行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
IC 封裝後熟化製程之翹屈與內應力研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2212-E-006-051- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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： 葉健佑、楊皓文、楊崇邠 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 17 日
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 封裝後熟化製程之翹曲與應力研究
計畫類別：
個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號：NSC 94－2212－E－006－051－
執行期間：九十四年八月一日至九十五年七月三十一日
計畫主持人：黃聖杰
共同主持人：
計畫參與人員：葉健佑、楊皓文、楊崇邠
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：□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
執行單位：國立成功大學機械系
中
華
民
國
九 十 五
年
七
月
三 十 一
日
摘要
環氧樹脂(epoxy molding compound, EMC)普遍使用在電子封裝產品中，因此 EMC 的相關 研究顯得相當重要。而封裝製程中的封膠製程後的翹曲量ㄧ直都是封裝工程師的困擾。由 EMC-Cu 與 EMC-Si 雙層板材料的翹曲實驗與模擬結果顯示：高模溫會導致較大的翹曲量， 模壓對於翹曲量的影響則較不明顯。模擬的原理是利用 EMC 的 P-V-T-C 特性(即模壓、體 積、模溫、熟化度之間的關係)。未加壓的後熟化實驗與模擬結果顯示：後熟化製程可減低 翹曲量。模擬的原理是利用玻璃轉化溫度(Tg)因後熟化製程而改變的現象。 長時間、高溫的製程環境(後熟化製程)之下，塑膠封裝材料 EMC 會有黏彈性質的產生， 所以在進行後熟化分析時，有必要將 EMC 材料考慮成黏彈性材料。但 EMC 材料在不同熟 化度下的黏彈模型目前並沒有，因此，本論文最重要的目標即在建立包含熟化度的封裝材 料黏彈模型。 在經由 DMA 的實驗之後，確定 EMC 材料的廣義麥斯威爾模型及 WLF 公式。而透過在 常溫之下、對於不同熟化度材料的模數測量可得到熟化度與熟化度轉變因子之間的關係式。 WLF 公式用來確定溫度T與溫度轉變因子aT之間的關係。而上述熟化度與熟化度轉變因 子的關係式用來確定熟化度C與熟化度轉變因子a 之間的關係。這兩種關係式決定了與溫C 度及熟化度相關的轉變因子。因此，藉著這兩個關係式可以確定任何熟化度及溫度之下的 鬆弛模數。 關鍵詞：EMC、黏彈性、轉變因子
Abstract
Epoxy molding compound (EMC) is a common material in electronic packages. Warpage after encapsulating in packaging process is always a problem to engineers. The experimental and simulation results of warpage of EMC-Cu and EMC-Si bi-laminates revealed that higher mold temperature caused larger warpage, and the packaging pressure effect upon warpage was less dominant. The simulation was based on P-V-T-C properties of EMC (, i.e. the relation between packing pressure, volume shrinkage, mold temperature and degree of cure).
The experimental and simulation results of bi-laminates during non-pressed post mold cure (PMC) revealed that PMC could reduce the warpage. The simulation was based on the phenomenon that Tg changes during PMC.
Under high-temperature for a long time such as PMC, EMC can behave like a viscoelastic material. Therefore viscoelasticity should be considered during the post mold cure process. Due to the lack of cure-dependent viscoelastic models, the objective of this thesis is therefore to construct a viscoelastic model with degree of cure as one of parameters.
By dynamic mechanical analyzer (DMA) testing, the generalized Maxwell's model and Williams-Ladel-Ferry (WLF) equation of Hitachi 9200 compound were identified. By the measuring the loss and storage moduli of differently cured polymer at room temperature, the equation relating the degree of cure to cure shift factor was also proposed.
WLF equation defines the relation between temperature and temperature shift factor(aT) while the forementioned shift equation defines the relation between degree of cure and cure shift factor(aC). These two relating equations define two kinds of shift factors. With these two relating equations, the relaxation modulus for any degree of cure and temperature can be defined.
前言
環氧樹酯(epoxy molding compound, EMC)普遍使用於電子封裝產品中，因此對於其性質 的相關研究顯得相對重要。而在製程中，封膠充填之後的產品翹曲，一直是封裝工程師的 困擾。而藉由不斷地調整製程參數，可以或多或少地解決這問題，即：降低產品的翹曲量 至可接受的程度。而從成本及效率的觀點考量，經由模擬的方式來代替實地測試各種製程 參數的方式來得到最佳的一組製程參數，似乎是較理想的。
一般的高分子材料在高溫、長時間的環境之下，會顯現出黏彈性，因此，電子封裝產品 中的 EMC 材料在後熟化(post mold cure, PMC)的製程中，必會產生黏彈性。在對包含 EMC 材料的結構進行力學方面的分析時，必須考慮材料的黏彈性，尤其是在高溫、長時間的環 境之下。而熱固性(thermosetting)塑膠的諸多特性則會隨著材料熟化度的增加而改變，因此， 要詳細描述在整個後熟化過程中，材料性質的變化有相當的難度。
研究目的
如前所述，為了要用模擬的方式得到最佳的製程參數，所以，首先要先得到最正確的模 擬方法。在本研究中，在不同的環境下，利用不同的原理來進行模擬。在充填製成完結的 時候，利用 P-V-T-C 關係式來模擬產品的翹曲。而在充填製成完結、進行後熟化製程時， 則利用熱固性材料的玻璃轉化溫度改變的原理來進行模擬。 同時為了要模擬材料在後熟化的特性，所以要先建立材料的黏彈模型。更進一步地，要 完整地描述材料特性，因此將材料的熟化度也納為材料黏彈模型的參數。文獻探討
近幾十年來，塑膠封裝在電子產業變得普及。EMC(epoxy molding compound)材料因為價 格低及較佳的環境抵抗力而用於塑膠封裝。在長時間、高溫下，塑膠材料會產生黏彈性。 因此，在像後熟化製程中(長時間、高溫之下)，分析 EMC 材料時必須考慮材料的黏彈性。 Sindee 及其團隊[1]建立了商用環氧樹酯的熟化模型，以及利用溫度-時間疊加原理也成功 地預測了完全熟化環氧樹酯的黏彈性。另外，也建立出了玻璃轉移溫度與熟化度之間的關 係式。在 Ernst 的團隊[2,3]的研究中，也發現了環氧樹酯的黏彈性會受溫度及熟化度的影 響。實驗中也發現添加物的濃度也會影響黏彈性，橡膠態模數與添加物的體積百分比之間 的關係式也被找出。建立出來的環氧樹酯黏彈模型也被用來模擬 QFN 的翹曲量。有限原素 法模擬的結果顯示出因溫度變化及熟化度所產生的翹曲量的百分比，而所有的結果皆顯示 熟化度所導致的翹曲量不可忽略。在[4]的研究中，描述了不同類型的材料測試結果與鬆弛 模數之間的關係。此外，固定應變率拉伸測試的結果也用彈性模數的觀念來解釋，而且， 若是材料為現黏彈性的話，應變率對於測試結果也不影響。在[5]的研究中，鬆弛模數的觀 念與[4]相同。這些觀念說明：在頻率領域的測試結果(E”與 E’)，可以轉換成時間領域的結 果(E(t))。在[6]的研究中，黏彈模型藉著有限原素法用來預測試片的曲率，模擬結果顯示： 黏彈模型比線彈性模形模擬更能接近實驗結果。在[7]的研究中，黏彈模型被用來預測固定 應變率拉伸測試的結果，也建立了在不同應變之下的黏彈模型。在[8]的研究中，進行了在 不同應變之下的應力鬆弛實驗。由實驗的結果發現鬆弛模數與溫度、施加的應變相關。
研究方法
為了要建立黏彈模型[1,2,3]，現今的黏彈研究要用到 DMA。在實際應用層面，鬆弛模數 是最重要的黏彈特性。然而。利用 DMA 來找 E”與 E’是較方便的。為了工程上的應用，在 參考文獻[4][5]裡有鬆弛模數與 E”與 E’的關係式。鬆弛模數，E(t)可大約以下式表示[4][5]：
) 10 ( 014 . 0 ) 40 . 0 ( 40 . 0 ) ( ) (t E ω E ω E ω E (1) 為了表示鬆弛模數，需要三個頻率之下的動態數據，即：ω、0.40ω、10ω，而時間與頻 率之間的關係為：t1/ω。再加上利用溫度-時間疊加原理鬆弛模數就可以建立出來。 大多數的高分子材料溫度平移因子(aT)可以 WLF 公式表示： ref ref T
T
T
c
T
T
c
a
2 1(
)
log
(2)其中，C1與 C2為材料參數；Tref為參考溫度；T 為溫度。若 T<Tref；則 logaT為正；若 T>Tref， 則為負；若 T=Tref，則為零。EMC 的鬆弛模數隨溫度增加而降低，當熟化度較低時鬆弛模 數也降低。因此，假設溫度與熟化度對於 EMC 鬆弛模數的影響類似。相同溫度之下，較低 熟化度材料的鬆弛模數也較低，因此可以視為材料因熟化度而鬆弛。因熟化度而產生的平 移因子稱為“熟化度平移因子”。 為了找出熟化度平移因子，假設不同熟化度 EMC 主曲線的形狀相同。因為反應速率隨溫 度升高而增加，所以室溫(25℃)下測得的鬆弛模數較為可靠。因此，熟化度平移因子是基於 室溫下的量測數據而訂出。若室溫下完全熟化材料的鬆弛模數為 E1，則藉由主曲線可以找 到所對應的時間 t1。同理，室溫下未完全熟化的鬆弛模數為 E2，則可以找到所對應的 t2。 對應特定熟化度的熟化度平移因子，aC的值即為 t2/t1。在圖 6 中，有這觀念的說明示意， 圖中的實線表示完全熟化的主曲線，虛線表示未完全熟化的主曲線。 依照這樣的模式，熟化度與 aC之間的關係可以得到，而相同的實驗可以在 30℃與 40℃ 之下重複。 若考慮熟化度對於鬆弛模數的影響，整體的平移量就要變成 log(aTaC)，表示如下：
)
log(
log
log
log
T 0 C T Ca
a
a
a
t
t
(6) 而整體的平移因子變為 aTaC。 C Ta
a
t
t
0 (7)結果與討論
完全熟化試片的原始 DMA 測試結果於圖 1，利用這些結果與式 1，可得到於圖 2 的實驗 應力鬆弛曲線。依照這些鬆弛曲線可以建出於圖 3 的、參考溫度為 122℃的 EMC 主曲線。 建立對應特定參考溫度的主曲線的同時，各溫度的溫度轉移因子也被找出。參考溫度確 定之後，溫度轉移因子可視為溫度的函數，而 WLF 公式(式 2)可用來對實驗溫度轉移因子 數據做曲線嵌合。藉由改變 WLF 公式中的 C1與 C2，可找出較適合的嵌合曲線。 本實驗中的轉移因子數據與嵌合曲線列於圖 4。C1約為 45，而 C2約為 200，參考溫度為 122℃。在眾多的黏彈模型中，最普遍的為廣義麥斯威爾模型(Generalized Maxwell model)[1][2][3][6][7][8]。依照這模型，鬆弛模數可如下表示：
N i i i λ t C E E E t E 1 exp ) ( ) 0 ( ) ( ) ( (4) 其中，E(t)為鬆弛模數；t 為時間；N 為元素的數目；Ci為第 i 個元素的係數；λi為第 i 個元素的鬆弛時間；E(∞)為時間為無限大時的鬆弛模數；E(0)為時間為零時的鬆弛模數。 廣義麥斯威爾模型可用來對主曲線做曲線嵌合，如圖 3。藉著修改模型中的參數，可找 出較適合的曲線。本研究模型的參數 N 為 10，其它廣義麥斯威爾模型的參數值列於表 1。 廣義麥斯威爾模型與主曲線的比較列於圖 5。 原始 aC實驗結果列於表 2。熟化度轉移因子(aC)實驗結果繪成圖列於圖 7。25℃之下的實 驗結果可以下關係式來近似。在圖 7 中，實線為關係式，圖中所涵蓋的熟化度範圍為 0.7 至 1.0。 log(aC)=555.87C3-1304.7C2+1017.7C-268.99 (5) 在 30℃及 40℃之下，結果也類似。本研究建立了 Hitachi Chemical CEL-9200 EMC 的黏彈模型與 WLF 公式。實驗主曲線的 範圍涵蓋了 1026秒。而藉著轉換式[4][5]將 DMA 的測量結果轉變成鬆弛模數。 用來找出對應特定熟化度的熟化度轉移因子的實驗已完成，而包含熟化度與熟化度轉移 因子的方程式也被提出。 WLF 公式藉著溫度與溫度轉移因子(aT)之間的關係，可以決定不同溫度之下的廣義麥斯 威爾模型。同理，透過所提出的熟化度轉移因子(aC)與熟化度的關係式，也可以決定不同熟 化度之下的廣義麥斯威爾模型。因此，建立了以時間、溫度、熟化度為參數的黏彈模型。
參考文獻
[1]. Sindee L. S., G. B. McKenna and O. Sindt, “Modeling the Evolution of the Dynamic Mechanical Properties of a Commercial Epoxy During Cure after Gelation,”Journal of
Applied Polymer Science, vol. 76, pp495~508(2000).
[2]. K. M. B. Jansen, L. Wang, D. C. Yang, C. van ’t Hof, L. J. Ernst, H. J. L. Bressers and G. Q. Zhang, “Constitutive Modeling of Moulding Compounds,” Proceeding of Electronic
Components and Technology Conference, pp890~894(2004).
[3]. D. G. Yang, K. M. B. Jansen, L. J. Ernst, G. Q. Zhang, W. D. van Driel, H. J. L. Bressers, X. J. Fan, “Prediction of Process-Induced Warpage of IC Packages Encapsulated with Thermosetting Polymers,” Proceeding of Electronic Components and Technology Conference, pp98~105(2004).
[4]. X. R. Zhang, J. H. L. Pang, X. Q. Shi and Z. P. Wang, “On the Moduli of Viscoelastic Materials,” Proceeding of Electronic Components and Technology Conference,
pp318~322(2002).
[5]. Yi He, “Thermomechanical and Viscoelastic Behavior of a No-Flow Underfill Material for Flip-Chip Applications,”Journal of Thermochimica Acta, vol. 439, pp127~134(2005).
[6]. Zhuqing Zhang, Lianhua Fan, Suresh K. Sitaraman, and C. P. Wong, “Four-Laser Bending Beam Measurements and FEM Modeling of Underfill Induced Wafer Warpage,”Proceeding of Electronic Components and Technology Conference, pp747~753(2004).
[7]. Vernal H. Kenner, Brian D. Harper, and Vladmiir Y. Itkin, “Stress Relaxation in Molding Compounds,”Journal of Material, vol. 26, No. 7, pp821~826(1997).
[8]. Mikyong Lee, Michael Pecht, Xingjia Huang and S. W. Ricky Lee, “Stress Relaxation in Plastic Molding Compounds,”International Symposium on Electronic Material and Packing, pp37~42(2002).
附錄
表 1 廣義麥斯威爾模型參數
λi(s) Ci 1×10-8 0.15 1×10-5 0.25 1×10-3 0.25 1×10-1 0.1 1×101 0.1 1×103 0.05 1×104 0.025 1×106 0.025 1×108 0.025 1×1010 0.025 E0 (Pa) 3.00×1010 E∞(Pa) 3.60×109表 2 a
C實驗的結果(1 秒時)
Degree of Cure E(t), Pa (25℃) E(t), Pa (30℃) E(t), Pa (40℃)
1.00 2.95E+10 2.98E+10 2.94E+10 0.95 2.62E+10 2.65E+10 2.63E+10 0.90 2.56E+10 2.57E+10 2.55E+10 0.85 2.42E+10 2.44E+10 2.41E+10 0.80 2.36E+10 2.37E+10 2.34E+10 0.75 2.47E+10 2.45E+10 2.41E+10 0.70 2.39E+10 2.41E+10 2.37E+10
T e m p C e l 2 0 0 .0 15 0 .0 10 0 .0 5 0 .0 E 'P a 3 .9 E + 0 9 3 .1E + 10 ta nD 0 .2 6 0 0 0 .2 4 0 0 0 .2 2 0 0 0 .2 0 0 0 0 .1 8 0 0 0 .1 6 0 0 0 .1 4 0 0 0 .1 2 0 0 0 .1 0 0 0 0 .0 8 0 0 0 .0 6 0 0 E " P a 8 .7 E + 0 8 3 .6 E + 0 9
圖 1 完全熟化試片的動態模數
0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10 2.00E+10 2.50E+10 3.00E+101.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01
t, s R el ax at io n M o d u lu s, P a . 85℃ 92℃ 100℃ 105℃ 110℃ 115℃ 122℃ 130℃ 137℃ 145℃ 152℃ 160℃ 167℃ 175℃ 182℃ 190℃ 205℃ 220℃
圖 2 實驗應力鬆弛曲線
0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10 2.00E+10 2.50E+10 3.00E+10 3.50E+10
1.00E-11 1.00E-07 1.00E-03 1.00E+01 1.00E+05 1.00E+09 1.00E+13
t, s R e la x a ti o n M o d u lu s, P a .
圖 3 參考溫度為 122℃的主曲線
-15 -10 -5 0 5 10 15 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Experiment Data WLF Temperature, ℃ lo g aT圖 4 參考溫度為 122℃的溫度轉移因子
0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10 2.00E+10 2.50E+10 3.00E+10 3.50E+101.00E-11 1.00E-07 1.00E-03 1.00E+01 1.00E+05 1.00E+09 1.00E+13 t, s R el ax at io n M o d u lu s, P a . Experiment Data Model
圖 5 主曲線與廣義麥斯威爾模型(參考溫度為 122℃)
logt, s R el a x a ti o n M o d u lu s, P a (E, t) (E’, t’) (E1, t1) (E2, t2) logaC
