行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
IC 封裝模具剪向黏模強度量測技術的開發
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-006-018-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 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： 黃聖杰、裴建昌、陳暉長 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 94 年 6 月 30 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報 告
□期中進度報告
IC 封裝模具剪向黏模強度量測技術的開發
計畫類別：□ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號： NSC
93-2622-E-006-018-CC3
執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日
計畫主持人：
黃聖杰
共同主持人：
計畫參與人員：黃聖杰、
裴建昌、陳暉長
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
本成果報告包括以下應繳交之附件：
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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
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執行單位：
中 華 民 國 94 年 06 月 30 日
計畫編號：NSC93-2622-E-006-018-CC3 執行期限：93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 主持人：黃聖杰 國立成功大學機械系 計畫參與人員：黃聖杰、裴建昌、陳暉長 （一） 計畫中英文摘要 摘 要
在電子 IC 構裝封膠製程中，封膠材料（EMC；Epoxy Molding Compound）在熟化
成型過程中會與 IC 模具表面產生黏著的現象，稱之為黏著效應（Adhesion Effects）；而 此黏著效應對於脫模作業過程會有所影響，甚至可能會造成封膠失敗、可靠度不佳與生 產良率降低等結果。對於模具而言，黏著效應會造成產品脫模不易而影響產品的品質。 所以如何在不影響現有模具設計前提下，能夠藉由適當的表面處理以及鍍膜選擇，來有 效改善封裝生產線產能，是目前產業界及研究單位所重視的主題。 本計畫針對此黏著效應，自行研發一套電子構裝黏著力的量測技術，用來量測膠體 與模具表面之間的剪向黏模力。本研究配合田口氏實驗設計法，針對影響 IC 封裝模具 與塑料膠體間黏著力可控制之重要製程參數進行因子效應的研究，進而得知各製程參數 控制因子對黏著效應的關係，並且藉由觀察黏著力量變化的趨勢，希望可以找出黏著效 應發生的原因，確實掌握清模時機，進而增加產能，解決黏模問題，以減少黏著效應所 產生的不良影響。 關鍵詞：IC 構裝、黏著效應、黏著力 Abstract
In IC packaging, when epoxy molding compound (EMC) is filling the mold cavity and cured in the mold, adhesion occurs in the interface between EMC and mold surface. Too large an adhesion force can damage an IC and lower the yield rate. Many parameters will affect the mold adhesion force. However, there was no report showing how to measure the mold adhesion force and discussing the effect of process parameters on the mold adhesion force.
This project described the design and fabrication of an automatic EMC adhesion force test instrument that will measure adhesion force between mold surface and EMC. Several important parameters that affect the mold adhesion force in IC packaging process were also discussed in this project. A series of experiments were done using the EMC adhesion force test instrument designed by ourselves. By using Taguchi’s method, one can determine what parameters are important for reducing the magnitude of adhesion force between EMC and mold surface.
(二 ) 研 究 計 畫 背 景 及 目 的 Ⅰ.封膠材料的固化過程 一般所採用的封裝材料是屬於熱固性塑膠材料，熱固性塑膠加熱至某一溫度時，會 發生一種鍵結反應，而引起塑料分子不斷化合鍵結在一起，並在鍵結反應過程中會放出 熱量，使溫度和流動性提高。當鏈結反應結束後，便會發生固化(Curing)的情形，而變 成性質不同的新物質，即使再加熱也不會軟化熔融，所以一但使用後就再也無法重複使 用。Loos 和 Springer[1]發展了一個數學模式來模擬熱固性複材之固化過程。Springer[2] 研究纖維強化樹酯流於固化過程中的現象，並與 Loos 和 Springer 發展的數學模式比較。 Gonzalez 與 Shen[3]研究快速反應熱固型塑膠的流變特性，探討模具溫度與壓力對流動 性的影響。Frutiger[4]以簡化的矩形模穴，研究熱固型及熱塑型塑膠充填的流動，受不 均勻熱傳及模穴表面溫度等的變化影響，對循環時間及成品品質的影響。Lee 和 Tucker[5] 探討熱壓成型充填時之熱傳與流動。 Ⅱ.量測方式 關於 EMC 與異質材料間黏著效應的研究幾乎都著重於 IC 的可靠度及性能表現上。 1987 年，Darvin R. Edwards [6]等人研究封裝材料與導線架(Leadframe)之間，因偏移效 應導致剪應力的影響。 1991 年，Samuel Kim [7]利用 180° Peel Test、Button Shear Test 及 Tab Pull Test 等三種測量方式研究 EMC 的黏著力與 IC 性能間的關係，並提出此三種 方法在量測中鑑別度優劣的問題。1997 年，Minjin Ko [8]等人利用 90° Peel Test 的測量 方式研究 EMC 中的添加物對於異質材料間黏著力的影響。1998 年，Xiang Dai [9]等人 以破壞力學的觀點，利用 DBC(Double Cantilever Beam)的測量方式研究 PCB 與 Underfill 材料(chip/underfill、polymer substrate/underfill)之間的黏著性質。1999 年，Naotaka Tanaka [10]等人利用雙層 ENF 試片(Two-Layer End-Notched Flexure Specimen)做三點彎曲實驗 來研究 IC 吸收溼氣(Moisture-Absorbed)後 EMC 與異質材料間介面的接合性質。2001 年， T. Scherban [11]等人利用四點彎曲量測方法來研究金屬導線架構(Interconnects)與薄膜 (Thin Film)材料間的黏著強度關係。2002 年，R. Balkova [12]等人利用 Lap Shear Test 的 測量方式研究 Epoxy 材料的黏著強度與時間、水氣與溫度等環境因子間的關係。2003 年，Terry L. Gordon [13]等人利用 Lap Shear Test 的測量方式研究 Epoxy 材料與基材 (Substrates)的彈性係數(Elastic Modulus)對黏著強度的影響。同年，Steven Murray [14]等 人利用 T-Peel Test 的量測方法研究 EMC 與金屬介質材料，因為溫度、溼度與金屬材料 厚度造成 IC 晶片疲勞損壞的影響。 張祥傑[15]先生自行開發微材料測試系統，以解決電子構裝相關材料試驗上需要高 解析度與高精度的問題。王俊祥[16] 先生利用材料試驗機與自行開發的模具，就針對不 同模具表面處理及封膠製程參數對黏模力的效應進行初步的量測分析，不過其所發展的 量測機構與量測方式並不是十分的精確，實驗設備與實驗平台之間銜接固定不良，因此 在進行實驗時會產生定位的問題，而且模穴的幾何形狀設計，不能確保因黏著力量產生 的破壞會是在膠體與模具表面，所以無法有效的量測到界面黏著的力量。莊俊華[17]先 生自行開發出一套量測封裝材料與金屬模具表面之間 Normal Bonding Strength 的量測技 術，包括設備的開發以及模具的設計，用來解決 IC 封裝黏模的問題。2002 年，朱言主
[18]先生針對 EMC 與模具表面處理進行各種正向黏著力的黏著研究。2003 年，研究封 裝材料與金屬間接合強度相關文獻中：首先，Masaki Yoshii [19]等人在 IC 模具的頂出銷 底部加裝荷重計(Load Cell)，藉由頂出 IC 成品的同時量測出成品脫模時所需的力量 (Releasing Force)，如圖一所示。Masaki Yoshii 在研究中發現脫模力會隨著灌膠模次的增 加而升高。Shyang-Jye Chang [20]等人研究 EMC 與模具表面黏著效應，並獲得影響該力 量大小的重要因數。同年，林俊宏[21]先生自行開發出一套 EMC 與金屬介面正向與剪 向黏著力複合試驗設備，卻在執行實驗期間發現機台設備開模時，模具之中板因錯位現 象導致位置不確實，使得黏著效應力量量測窒礙難行。2004 年，黃勁華[22]先生解決模 具之中板因錯位現象，並在 EMC 與構裝模具介面間探討影響黏著力試驗之研究。同年， 張祥傑[23]先生參照規範並加以改良，發展出一套全伺服四軸剪向黏著力測試系統，該 機台也進行剪向黏著力可靠度測試。 圖（一）脫模力量測方式 Ⅲ、黏著強度量測規範 本 研 究 計 畫 中 黏 著 強 度 的 量 測 規 範 分 別 為 ASTM-standard、SEMI-standard 與 ASME-standard。此規範標準都是都是針對黏著物質 Epoxy 與金屬間 Coating 的量測規 範。對於 IC 封裝製程 EMC 塑膠材料與其他異質材料如模具表面、基板（Substrate）以 及導線架（Leadframe）之間 Shear Strength 的量測原理，主要是參考 SEMI-standard (Semiconductor Standard)G69-0996 的量測規範[24]。在 SEMI-G690-0996 中，訂定了封裝 材料 EMC 與 Leadframes 之間的 Adhesion Strength 量測規範，分別有 Shear Method、Pull Method 以及 Three-Point Bending Method 三種，每一種都有標準的試片尺寸、模具尺寸 以及量測的方式，如附圖二所示。此規範標準都是都是針對黏著物質 Epoxy 與金屬間 Coating 的量測規範。ASTM 在黏著物質特性的量測上，有 D1002-94(Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading) [25] 、 D1062-96(Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds) [26]、D897-95a(Standard Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds) [27] 、 D2182-72(Standard Test Method for Strength Properties of
IC 成品
頂出銷
Metal-to-Metal Adhesives by Compression Loading) [28]、D3164-73(Standard Recommended Practice for Determining the Strength of Adhesively Bonded Plastic Lap-Shear Sandwich Joint in Shear by Tension Loading) [29]等量測規範。ASME MD-Vol.4 [30]中介紹七種有關 Epoxy 與 Coating 之間黏著強度的量測方式，如圖三所示。
（1）Shear Method
Adhesive Area Leadframe Thickness Height of Molding Compound 10 ± 0.5mm2 0.254-0.125mm (0.15mm is recommended) 3 ± 0.15mm （2）Pull Method
Adhesive Area Molding Compound Sample Thickness
16 ± 0.8mm2(both sides) 3 ± 0.15mm Molding Compound Leadframe Pull 4mm 4mm
（3）Three-Point Bending Method Molding compound Thickness tp (mm) Leadframe Thickness ta (mm) Span 2L (mm) Pre-Crack Length a(mm) Sample Width b(mm) Standard 1.5 0.25 45 10-15 6 Type A (for low adhesive strength) 0.8 0.2 35 8-10 4 Type B (for high temperature measurement) 4 0.5 50 10-15 6 Other Sample Type
The following equations should be 2L≧8 (tp + ta) and L – a (tp + ta)
Fixed End Coating Epoxy F h F Coating Substrate Coating Epoxy F F Coating Epoxy Thin-walled Cylinder
(a) Direct Tensile Pull-off Test (b) Moment or Topple Adhesion Test
(c) Lap Shear Test
Coating Epoxy F F Epoxy Coating F Notch Epoxy Coating Substrate F 圖（三） 黏著強度的量測方式七種方式 (e) Double Cantilever Beam Test (DBC)
(f) Double Torsion Test
Ⅳ 、 黏 著 界 面 量 測 方 式 在本計畫之前有談到黏著界面量測方式，如附圖（二、三）。圖中明確說明了不同 型態的量測方式，主要是在探討黏著物質結合後可能遭受破壞的型態，並實際測量各種 破壞型態所能承受的破壞強度，其基礎理論來自於破壞力學[31]，而破壞力學是一門相 當複雜的科學，尚有許多沒有解的情況，且在實驗設備與其配合的實驗試片都有相當嚴 格的規定。由於本文所探討的是 IC 封裝黏著效應，意旨將尋求封裝模具表面、基板 （Substrate）以及導線架（Leadframe）與封膠塑膠材料之間 Shear Strength 的大小，所 以在此我們並不適用一般傳統的破壞力學準則，但是在量測型態上我們將採用 Masaki Yoshii 附圖（一）的第一種測量方式，也就是 Shear Method，此種測量方式亦附和一般 IC 模具的脫模型態及量測規範，所以我們計畫的實驗設備也就將以此測量方式進行規畫 設計。 Ⅴ、EMC 固化反應過程 EMC 的材料組成包括環氧樹脂、硬化劑、促進劑、觸媒及其他添加劑等。在適當 的溫度下環氧官能基與硬化劑作用產生鏈結反應，又稱為固化反應(Cure Reaction)。固 化過程中，樹酯轉化率漸增，同時鍵結反應會伴隨大量反應放熱，而提高材料溫度、加 速反應速率。當達到膠化點(Gel Point)時，材料會由液態轉變成固態而硬化成型，直到 完全熟化為止。封膠材料的熟化程度在製程上是一項相當重要的參數，而熟化程度又與 溫度及時間有非常密切的關係。因此在實驗進行前，有必要先對膠體熟化反應模式進行 了解。 研究計畫目的 黏著力的形式分為的正向黏著力與剪向黏著力，大部分有關 IC 的可靠度及性能表 現方面的研究幾乎都必須量測 EMC 與異質材料間黏著力，然而，目前市面上卻沒有適 合的量測技術或是可靠的量測儀器專門用來量測半導體封裝材料（EMC、Underfill）與 異質材料（PCB、Leadframe、Chip）之間的黏著性質。由於缺乏可以將黏著性質量化的 工具，對於黏著力的量也沒有標準化的樣品，相關的研究便利用現有的量測準則，配合 一般的材料試驗機來評估黏著界面的性質，結果造成評估的準則缺乏一致性，各家的研 究結果無法比較，使研究人員們的成果無法分享，甚至失去參考的價值。基於這個理由， 發展一套專門用來量測封裝材料與異質材料間的黏著性質的技術便顯得非常重要。 本研究針對產業界對封裝材料與金屬模具表面的界面在封膠的過程中，因黏著效應 而引起產品不良率問題，自行研發一套自動化的量測技術，並將該構想具體實現，製作 了一套專門用於封裝材料剪向黏著力的量測儀器，利用這一套自行開發的自動化量測技 術，來進行剪向黏著力量的量測，並對於影響黏模力的製程參數因子（Controllable Factors），如模具表面處理方式、模具表面平均粗度、成型模穴環境溫度、膠餅充填壓 力等因素，以田口氏實驗計畫法來進行因子效應（Factor Effects）的研究，藉以得知各 製程參數控制因子對黏著效應的關係。另外更進一步藉由連續量測實驗，觀察其黏著力 量的趨勢，希望可以找出黏著效應發生的原因，確實掌握清模時機，進而加產能，解決 黏模問題。
本研究的重點在於創新量測技術的研發，以現有量測規範為基礎，發展出一套專門 用來量測封裝材料與異質材料間的黏著性質的設備，利用一套有系統且科學化的量測技 術，針對在不同條件下 EMC 與模材表面的黏著力量，進行量測與界面科學的研究，以 得到在封裝過程中模具表面性質與各種製程參數對黏著效應的相關資訊，讓封裝製程人 員能進一步改善製程的參數，以提高生產的效率及產品良率。 目 前 之 研 究 成 果 系統組立 灌膠系統的架構如圖四所示，當伺服馬達啟動時，首先經過減速機當轉動速度減 慢，經由連軸器與滾珠螺桿相連接，再藉由螺桿來帶動柱塞（Plunger）前進與後退來進 行灌膠。此設計馬達直接與滾珠螺桿相連接，而不再透過其他機構（如皮帶、齒輪等） 來傳遞，因此可保有較高的精度。此外，為了確保灌膠壓力能夠在固化時間內能夠保持 定值，所以在柱塞後方裝置一個荷重計（Load Cell）。由荷重計量測灌膠力量，即時回 溯到控制器內，然後控制器再輸出補正訊號給馬達，因此即可精確的控制灌膠壓力。另 外，脫模銷及檢測兩軸之架構也類似圖四所示。 圖四 灌膠系統的架構圖 連軸器 馬達 減速機 螺桿 荷重計 柱塞
圖五為伺服馬達與驅動器實體圖，表一為各軸馬達的規格，而表二為各軸螺桿及減 速機之主要規格。
圖五 伺服馬達與驅動器 表一 馬達規格表
鎖模 灌膠 脫模銷 檢測
廠牌 Panasonic Panasonic Panasonic Panasonic
型號 MSMA042A
1E
MSDA043A1A MSDA043A1A MSDA043A1A
電源 三相/200V 三相/200V 三相/200V 三相/200V 輸出功率 750W 400kW 200kW 200kW 額定輸出扭矩 2.4N⋅m 1.3N⋅m 0.64N⋅m 0.64N⋅m 最大輸出扭矩 7.2N⋅m 3.9N⋅m 1.92N⋅m 1.92N⋅m ∗最大輸出扭矩為馬達瞬間能夠輸出的最大值 表二螺桿及減速機之主要規格 鎖模 灌膠 脫模銷 檢測 螺桿外徑 38mm 20mm 20mm 20mm 螺桿導程 10mm 5mm 5mm 5mm 減速機之減速比 1：10 1：5 無 1：5 減速機之出力軸心 22mm 16mm 無 16mm 組立完成的 IC 構裝剪向黏模力測試機如下圖六所示。此套設備可以對封裝材料與 金屬模具表面的剪向黏著力量進行量測，用以探討半導體在封裝過程中因封膠、脫模頂 出所發生的黏模問題。
剪向黏著力實驗測試機台 本計畫已經成功發展出封裝材料剪向黏著測試機台，如圖六所示。對於機台的穩定 度也已經過一系列的可靠度測試，目前正規劃實驗計畫法，進行封裝材料剪向著力量之 測試。 圖六 剪向黏著力實驗測試機台 （ 四 ） 計 畫 成 果 自 評 本計畫之內容與進度皆在原規劃之中，實驗設備已經完成，並開始進行測試。發展 出一套 IC 封裝異質材料間剪黏著強度標準的量測技術。 1. 針對此套技術的發展，完成量測方式的選擇以及量測機構的設計。 2. 完成量測機構的測試，包括穩定性以及數據的重現性，達到可靠度的要求。 此項設備與技術發展相當成功，對於國家與工業界將有重大的貢獻。因為封裝材料 與模具表面、基板以及導線架之間 Adhesive Strength 的量測問題一直是構裝業者急待解 決的難題，至今仍然沒有一套量測的設備以及參考的數據，此計畫能夠順利完成，不僅 對於解決封裝剪黏著強度的問題有幫助，而且還可提升廠商的競爭力。在學術與技術發 展上，這些技術目前並沒有廣為討論，因此技術與學術上都能有很多創新與貢獻。人員 的訓練方面則可以為國家培養 IC 封裝製程、機械設計、機構設計與量測的人才，對於 提升國家競爭力有很大助益。
參 考 文 獻
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