試片， 其尺寸如圖一所示。經由拉伸實驗，發現 FR-4 上含銅箔之試片其破壞均發生於環氧 防焊膜與銅箔之間，而不含銅箔之試片其 破壞則發生於緊鄰接合面處之 FR-4 疊層之 間。其主要原因為環氧防焊膜與封膠兩種 材料皆屬於高分子材料，並且其材料性質 差異不大，因此接合鍵結能力較強;反之， 由於環氧防焊膜與銅箔二者材料特性與原
子排列結構均差異甚大，因此相對接著強 度則較差。 圖二和圖三，分別為接觸面積為 7× 12.7(mm2)之試片於承受 0-8N 拉伸負荷時 其 X 方向與 Y 方向之干涉條紋圖。據此導 出之相對剝離應變、剪應變與拉應變(參考 點如圖四所示)，可發現愈往搭接方向外側 其應變亦愈大，而最大應變(應力)則發生於 搭接邊緣位置，此一區域係破壞發生與傳 播之主要位置。圖五至圖七分別顯示三種 不同接著面積之試片於圖四 A 點處相對於 負荷變化時之剪應變、剝離應變及拉應變 之 比 較 。 當 試 片 承 受 102~110(N) 至 188~196(N)之負荷時，剪應變、剝離應變 之變化在高負荷部分呈現較平緩現象。其 原因為負荷達 102~110(N)以後，接合面之 間愈靠外側部分相對位移愈大，使得界面 兩側之材料密度增大所致。至於拉應變其 在搭接方向外側部分較小，而在中心點部 分則較大，其主要原因為試片接合區域承 受扭矩並產生變形，使得試片中心點位置 (如圖四 B 點所示)較靠近施力點軸心，因此 產生較大之應變。接著面積 12.7×12.7(mm2 ) 與 25.4×12.7(mm2 )之試片亦具有相同之趨 勢。 有關接著面積對應變值之影響，由圖 五至圖七可發現接著面積愈大，其剝離應 變、剪應變與拉應變均相對愈小。此外， 隨著拉伸負荷之增大，所測得之剝離應 變、剪應變與拉應變亦明顯減少。其原因 為環氧防焊膜、封膠與 FR-4 等高分子材料 均屬於黏滯性材料，於拉伸過程中其結晶 度逐漸增高，彈性模數亦增高，因此應變 量於高負荷時相對減少。 另外，如圖八所示四種不同接著面積 之 試 片 ， 5×12.7(mm2 ) 、 7×12.7(mm2) 、 12.7×12.7(mm2)與 25.4×12.7(mm2)，於拉伸 過程中其拉應變均產生由負轉正之現象。 其中接著面積愈大者拉應變正負轉換產生 之負荷愈高，例如接著面積為 5×12.7(mm2 ) 之試片，拉應變正負轉換產生之負荷階段 為 142~150(N)，而接著面積為 7×12.7(mm2 ) 之試片則為 162~170(N)。 剝離應變、剪應變與拉應變之相對比 例分別如圖九、圖十與圖十一所示，接著 面積為 7×12.7(mm2 )之試片，當拉伸負荷為 0-8N 時 其 應 變 比 例 分 別 為 剝 離 應 變 (20 ﹪)、剪應變(60﹪)及拉應變(20﹪)；而當負 荷達 188~196(N)時可發現其應變比例有明 顯之改變，分別為拉應變(22﹪)、剪應變(75 ﹪)與剝離應變(3﹪)。其他兩組不同接著面 積之試片亦具有相同之趨勢。因此，可推 測剪應力為界面破壞產生之主要因素。 四、結論 本文應用光學干涉術分離剝離應變、 剪應變與拉應變，經由以上之討論與分析 可得到下列結論。 1. 剝離應變、剪應變與拉應變隨著負載增 加而減少，另外接著面積愈小，則應變 量相對亦增大。 2. 界面接著處之拉應變隨著負載增加,而 出現由負轉正之現象,並且接著面積越 小越早發生，其相對應之負荷可視為界 面產生剝離之臨界應力。 3. 界面接著處之剪應變比例隨著負載增 加而增加，而拉應變比例則隨著負載增 加而減少。 五、參考文獻
1.Lalit K. Jain, Yiu-Wing Mai’ Analysis of resin-transfer- moulded single-lap joint ’Composites Science and Technology, 1999
2.T. P. Lang, P. K. Mallick’ The effect of recessing on the stresses in adhesively bonded single-lap joint’ International Journal of Adhesion &Adhesives,257-271,1999
3.Gang Li, Pear1 Lee-Sullivan’ Finite element and experimental studies on single-lap balanced joints in tension ’International Journal of Adhesion & Adhesives, 211-220,2001
4.M. Y. Tsai, J. Morton’ An experimental investigation of nonlinear deformations in single-lap joint ’Mechanics of Materials,183-194,1995
5.Daniel Post, Bongtae Han, Peter Ifju’ High Sensitivity Moiré ’Springer-Verlag,1994.
六、圖表 圖一 試片尺寸圖（單位㎜） 圖二 接著面積 7×12.7(mm2 )之試片承受 0~8N 拉伸負荷時 X 方向之干涉條紋 圖 圖三 接著面積 7×12.7(mm2 )之試片承受 0~8N 拉伸負荷時 Y 方向之干涉條紋 圖 圖 四 相 對 應 變 之 參 考 點 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 Load (N) 0.002 0.004 0.006 0.008 S tr a in (m m /m m ) 圖 五 三種不同接著面積試片之剪 應 變 比 較 0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 Load (N) 0.0004 0.0008 0.0012 0.0016 0.0020 0.0024 S tr a in (m m /m m ) 圖 六 三種不同接著面積試片之剝 離 應 變 比 較 ◆7 ㎜×12.7 ㎜ ■12.7 ㎜×12.7 ㎜ ▲25.4 ㎜×12.7 ㎜ ◆7 ㎜×12.7 ㎜ ■12.7 ㎜×12.7 ㎜ ▲25.4 ㎜×12.7 ㎜
0 40 80 120 160 200 L oad (N) -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 S tr a in (m m /m m ) 圖 七 三種不同接著面積試片之拉 應 變 比 較 0 40 80 120 160 200 Load (N) -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 S tr a in (m m /m m ) 圖 八 四種不同接著面積試片之拉 應 變 比 較 圖 九 接 著 面 積 為 7×12.7(mm2 )之 應 變 分 佈 比 例 圖 十 接 著 面 積 為 12.7×12.7(mm2 )之 應 變 分 佈 比 例 -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Shear Peel Tension 圖 十 一 接 著 面 積 為 25.4×12.7(mm2 )之 應 變 分 佈 比 例 ◆25.4 ㎜×12.7 ㎜ ■12.7 ㎜×2.7 ㎜ ▲7 ㎜×12.7 ㎜ ●5 ㎜×12.7 ㎜ ◆25.4 ㎜×12.7 ㎜ ■12.7 ㎜×2.7 ㎜ ▲7 ㎜×12.7 ㎜
