中文摘要

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中文摘要

半導體工業是目前與未來最重要的工業之一，上述產品的關鍵技術之一就是電子構裝(electronic packaging)和組裝技術。相較目前 IC 元件的承座設計為整組固定單一尺寸的方式，導致成本浪費過大、維修極不方便、造價昂貴、無法滿足時勢的趨勢，故預燒承座採用模組化概念的設計是一個較佳的選擇，除了解決上述問題外，最重要是提升國內的預燒測試產品研發能力。本研究欲探討之模組化的預燒承座，主要結構有上蓋、固定臂、誘導體、彈簧座、轉接片及底座所組合而成。固定臂的功能為固定 IC，藉由插銷將上蓋、固定臂、誘導體合為一體，並透過上蓋與誘導體之所配置之彈簧保持滑動與定位。

彈簧座上具有彈簧之彈力針，構成錫球與轉接板接通。轉接板的功能是將IC 球數透過線路設計，轉成 PCB 上的針數。底座中具有接觸針 (contact pin)排列與 PCB 相對應，構成所謂 IC 錫球至 PCB 之導通，

並傳遞訊號。本計畫所欲探討的預燒承座，最主要的目的是希望能完全掌控該承座的設計分析流程，當 IC 參數有所變動時，能依其設計分析流程，設計出符合使用者需求的預燒承座。主要重點在於預燒承座的測試分析與其各元件的結構應力分析。藉由測試分析，針對預燒承座的使用特性模擬其操作環境及使用狀況，對該產品的整體表現作評鑑測試，以達到設計滿意度。元件的結構應力分析，以利預燒承座的可靠度分析，確保各元件的使用壽命。

關鍵詞: 預燒、預燒測試、預燒承座、記憶體 IC、球陣列

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Abstract

Driven by the need for smaller packages and higher performance, the electronic industry is moving towards fine pitch ball grid arrays and a solution for high-density interconnection. To ensure reliability a number of memory devices still require burn-in to eliminate early product failures before the devices are sold and assembled into the end product. For a technical perspective, the key requirements are reliability and simplicity of operation, A generic socket solution for all CSP packages is difficult since each CSP manufacturer has their own specific package design with different overall dimensions – even though the I/O array is identical to other devices which offer the same function. For the purpose of conquering the future dilemma the modular of sockets has been designed and fabricated for testing advanced BGA packaging. A series testing are performed to assure the performance and the characteristic of the sockets.

There are Socket Dimensions Measurement, Actuation Force Measurement, Durability Test, Temperature Life Test, Solder Ball Deformation, Cycle Test, Contact Inductance & Capacitance Measurement. The structural components design is analyzed by finite element method with ANSYS software to estimate the life of the socket and to understand the mechanical behavior.

Key words: Burn in, Burn-in test, Burn-in Socket, reliability, CSP BGA

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誌謝

歲月匆匆，光陰似箭，短短兩年的時間很快就過去了，終於到了要畢業的時候了，首先我要感謝我的指導教授陳精一博士，不僅在邏輯能力，程式撰寫及專業知識方面，提供我許多協助，更教導我在待人接物及為人處世的道理，接著要感謝我的口試委員倪慶羽博士及余仁方博士、任貽明博士對本論文的指導及提供許多寶貴的意見，

使本論文更臻完善，此外，還要感謝天間科技董事長周萬全先生和總經理范偉芳先生的愛戴與協助，使我有機會去了解業界的資訊，同時亦感謝學長紹鈞、耀祥、人豪、智凱、憲忠、禮鴻、厚升，在我研一時，對我的激勵與磨鍊，使我的研二生活更加順遂，在求學階段中因為有同學晳恩、學宇、正宇、和勳、齊懋、詩翔、正隆…等人，你們給予我課業上與精神上的支持和鼓勵，使我在求學過程中更加精采，

還有學弟敏雄、俊諺、文賢，為本實驗室帶來無數的歡笑，最後要感謝我的父母以及一手把我拉拔長大的外公、外婆，還有我的五專導師蕭錫謙老師，教導我插大的要訣及方法，讓我順利考上大學，最後我要感謝從我五專時，陪我插大、考研究所，一路走來始終如一的周明至叔叔，沒有您我甚至考不上大學，要感謝的人太多，如有遺漏在此道歉。

最後，在此我以我最真誠的感謝，將這份喜悅與所有關心我的人及親朋好友分享。

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目錄

中文摘要...I 英文摘要...II 誌謝...III 目錄...IV 圖目錄...VI 表目錄...XI

第一章緒論...1

1.1 前言 ...1

1.2 文獻回顧 ...3

1.3 研究動機與目的 ...9

第二章研究方法與分析流程 ...11

2.1 預燒承座功能簡介 ...11

2.2 機構設計 ...12

2.3 有限元素分析 ...14

2.4 受力分析 ...15

2.4.1 未置入 IC 時上蓋之受力分析 ...16

2.4.2 置入 IC 後上蓋彈簧之位移 ...17

2.4.3 施加外力F^JKc^{後壓力臂的受力關係}...20

2.5 分析流程...21

第三章研究結果與結構分析 ...24

3.1 分析結果 ...24

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3.1.1 上蓋元件有限元素分析 ...24

3.1.2 壓力臂元件有限元素分析 ...35

3.1.3 誘導體元件有限元素分析 ...41

3.1.4 底座元件有限元素分析 ...46

3.1.5 彈簧針座上蓋元件有限元素分析 ...51

3.1.6 彈簧針座底座元件有限元素分析 ...56

3.1.7 轉接板元件有限元素分析 ...62

3.1.8 接觸針元件有限元素分析 ...67

3.1.9 分析結果整理 ...77

3.2 失效模式與效應分析 ...80

3.3 有限時間測試 ...86

3.4 系統的可靠度 ...87

第四章實驗測試分析 ...95

4.1 實驗測試部份 ...95

4.2 耐久測試 ...98

4.3 溫度壽命測試 ...100

4.4 觀察錫球變形 ...103

4.5 實驗結果討論 ...105

第五章結論...106

5.1 結論 ...106

5.2 未來展望 ...108

參考文獻...109

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圖目錄

圖1-1 浴缸型故障率曲線...6

圖1-2 半導體產品測試流程圖...7

圖1-3 本研究之 BGA 預燒承座示意圖...8

圖1-4 BGA 預燒板之示意圖...8

圖1-5 84 球 IC 示意圖 ...9

圖1-6 本研究所探討之模組化設計預燒承座示意圖...10

圖2-1 有限元素分析之流程圖...14

圖2-2 上蓋未下壓時壓力臂全閉之示意圖...15

圖2-3 上蓋下壓時壓力臂全開之示意圖...15

圖2-4 置入 IC 前後之壓力臂示意圖 ...17

圖2-5 置入 IC 後之壓力臂與彈簧之示意圖 ...17

圖2-6 置入 IC 後之壓力臂之自由體力系圖 ...17

圖2-7 彈簧座中之彈簧示意圖...18

圖2-8 套殻與彈簧之示意圖...18

圖2-9 彈簧針裝入套殻中受壓之情形示意圖...19

圖2-10 施加外力F^JKc後壓力臂的受力關係示意圖...20

圖3-1 上蓋之實體模型...25

圖3-2 上蓋之有限元素模型...25

圖3-3 PEI 應力-應變圖...25

圖3-4 未置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載...26

圖3-5 未置入 IC之上蓋元件之結構變形圖...27

(11)

圖3-6 未置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖...27

圖3-7 未置入 IC之上蓋元件之最大應力局部放大圖...28

圖3-8 置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖...28

圖3-9 PEI（2300應力壽命曲線圖）...29

圖3-10 置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載...31

圖3-11 置入 IC之上蓋元件之結構變形圖...32

圖3-12 置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖...32

圖3-13 置入 IC之上蓋元件之最大應力局部放大圖...33

圖3-14 置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖...33

圖3-15 壓力臂之實體模型...35

圖3-16 壓力臂之有限元素模型...36

圖3-17 壓力臂之輔助結構圖...36

圖3-18 壓力臂相關位置之邊界條件與負載...37

圖3-19 壓力臂之結構變形圖...38

圖3-20 壓力臂之等效應力分佈圖...38

圖3-21 壓力臂最大應力局部放大圖...39

圖3-22 壓力臂之等效應變分佈圖...39

圖3-23 誘導體之實體模型...41

圖3-24 誘導體與彈簧針座上蓋之有限元素模型...42

圖3-25 誘導體與彈簧針座上蓋之邊界條件與負載...42

圖3-26 誘導體之結構變形圖...43

圖3-27 誘導體之等效應力分佈圖...44

圖3-28 誘導體之最大應力局部放大圖...44

圖3-29 誘導體之等效應變分佈圖...45

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圖3-30 底座之實體模型...47

圖3-31 誘導體與底座之有限元素模型...47

圖3-32 誘導體與底座之邊界條件與負載...48

圖3-33 底座結構變形圖...49

圖3-34 底座之等效應力分佈圖...49

圖3-35 底座之最大應力局部放大圖...50

圖3-36 底座之等效應變分佈圖...50

圖3-37 彈簧針座上蓋之實體模型...52

圖3-38 彈簧針座上蓋之有限元素模型...52

圖3-39 彈簧針座上蓋與彈簧針座底座之邊界條件與負載...53

圖3-40 彈簧針座上蓋結構變形圖...54

圖3-41 彈簧針座上蓋之等效應力分佈圖...54

圖3-42 彈簧針座上蓋之最大應力局部放大圖...55

圖3-43 彈簧針座上蓋之等效應變分佈圖...55

圖3-44 彈簧針座底座之實體模型...57

圖3-45 彈簧針座底座之有限元素模型...57

圖3-46 彈簧針座底座結構變形圖...58

圖3-47 彈簧針座底座之等效應力分佈圖...59

圖3-48 彈簧針座底座之最大應力局部放大圖...59

圖3-49 彈簧針座底座之等效應變分佈圖...60

圖3-50 刪除銷後彈簧針座上蓋之等效應力分佈圖...61

圖3-51 刪除銷後彈簧針座上蓋之等效應變分佈圖...61

圖3-52 轉接板之實體模型...63

圖3-53 轉接板之有限元素模型...63

(13)

圖3-54 轉接板之邊界條件與負載...64

圖3-55 轉接板結構變形圖...65

圖3-56 轉接板之等效應力分佈圖...65

圖3-57 轉接板之最大應力局部放大圖...66

圖3-58 轉接板之等效應變分佈圖...66

圖3-59 接觸針之實體模型...68

圖3-60 接觸針之有限元素模型...68

圖3-61 高強力型鈹銅合金應力應變曲線...69

圖3-62 接觸針之邊界條件與負載...70

圖3-63 高強力型接觸針結構變形圖...71

圖3-64 高強力型接觸針之等效應力分佈圖...71

圖3-65 高強力型接觸針之最大應力局部放大圖...72

圖3-66 高強力型接觸針之等效應變分佈圖...72

圖3-67 高傳導接觸針結構變形圖...74

圖3-68 高傳導接觸針之等效應力分佈圖...75

圖3-69 高傳導接觸針之最大應力局部放大圖...75

圖3-70 高傳導接觸針之等效應變分佈圖...76

圖3-71 產品研究發展程序...88

圖3-72 系統效益模式...90

圖3-73 串聯系統之方塊圖...90

圖3-74 並聯系統之可靠度方塊圖...91

圖3-75 本預燒承座之系統方塊圖...93

圖4-1 循環測試流程圖...97

圖4-2 Sample 1彈簧針之變形圖...98

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圖4-3 Sample 2 彈簧針之變形圖...99

圖4-4 Sample 1預壓後彈簧針之變形圖...99

圖4-5 Sample 2預壓後彈簧針之變形圖...100

圖4-6 承座之電阻抽測圖...100

圖4-7 Sample1在每個循環下之電阻值之變化折線圖...101

圖4-8 Sample2在每個循環下之電阻值之變化折線圖...102

圖4-9 Sample 1預燒後 IC破壞情形...103

圖4-10 Sample 2預燒後 IC破壞情形...104

圖4-11 Sample 1錫球表面破壞情形抽測圖...104

圖4-12 Sample 2錫球表面破壞情形抽測圖...104

(15)

表目錄

表2-1 预燒承座屬性表...11

表2-2 彈簧之幾何尺寸...18

表2-3 本預燒承座各元件之材料性質...23

表3-1 本研究各元件材料特性之分析結果...78

表3-2 本章所分析之結果整理...79

表3-3

定性的失效機率等級

...82

表3-4

系統的損害程度

...82

表3-5 本預燒承座之預燒承座與效應分析表...83

表3-5 本預燒承座之預燒承座與效應分析表（續）...84

表3-6 失效機構與挑選試驗項目的關係...85

表3-7 可靠度工程概略分工...89

表4-1 Sample 1經過 150℃烘烤240 小時並壓放12500 次後，抽樣接觸電阻值之耐久測試...101

表4-2 Sample 2經過 150℃烘烤240 小時並壓放12500 次後，抽樣接觸電阻值之耐久測試...102

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第一章緒論

1.1 前言

隨著科技的發展及生活品質的提升，台灣目前已成為全球 IC 產業主要供應地，半導體產業已與日常生活密不可分，與日常生活相關的產品有無線電視、電腦、電話、多媒體產品等，上述產品的關鍵技術在於IC設計、構裝、測試，因為 IC晶片和內部元件為一複雜元件，

故如何將它有效並可靠的封裝起來，就是構裝最大的目的。而如何提升我國在 IC 產業上的國際競爭力，是產、官、學、研界需努力的目標。目前朝向輕、薄、短、小、多功能的目標邁進，1990 年美國的

Motorola 公司與日本的 Citizen 公司共同研發出 BGA 構裝，球狀陣

列構裝BGA（Ball Grid Array）封裝，因爲在IC腳數、組裝良率、

散熱能力、電氣效能等各方面，都比過去的FPT、SOP 等更為優良，

且其成本較PGA更為低廉，故BGA 主要應用在記憶體IC上，目前資訊家電與 3C 產品也多應用 BGA 封裝技術，因為晶片與內部電路相當複雜，故需要封裝體來攜帶和保護。

測試製程是測試IC於構裝後之電性功能，為確保出廠之 IC功能的完整性，依其電性功能作分類，作為IC不同等級之產品的評價依據；最後並對產品作外觀檢驗之作業。電性功能測試是針對產品的各種電性參數進行測試以確定產品是否能正常運作，測試之機台將根據產品不同的測試項目而載入不同之測試程式，而隨著表面黏著技術的發展，為確保構裝成品與基板間的準確定位，構裝成品接腳之各項性

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質之檢驗更為重要。以下是對測試流程做一介紹。

半導體產品測試之流程為：

1.上線準備 2.上機台測試

3.預燒爐（Burn-In Oven）（測試記憶體IC才有此過程）

4.電性檢測 5.標籤掃描

6.機器檢腳或人工檢腳 7.檢腳抽測與彎角修整 8.加溫烘烤（Baking） 9.包裝出貨

自美國 Fairchild 公司於 1959 發明 IC 製作之平面技術後，IC 的

構裝技術也隨即被發展出來，從 IC 發明時至 1983 年之間，IC 元件逐年縮小11％，構裝發展的效率為每 10年多出一倍，球狀陣列構裝

BGA（Ball Grid Array）封裝具有以下優點：

1.單位面積下具有最高I/O數；

2.平列式錫球數提供適當之接地電路，使BGA構裝具有較佳的電性；

3.平列式引腳提供散熱途徑，並降低電阻。

因為有著上述優點，使得球狀陣列封裝，已逐漸受到重視。

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而目前封裝測試業者須特別注意的情形有以下兩種：

一、由於 IC 承座的規格不一，當IC 構裝的形式改變，承座的規格就隨之改變，使舊有之承座被迫淘汰，造成人力及成本的浪費。

二、因台灣預燒承座在設計及製造方面並無具體之成果，故台灣半導體業者在晶片設計完成後，必須向他國訂購符合尺寸之預燒承座來做測試，故測試成本亦隨之提高。

1.2 文獻回顧

因為預燒承座的屬性特別以及商業利益考量的原因，有關預燒承座的文獻並不多，陳世憲[1]針對三維多晶片預燒承座，提出 BGA 封裝預燒承座的設計概念，並配合有限元素法來模擬分析，比對實驗量測結果，完成預燒承座之最佳化設計。蕭金首[2]提出可以測試不同錫球間距之 BGA 封裝預燒承座，並評估其失效模式及可靠度分析，

希望藉此能達到預燒測試的成本，提供一個良好的分析流程以供參考。王耀祥[3]提出當 IC參數變動時，依其分析流程，設計出符合需求之預燒承座。並藉由測試分析，針對預燒承座的使用特性模擬其操作環境及使用情況，對該產品的整體表現作評鑑測試，以達到設計滿意度。Shih 等人[4]設計一新型的 BGA模組預燒承座，可與 BGA 接腳的任何尺寸和間距相互配合，此承座其結構和彈性材料能在 150℃ 預燒的高溫測試下正常運轉，它的韌性有足夠的接觸力能穿過焊錫的氧化層，使電路導通錫球沒有嚴重的變形。應用打線接合的技術可以很容易配合 BGA 模組測試，在測試承座的應用下，這個接觸結構和

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幾何可允許多模組测試循環（＞50000 次循環），且可維持穩定且低的電阻和接觸力，使錫球表面沒有嚴重的損壞。Sakata 等人[5]研發了一個預燒測試承座，承座中運用導線架的觀念將0.5 mm 腳距轉換為

1.27 mm 腳距，將其應用在LGA 預燒承座中，並利用彈簧針使接觸

力變小（5gm/0.3mm），而為確保電路導通，接觸電阻為 12 mΩ，並

且當承座保持125℃經過1000小時後，再承受反覆拉壓5000 週次，

其接觸電阻值還能保持30 mΩ。腳架使用鈹銅，在鈹銅表面鍍上3µm 的鎳，鍍完鎳並在上面鍍上內含鎳的 20％鈀，再注射樹脂固定接頭

位置。Fillion[6]等人提出因為標準單晶封裝無法使效能提升、價格降

低、連結多個 IC 的能力加強，故高密度多晶封裝成為一種驅勢。唯一的裸晶測試法已經在奇異(GE)高密度連結技術(High Density

Interconnect, HDI))的基礎上有所進步。此種方法允許速度測試且在標

準測試承座上不加裝任何特殊配件、測試卡或在測試陣列中加裝普遍的晶片叢集的狀況下在軍用溫度範圍(-40℃~125℃)測試複合的特殊應用積體電路與微處理晶片。並描述GE-HDI封裝法和其如何用來執行RAM晶片上的裸晶預先測試、製程、複合特殊應用積體電路及提供完全的預燒裝配。Nathan[7]等人提出在電子業中有許多市場因素促使分離承座元件及印刷電路板的高密度連結陣列技術成長。需要更細的間距、更低的高度、更好的電性表現、更小的接觸力量、更耐久及製程標準。另外，快速量產問市、經濟的原型及有競爭力的產品價格也都很需要。碰到各種不同的完全創新的需求時，連接線計(bondwire

scale)接觸科技已經成熟且應用在一些連結產品上。這個技術不但相

關的製程可以簡單的對於各種應用定做並且在正向力 10~15 克的狀況下可以將接觸間距降低至 0.5mm(0.019in)。Foerstel[8]提出高腳數

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(high pin count)四方平板封裝(Quad Flat Pack QFP)的載體與承座技術是一種允許細小間距操作簡單化的多功能複合元件，這個元件細小間距定義為封裝的尖端間距低於 0.65mm，四方平板封裝(QFP) 在多種機台，如測試、程式和環境原型之間。這三個元件是小型的外形承載，

表面可固定在新型的承座上並通過有洞的可固定程式承座。載體是為了保護四方平板封裝的探針當其與兩個不同承座的接觸以進行導電時不會變形。新型承座與載體固定於與裸露的四方封裝平板相等的接腳上。這個程序承座是一個有洞的夾具可接受相同於承座的載體。

Chinda 等人[9]提出軟片式載體的連續銅凸塊電鍍技術。對於高速且

均勻的電鍍來說，適當的電鍍表面是最重要的。透過研究，吾人發現最適合銅凸塊的電鍍洗滌液，使其能夠得到最好的外表及可靠度在

20 /A dm2以上。軟片式載體與鍍銅的凸塊裝在新的堆疊板上並且以

0.5mm間距的球狀格陣列封裝(BGA)的方式燒在基板上。在這些狀況

下已確定的是使用軟片與凸塊具有高的可靠度。Navas 等人[10]提出積體電路封裝製程牽涉了許多複雜的製造步驟並產生產品壽命縮短的缺陷。因此早點扣除缺陷對於高生產效益來說是重要的。封裝測試方式之一是預燒測試。當 IC 封裝的功率大大的增加超過了上次的損耗，預燒系統的設計需求所提供的控制環境就接受了更多的挑戰。多樣的技術被使用在新一代的預燒系統以減少預燒時間與產能。

Gardell[11]提出電子設備在製程中通常會經過多次測試：如在晶片等

級、模態等級測試及在預燒模態等級。溫度控制的挑戰因為尚未有適合的永久降溫設備所以顯的重要；設備的功率需要非常高且溫度的規格是棘手的。理想狀況下，熱學上的解將提供極簡單並快速被應用的溫度控制，高熱功率典型的解決方案是在矽表面上利用液體冷卻溫

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度。有許多方法被開發出來解決降溫表現的問題。熱表面降溫設備被拿來求取晶片熱測試的數值。溫度梯度圍繞在固定功率的測試上是一個關於設備功率、承座熱消耗、測試溫度、降熱力、力量中心與時間的函數。

隨著半導體封裝技術逐漸地提昇及複雜化，提高產品的可靠度是

必須的，可靠度的目的在於從設計開始就給予適當的導引、規劃，直到最終使用階段。

可靠度管理應注重以下幾點：

1. 建立可靠度的保證體系 2. 確保設計的可靠度 3. 加強製程的可靠度 4. 失效時分析和管理

半導體工業在探討其可靠度時，一般傳統的元件壽命都以可靠性

曲線來做參考，這種可靠度曲線是用來描述 IC 故障率的分佈，當將其繪成曲線時，其外型就像一個浴缸。如圖1-1所示。

圖1-1 浴缸型故障率曲線

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部分 I 表示故障率隨著時間降低，此區域稱為早期故障（Infant

Mortality）階段，在此區域的故障情形都是因為製造或設計不良。部

分 II 表示故障的發生無法預測，此區域稱為隨機故障（Random

Failure）階段，部分 III 表示產品的壽命已超過正常壽命階段，故障

率將隨時間急速上升，此區域稱為耗盡（Wear-out）期。

預燒是指施加高溫，使元件早期故障提早發生，此外，在預燒高

溫下，再加偏壓於訊號I/O腳。移除這些早期故障的元件後，剩下的產品在出廠時將有相當可靠的表現。故 IC 在封裝時必須經由預燒測試來確保IC的可靠度。

在測試記憶體IC時，必須將IC 拿到預燒爐去做預燒測試，其目

的是為了提供一高溫、高電壓、高電流的環境，讓生命週期較短的IC 在預燒過程中提早顯現出來，在預燒後必須在96 小時內IC預燒物理特性未消退前完成後續的測試流程，否則就要將 IC 放回預燒爐去重新預燒。圖1-2為半導體產品測試流程圖。

圖1-2 半導體產品測試流程圖[3]

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IC承座是用來承載IC封裝和作為IC及預燒板間之介面，故BGA 封裝之接點必須適用於高溫預燒板，所以預燒承座除了必須具備耐高溫能力外，還有許多性質值得預燒工程師加以考慮。這些屬性包括：

熱傳要求、IC 封裝引腳介面的接點、機械可靠性、材料選擇、維修保養問題、生產變動、電性要求、價格問題、人因工程學、和基本產品需求。圖1-3 為本研究之BGA 預燒承座之示意圖、圖1-4為 BGA 預燒板之示意圖、圖1-5為本研究之 84球10×12.4 IC之示意圖。

圖1-3 本研究之BGA 預燒承座示意圖

圖 1-4 BGA預燒板之示意圖

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圖 1-5 本研究之84球IC 示意圖

1.3 研究動機與目的

預燒承座的發展將隨著 BGA 封裝標準的建立而大幅進步，

Enplas、3M（Textool）、Plastronics、Yamaichi、TI、Wells Electronics 是現今 BGA 市場上預燒承座之幾家供應商，3M（Textool）針對

tape-BGAs、PBGAs 及CBGAs，已研發出超過80種轉接座。

不同的 IC 有不同之功能和規格，在預燒過程中就必須配合不同

的預燒承座和預燒板，不同於目前各家的預燒承座，本研究探討之預燒承座可隨著 IC 規格的變化，只須更換部分元件即可配合不同規格的 IC，達到共用之效果又能大量降低客戶的成本，這其中最大的特點在於轉接板和彈簧針座的設計，因為轉接板的設計提供了可將高腳數轉向低腳數的功能，使其滿足各個不同球數的 IC 之需求，彈簧針座的設計大大的降低其成本。如圖1-6所示本研究所探討之模組化設計的BGA 預燒承座。

(25)

圖1-6 本研究所探討之模組化設計預燒承座示意圖

希望藉由本研究的分析結果，與政府及相關單位相互合作，進而形成半導體測試及製造的完整體系，以提升我國在國際間之競爭力。

Base Contact Pin

Interposer Spring Base

Spring Cover Adapter

Cover

上蓋彈簧

Depressor

(26)

第二章研究方法與分析流程

2.1 預燒承座功能簡介

承座（Socket）是一種用來承接晶片模組的連接器，它是 IC 封

裝和印刷電路板間的介面，IC 在檢測時必須將它置於承座中，再將預燒承座嵌入預燒板上，最後放進預燒爐中，藉由預燒板將其測試時所需之電壓及電訊輸入或輸出至 IC 內，表 2-1 為預燒承座屬性之探討。

表 2-1 預燒承座屬性表

設計問題考慮屬性

電性較低的接觸電阻、低的引腳電感、適當頻寬人類工程學良好的定位功能、可攜帶的、板件組裝

熱傳散熱途徑、最大操作溫度、氣體散逸

機械性質堅固、力能有效傳到封裝體內

接觸點正向力、錫球氧化層刺破情形、刮削情形

材料耐高溫、抗腐蝕性、可焊的

維修和供應商可靠性、可在廠維修、低成本

產品校準方式、攜帶性、外型尺寸、可測腳數

本研究為探討預燒承座的測試分析與各元件之結構分析與熱應力分析，來確保各元件之壽命。

(27)

2.2 機構設計

在設計預燒承座前，需考慮其設計的四個基本需求：

ㄧ、在預燒過程中，不會因預燒承座而使BGA封裝的電性變差

二、具有足夠的頻寬與低接觸電阻。

三、在製造廠商的組裝過程中，不影響其封裝良率。

四、結構簡單，並控制結構元件之製造誤差降至最低

預燒承座採用模組化的設計是一個較佳的選擇，所謂模組化是將承座分成幾個次結構，經由各個次結構組合搭配而成，當次結構尺寸更改時，可進行尺寸設計而達到彼此共容。

當記憶體IC在進行預燒測試時，預燒承座必須具備以下特性：

一、不能因為承座的關係，而誤判 IC的好壞。

二、承座本身的結構必須堅固耐用，且必須滿足能測試10000次以上的需求。

三、承接 IC 的彈簧提供一個向上頂的力，此力必須大到能穿透在電鍍接點與錫球表面的薄氧化層，而小到使 IC 的損害降到最低。

四、設計承座時，須考慮 IC 錫球的腳距封裝規格逐漸縮小的趨勢。

五、承座本身的結構在生產製造的過程中必須導入自動化作業，

以降低成本，進而提升客戶的購買慾望。

為了讓預燒承座滿足上述條件，故採用模組化設計是一個較佳的選

(28)

擇。

本研究中模組化設計之預燒承座示意圖如圖1-8所示。主要結構

有上蓋(Cover)、誘導體(Adaptor)、固定臂(Depressor)、彈簧座上蓋

(Spring cover)、彈簧座底座(Spring base)、轉接板(Interposer)、底座(Base) 及接觸針（Contact Pin）所組合而成。上蓋藉由插銷將固定臂和誘導體合為一體，並透過上蓋彈簧傳遞彈力連結誘導體，使上蓋與誘導體間保持定位。誘導體提供 IC 能正確定位，和彈簧針座的彈簧相連。

固定臂的功能為固定 IC，使彈簧針座的彈簧能接觸 IC，使其導通接受測試。彈簧座上蓋和彈簧座底座兩者接合成一體，彈簧座上之彈簧針，用來承接錫球並與轉接板接通。轉接板透過線路設計能將 IC 球數轉換成 PCB 上的針數。底座中的接觸針(Contact pin)構成 IC 錫球至 PCB 之間的導通媒介，並傳遞訊號。誘導體與上蓋及固定臂組合成一體後，再利用誘導體四支延伸臂上的卡榫，將彈簧座上蓋、彈簧座底座、轉接板、底座及接觸針緊密結合成一體。因此承座為開口式設計，故散熱較為優良，因其為模組化設計，故可滿足不同尺寸的IC 之需求。

(29)

2.3 有限元素分析

本研究中各元件是使用射出成型及彈簧所組成，除一般的受力分析外，亦使用ANSYS有限元素分析軟體分析其變形狀況及接觸分析。

圖2-1為有限元素分析之流程圖，完整的有限元素程式包含前置處理

（Pre-processing）解題程式（Solution）和後置處理（Post-processing）。

圖2-1 有限元素分析之流程圖

(30)

2.4 受力分析

圖 2-2 上蓋未下壓時壓力臂全閉之示意圖

圖2-3 上蓋下壓時壓力臂全開之示意圖

圖2-2和圖 2-3為預燒承座壓力臂開啟及關閉的示意圖，由圖2-2 及圖 2-3 得知上蓋下壓到底時，上蓋彈簧被壓縮後，彈簧位移 X = 19.80-16.30=3.50 mm

19.80 16.30

(31)

2.4.1 未置入 IC 時上蓋之受力分析

今假設上蓋和誘導體組合後，上蓋下壓而壓力臂開啟，彈簧被壓縮了X（mm）位移，如圖 2-2所示，故由彈簧彈性公式可得知：

4 3

C

= Gd kg/mm

K 64 R N （2.1）

由虎克定律得知其預壓力為

F = KX _X （2.2）

其中 G 為彈簧之剪力模數（kg/mm²），d為線徑（mm），R 為彈簧線圈半徑（mm），Nc 為有效圈數，故其預壓力與彈簧參數之關係式為

4

X 3

C

F = Gd X

64R N （2.3）

因為有四支上蓋彈簧所以上蓋卡榫共受4F_X，所以每支上蓋卡榫承受的力為 F_X，則誘導體的四支「卡榫」亦共承受4F_X之反作用力。

將已知數據代入方程式（2.1），上蓋彈簧自由狀態下原長13 mm，當上蓋彈簧與上蓋及誘導體組裝成一體時，上蓋彈簧被上蓋預壓行程 X，X = 4.76 mm，G = 7300 kg/mm²，d = 0.35 mm，R= 1.23 mm，Nc =

17，可得

( )

4 4

X 3 3

7300 0.35 4.76

2.53 N

64 1.23 17

C

G d X

F = = =

64 R N

× ×

× × × × （2.4）

故可知上蓋彈簧各卡榫所承受的作用力為2.53 N。

(32)

2.4.2 置入 IC 後上蓋彈簧之位移

圖2-4 置入IC前後之壓力臂示意圖

圖2-4為置入 IC後，壓力臂運動示意圖，壓力臂因為IC受到彈簧針向上頂的彈力，使壓力臂旋轉上抬一位移，如圖2-5所示，圖 2-6為置入IC後壓力臂之自由體及其厚度效應力系圖

圖2-5 置入 IC後之壓力臂與彈簧之示意圖

圖2-6 置入 IC後之壓力臂之自由體力系圖

2.12

3.3

O

F

a

F

b IC

彈簧壓力臂

IC

(33)

圖 2-7 彈簧座中之彈簧示意圖

表 2-2 彈簧之幾何尺寸 (單位：mm)

圖2-8 套殻與彈簧之示意圖

大徑小徑線徑有效長度 (H) A B C

7 圈 5 圈 26 圈 Ø0.58 Ø0.37 Ø0.08 5.63

0.56 0.4 3.71 套殼長度：3.3

0.08

3.3

彈簧套殼

(34)

圖 2-9 彈簧針裝入套殻中受壓之情形示意圖

1. 如圖2-8所示，彈簧針放入彈簧套殼中受預壓後，彈簧套殼內所剩之空間：3.71 3.3 = 0.41mm−

2. PCB 板向上壓入彈簧後，凸出彈簧套殼外的長度為 0.46 mm，故彈簧後端被壓縮的位移：(0.56 0.4) 0.46= 0.5 mm+ −

3. 錫球壓入裝有彈簧之套殼中時，此時彈簧凸出套殼外之長度為 0.09 mm，彈簧套殼外長度為 0.56 mm，故彈簧前端被壓縮了：

0.56 0.09=0.47 mm−

故組裝後彈簧總共預壓了行程X X = 0.41 0.56 0.47 = 1.44 mm+ +

如圖2-7 所示，已知條件：d（線徑）＝ 0.08 mm；D（大徑）＝ 0.58 mm；彈簧之 G（剪力模數）＝ 8000 kg/mm²；Nc（有效圈數）＝ 25 圈；X（彈簧位移）= 1.44 mm

Gd4 g/mm K = = 8.4

8 NcD3 （2.5）

錫球壓入裝有彈簧之套殼中

Interposer 向上壓入彈簧

彈簧針放入彈簧套殼中受預壓

(35)

Gd X4 g F = KX = = 8.4 1.44 = 12.096

8NcD3 × （2.6）

單根彈力針之受力為12.096 g ，故 60 根彈力針受力為 12.096 × 60 = 725.76 g ，二支壓力臂向上施力 725.76 g，故單支壓力臂下壓 F_a=3.556 N

∑

M = 0₀

_b 3.3F^a N F = = 5.54

2.12 （2.7）

2.4.3 上蓋下壓至全開壓力臂的受力關係

圖2-10 施加外力F^JKc後壓力臂的受力關係示意圖

如圖 2-10 所示，當施加外力時，上蓋施力須先克服四根上蓋彈簧之預壓力，上蓋才能開始下移，壓力臂上抬後與上蓋彈簧之間的受力關係如式(2.7)所示，將已知數據帶入求得施加外力Fc^JJK ^之值。

上蓋彈簧被預壓了X = 4.76 mm，上蓋下壓到底時，彈簧下壓行程距 離3.50 mm，K = 0.0542 kg/mm，

FJJKc= 4.76 + 3.50

( )

×0.0542 4 = 1.79 kg = 17.542× ^N

（2.8）

FJJK

c

(36)

2.5 分析流程

本文是利用 CAD 軟體－SolidWorks 繪出各零件，再將零件組成組合件匯出成ACIS（*.sat）檔，接著將組合件匯入 ANSYS 做分析的動作，匯入後將組合件結合成一體，再定義各零件之材料參數、元素型式，網格化產生元素，各元件的接觸部份以接觸對（Contact Pair）

模擬接觸行為，本文採用三維面對面接觸元素（Target170 、 Contact173），接著定義分析形式為非線性靜態分析、邊界條件及負荷的位置後求解。求解後觀察應力和應變的分佈情形，最大應力發生的位置，比較各元件之降伏應力和最大等效應力，進而推算出其安全係數，找出最大變形量發生之位置，評估是否影響其元件之功能，考慮元件之平均應力的影響，且在高週次疲勞下，故使用 Modified Goodman 公式及 S－N Curve 推求得元件之預估之壽命，求得預估之壽命後，再以浴缸曲線失效模式評估其元件可靠度。可靠度的評估是依據統計學的觀點來規範一系統或零件之壽命，廣義來說，可靠度與操作的成功、可信賴性，且沒有停機或故障有密切的關係。若試驗N 個相同的零件，有F 個零件在 t 時間前失效，則可靠度的評估可表示 為：

( )

N - F N ts

( )

R t = =

N N （2.9）

失效機率為

^{Q t =}

( )

^F

N （2.10）

由上式兩式可得

R t + Q t = 1 （2.11）

( ) ( )

(37)

將上式微分並除以N_s，可得

( ) ( )

( )

s s

N dR t dF

0 = +

N t dt N t dt （2.12）

將（2.9）式帶入上式，求得

( ) ( )

( )

s

1 dR t dF

0 = +

R t dt N t dt （2.13）

上式中，等號右邊第二項為失效率，以^{h t 表示，可得}

( )

^{d lnR t}

( )

^{+ h t = 0}

( )

dt

⎡ ⎤

⎣ ⎦ （2.14）

將上式積分，並定義R t = 1.0 整理後可得

( )

^{R t = e ∫}

( )

^{- h τ dτ}⁰^t ^{( )} （2.15）

上式（2.15）為可靠度之計算式，h(τ)函數會因測試的零件不同而有所差異。

如圖 1-1 所示，電子產品之可靠度曲線為一類似浴缸型之曲線，

剔除早期故障階段及耗盡期後，剩下的便是隨機故障階段，再此範圍內失效率可視為一常數，所以式（2.15）中之h(τ)函數可是為一常數，

故式（2.15）可簡化為

^{R t}

( )

⁼^e^-^λ^t （2.16）

式（2.16）中 λ為失效率，即λ= h(τ)且 1/λ稱為平均失效時間（Mean

Time To Failure），此值為經驗累積求得。

(38)

表2-3 本預燒承座各元件之材料性質 預燒承座之材料性質

性質

材料

Modulus of Elasticity

（Mpa）

Poisson’s Ratio

Coefficient of thermal expansion（CTE）

（×10^-6/⁰C）

Density

（Kg/mm³）

Specific Heat（J/Kg-⁰C）

Thermal Conductivity

（W/mm-⁰C）

PEI 9308 0.3 6.11 1510×10^-9 1500 0.23×10^-3

At 23℃

LCP

13400 At 23℃

6370 At 200℃

0.44 4 at 20℃

3.1 at 20℃ 1620×10^-9 800 0.3×10^-3

琴鋼線 203400 At 25℃

0.3

At 25℃ *

7700×10^-9

~ 8030×10^-9

At 25℃

* *

鈹銅

（高強力型） 124000 0.3 ^17.8

（at 20~300℃）

8350×10^-9 at 20℃

418.76 at 20℃

0.26×10^-3~ 0.31×10^-3

at 20℃

鈹銅

（高傳導型） 20161 0.3 9 4507×10^-9 530 0.22×10^-3

銅 115000 0.31 17.3 8920×10^-9 386 387×10^-3

FR4

10×10³

（normal）

22×10³

（In plane）

0.28

（normal）

0.11

（In plane）

70

（normal）

18

（In plane）

1800×10^-9 150 14×10^-3

Stainless Steel

－Grade 304 193×10³ 0.3

17.2 at 100℃

17.8 at 315℃

18.4 at 538℃

8000×10^-9 500

16.2×10^-3 at 100℃

21.5×10^-3 at 500℃

(39)

第三章研究結果與結構分析

3.1 分析結果

3.1.1 上蓋元件有限元素分析

上蓋元件實體模型之長度單位為 mm，使用材料為聚醚醯亞胺

（PEI，Polyetherimide），以熱與結構之耦合場分析（Coupled Field

Analysis）來求得其變形、應力、應變、安全係數、使用週期及可靠

度之評估。

一、未置入IC之上蓋元件有限元素分析

（一）前置處理

1. 建立實體模型：使用SolidWorks 繪圖軟體，繪出實體模型，

如圖 3-1所示，並轉成ACIS（*.sat）檔，接著匯入ANSYS 中分析。

2. 元素種類：此分析元素採用 8個節點的 Solid 45元素。

3. 材料性質：上蓋元件使用材料為聚醚醯亞胺（PEI，

Polyetherimide），PEI 之機械性質與熱傳性質如表 2-3 所

示，楊氏係數隨溫度變化如圖 3-3所示

4. 建立有限元素模型：使用自由網格建立三維有限元素模型，如圖 3-2所示。

(40)

ANSYS 8.0 ELEMENTS PowerGraphics EFACET=1 1

X Y Z

圖3-1 上蓋之實體模型

圖3-2 上蓋之有限元素模型

圖3-3 PEI 應力-應變圖[3]

(41)

（二）解題程式

1. 宣告分析型式（ANTYPE）：分析型式為非線性靜態分析，

假設其他零件之變形不影響本零件之分析。

2. 設定邊界條件及負荷後求解：邊界條件如圖3-4方格 2 所示，作用於上蓋之四支卡榫，限制其X和 Y方向之自由度為零，負載方式如圖3-4方格 3所示銷的底部承受負

載2.53 N，如式 2.4所示。

圖3-4 未置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載

（三）後置處理

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯示出來。輸出結果如圖3-5 ~ 3-8所示，圖3-5 為未置入IC之上蓋元件之結構變形圖，圖 3-6 為未置入 IC 之上蓋元件之等效應力分佈圖，圖 3-7為未置入IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖，圖3-8為未置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖。

邊界條件

負載 2.53 N 邊界條件

1 2

3

(42)

ANSYS 8.0 DISPLACEMENT STEP=1 SUB =1 TIME=1 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 1

X Y Z

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 SMN =.755E-06 SMX =20.34 1

MN MX

X Y Z

.755E-06 2.26 4.52 6.78 9.04 11.3 13.56 15.82 18.08 20.34

圖3-5 未置入 IC之上蓋元件之結構變形圖

圖3-6 未置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖

(43)

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 EPTOEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 SMN =.195E-09 SMX =.002218 1

MNMX

X Y Z

.195E-09 .246E-03 .493E-03 .739E-03 .986E-03 .001232 .001479 .001725 .001971 .002218

圖3-7 未置入 IC之上蓋元件之最大應力局部放大圖

圖3-8 未置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖

MN MX

MX

SMAX=20.34 MPa 最大應力發生處

(44)

（四）結果討論

由圖 3-5得知其最大變形量為 0.0113 mm，並不會影響承座之正常運作，由圖 3-7得知其最大等效應力發生的位置在於卡榫部份，其最大等效應力值為20.34 MPa，PEI材料之降伏應力為 158 MPa，最大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再作非線性分析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素。

畸變能理論：

（3.1）

其安全因素為

（3.2）

最大等效應變值為0.0022，而最大變形量為 0.0113 mm，其值對於元件整體之影響甚小，並不影響承座功能之正常運作。

圖3-9 PEI（2300應力壽命曲線圖）[1]

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 7.768

σ 20.34 MPa

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

0 4 2 6 8 10 12

20 40 60 80

Stress，10^3 psi Stress，MPa

Cycles to Failure

ULTEM 2300 Resin

ULTEM 2200 Resin ULTEM 2100 Resin

ULTEM 1000 Resin

(

1 2

) (

² 2 3

) (

² 3 1

)

²

Μises

σ - σ + σ - σ + σ - σ

σ =

2

(45)

PEI 材料的抗拉強度為 σ_u= 168.9 MPa ，而受力狀態中最大應力為 σmax = 20.34 MPa，最小應力 σmin = 0 MPa，應力振幅 σa = 10.17 MPa

平均應力 σm = 10.17 MPa，將上述各值帶入 Modified Goodman公式。

（3.3）

求得疲勞極限S_e= 10.8216 MPa，與PEI 材料之應力－週期曲線比較之下，此元件能超過 10⁸次以上的運作。接著以浴缸曲線來評估產品之可靠度，若到達第8000個循環時，此元件之可靠度為

（3.4）

由上式得知，上蓋之可靠度為0.999，該元件之設計符合受力需求。

二、置入IC之上蓋元件有限元素分析

如圖 3-1所示，並轉成ACIS（*.sat）檔，接著匯入ANSYS 中分析。

3. 材料性質：上蓋元件使用材料為聚醚醯亞胺（PEI，

示，楊氏係數隨溫度變化如圖 3-3所示

e

10.17 10.17

+ = 1

S 168.9

( )

cover cover 8

R = exp λ t = exp 8000 = 0.999 10

⎛ ⎞

− ⎜⎝− ⎟⎠

(46)

2. 設定邊界條件及負荷後求解：邊界條件如圖3-10方格 2所示，銷的底部限制其自由度為零，負載方式如圖3-10方格 3所示均勻溫度負載150℃。

圖 3-10 置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯示出來。輸出結果如圖3-11 ~ 3-14 所示，圖3-11為置入IC之上蓋元件之結構變形圖，圖 3-12為置入 IC 之上蓋元件之等效應力分佈圖，圖 3-13為置入 IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖，

圖3-14為置入IC之上蓋元件之等效應變分佈圖。

均勻溫度負載150℃ 1

邊界條件 2

3 單支壓力臂下壓5.54N

(47)

X Y Z

File: COVER

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.027929 SMN =.638E-05 SMX =31.751 1

MN

MX

X Y Z

.638E-05 3.528 7.056 10.584 14.112 17.64 21.167 24.695 28.223 31.751

File: COVER

圖3-11 置入IC之上蓋元件之結構變形圖

圖 3-12 置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖

(48)

MN MX

X Y Z

.101E-08 .415E-03 .831E-03 .001246 .001662 .002077 .002493 .002908 .003324 .003739

File: COVER

圖 3-13 置入IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖

圖 3-14 置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖

SMax=31.751MPa

MN

MX

最大應力發生處

(49)

由圖3-11得知其最大變形量為0.0279 mm，並不會影響承座之正常運作，由圖 3-13 得知其最大等效應力發生的位置在於卡榫部份，

其最大等效應力值為31.751 MPa，PEI材料之降伏應力為 158 MPa，最大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再作非線性分析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素。

其安全因素為

（3.5）

最大等效應變值為0.0037，而最大變形量為 0.0279 mm，其值對於元

件整體之影響甚小，並不影響承座功能之正常運作。

PEI 材料的抗拉強度為 σu = 168.9 MPa，而受力狀態中最大應力為 σ_max= 31.751 MPa，最小應力 σ_min= 0 MPa，應力振幅 σ_a= 15.8755 MPa 平均應力 σm = 15.8755 MPa，將上述各值帶入 Modified

Goodman公式

（3.6）

求得疲勞極限Se = 17.522 MPa，與PEI 材料之應力－週期曲線比較之下，此元件能超過10⁸次以上的運作。接著以浴缸曲線來評估產品之可靠度，若到達第8000個循環時，此元件之可靠度為

（3.7）

由上式得知，上蓋之可靠度為0.999，該元件之設計符合受力需求。

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 4.976

σ 31.751 MPa

( )

cover cover 8

R = exp λ t = exp 8000 = 0.999 10

⎛ ⎞

− ⎜− ⎟

⎝ ⎠

e

15.8755 15.8755

+ = 1

S 168.9

(50)

3.1.2 壓力臂元件有限元素分析

如圖 3-15所示，並轉成 ACIS（*.sat）檔，接著匯入 ANSYS 中分析。

2. 元素種類：此分析元素採用 8個節點的 Solid 45元素，並因本元件涉及接觸問題，於是加入了三維面-面接觸元素

Targe170及 Contac173來模擬其接觸行為。

3. 材料性質：壓力臂元件使用材料為聚醚醯亞胺（PEI，

示。楊氏係數隨溫度變化如圖 3-3所示

圖3-15 壓力臂之實體模型

(51)

圖3-16 壓力臂之有限元素模型

2. 設定邊界條件及負荷後求解：壓力臂之輔助結構圖，如圖 3-17 所示，邊界條件方格2 如圖3-18 所示，限制IC 底部所有的自由度為零，限制軸外部及卡溝上部所有的自由度為零，負載方式如圖 3-18方格 3為均勻溫度負載 150℃。

圖 3-17 壓力臂之輔助結構圖

卡溝

壓力臂

軸

IC

(52)

圖3-18 壓力臂相關位置之邊界條件與負載

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯示出來。輸出結果如圖3-19 ~ 3-22所示，圖 3-19為壓力臂之結

構變形圖，圖 3-20 為壓力臂之等效應力分佈圖，圖 3-21 為壓力臂之最大應力局部放大圖，圖3-22為壓力臂之等效應變分佈圖。

承受一5.54的拉力

1 2

3

均勻溫度負載150℃ 邊界條件

(53)

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.014525 SMN =.009321 SMX =99.431 1

MN

MX .009321

11.056 22.103 33.15 44.197 55.243 66.29 77.337 88.384 99.431

圖3-19 壓力臂之結構變形圖

圖3-20 壓力臂之等效應力分佈圖

(54)

MN

MX

.103E-05 .001346 .00269 .004035 .00538 .006724 .008069 .009413 .010758 .012103

圖3-21 壓力臂最大應力局部放大圖

圖3-22 壓力臂之等效應變分佈圖

由圖3-19得知其最大變形量為0.0145 mm，並不會影響承座之正常運作，由圖 3-21 得知其最大等效應力發生的位置在於壓力臂與軸

MN

MX

1

M X

SMax=99.431Mpa

(55)

接觸部份，其最大等效應力值為99.431 MPa，PEI 材料之降伏應力為

158 MPa，最大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再

作非線性分析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素，其安全因素為

（3.8）

PEI 材料的抗拉強度為 σ_u= 168.9 MPa，而受力狀態中最大應力為 σmax = 99.431 MPa，最小應力 σmin = 0 MPa，應力振幅 σa = 49.715 MPa

平均應力 σm = 49.715 MPa，將上述各值帶入Modified Goodman公式

（3.9）

求得疲勞極限S_e= 70.45 MPa，與PEI 材料之應力－週期曲線比較之下，此元件能超過 1.6×10⁴次以上的運作。接著以浴缸曲線來評估產品之可靠度，若到達第8000個循環時，此元件之可靠度為

（3.10）

由上式得知，壓力臂之可靠度為0.6065，此為該元件之可靠度評估值。

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 1.589

σ 99.431 MPa

e

49.715 49.715

+ = 1

S 168.9

( )

depressor depressor 4

R = exp λ t = exp 8000 = 0.6065 1.6 10

⎛ ⎞

− ⎜⎝− × ⎟⎠

(56)

3.1.3 誘導體元件有限元素分析

如圖 3-23所示，並轉成 ACIS（*.sat）檔，接著匯入 ANSYS 中分析。

3. 材料性質：誘導體元件使用材料為聚醚醯亞胺（PEI，

示。楊氏係數隨溫度變化如圖 3-3 所示。彈簧針座上蓋的材料為 LCP，LCP 的機械性質與熱傳性質如表2-3所示。

4. 建立有限元素模型：使用自由網格模擬三維有限元素模型，如圖 3-24所示，為誘導體與彈簧針座上蓋之有限元素模型。

圖3-23 誘導體之實體模型

(57)

X Y Z

圖3-24 誘導體與彈簧針座上蓋之有限元素模型

2. 設定邊界條件及負荷後求解：誘導體與彈簧針座上蓋之邊界條件如圖 3-25方格 1所示，限制彈簧針座上蓋底部和四支卡榫所有的自由度為零，如圖 3-25方格3所示，施予一負載與均勻溫度負載 150℃。

圖3-25 誘導體與彈簧針座上蓋之邊界條件與負載

邊界條件

1 2

3 均勻溫度負載150℃

(58)

X Y Z

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯示出來。輸出結果如圖3-26 ~ 3-29所示，圖 3-26為誘導體之結

構變形圖，圖 3-27 為誘導體之等效應力分佈圖，圖 3-28 為誘導體之最大應力局部放大圖，圖3-29為誘導體之等效應變分佈圖。

圖3-26 誘導體之結構變形圖

(59)

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=2 SUB =1 TIME=2 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.03639 SMX =44.188 1

MN MX

X Y Z

0 4.91 9.819 14.729 19.639 24.549 29.458 34.368 39.278 44.188

圖3-27 誘導體之等效應力分佈圖

圖3-28 誘導體之最大應力局部放大圖

SMax=44.188MPa

MN MX

MX

XY Z

(60)

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=2 SUB =1 TIME=2 EPTOEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.03639 SMX =.004801 1

MN MX

X Y Z

0 .533E-03 .001067 .0016 .002134 .002667 .003201 .003734 .004268 .004801

圖 3-29 誘導體之等效應變分佈圖

由圖3-26得知其最大變形量為0.0279 mm，並不會影響承座之正常運作，由圖 3-28 得知其最大等效應力發生的位置在於誘導體底部卡榫凹角部份，其最大等效應力值為44.188 MPa，PEI 材料之降伏應力為

158 MPa，最大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再

作非線性分析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素，其安全因素為

（3.11）

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 3.5756

σ 44.188 MPa

中文摘要

中文摘要

Abstract

誌謝

目錄

圖目錄

表目錄

定性的失效機率等級

系統的損害程度

第一章 緒論

1.1 前言

1.2 文獻回顧

1.3 研究動機與目的

第二章 研究方法與分析流程

2.1 預燒承座功能簡介

2.2 機構設計

2.3 有限元素分析

2.4 受力分析

( )

( )

O

F

F

∑

( )

2.5 分析流程

( )

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

第三章 研究結果與結構分析

3.1 分析結果

(

) (

) (

)

( )

( )

3.1.2 壓力臂元件有限元素分析

( )

3.1.3 誘導體元件有限元素分析

第一章緒論

第二章研究方法與分析流程

第三章研究結果與結構分析