CSP封装产品在循环热应力下之

CSP封裝產品在循環熱應力下之可靠度分析BoardLevelReliabilityofChipScalePackageUnderCyclicThermomechanicalLoadingYeong-JyhLinDepartmentofMechanicalEngineeringNationalChengKungUniversityTainan,TaiwanJune15,2000PolymerProcessingLab.,ME,NCKU內容摘要CSP產品簡介可靠度簡介透過實驗求得可靠度利用電腦模擬得到可靠度實驗與模擬之結果比較結論PolymerProcessingLab.,ME,NCKUCSP產品簡介封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片(Die)之1.2倍依其結構可分為四類FlexCircuitInterposerRigidSubstrateInterposerLeadFrame(Lead-on-Chip)WaferLevelAssemblyPolymerProcessingLab.,ME,NCKU分析之CSP產品南茂科技SOC(SubstrateOnChip)產品CompoundAuwireChipTapeSubstrateSolderBallPolymerProcessingLab.,ME,NCKU可靠度簡介可靠度之定義元件於特定使用環境下一定時間內之損壞機率為何需要可靠度瞭解生產品質輕薄短小功能、成本PolymerProcessingLab.,ME,NCKU封裝產品之可靠度實驗熱循環測試ThermalCyclingTest簡稱TCT加速因升降溫所造成之破壞發生熱衝擊測試ThermalShockTest簡稱TSTPressureCoolerTest(PCA)抗濕氣能力PolymerProcessingLab.,ME,NCKU實驗及模擬之流程產品設計生產設備開發取得材料參數線性分析(熱傳、熱應力)非線性分析可靠度分析產品量產可靠度實驗小量試做產品製程參數調整PolymerProcessingLab.,ME,NCKU實驗步驟將一定數目之元件放入實驗機中每100個循環取出等量之元件進行檢測產品染色後，在將元件拔離機版加電壓檢測其迴路之電阻值可得到循環數對損壞機率之值PolymerProcessingLab.,ME,NCKU使用電腦分析可靠度之步驟建立分析模型找出產品最容易破壞處使用非線性分析模擬破壞行為整理分析結果透過疲勞模型(FatigueModel)得到模擬之循環數PolymerProcessingLab.,ME,NCKU錫球問題因存放及使用溫度高於溶解溫度的一半，會繼續產生結晶，並變形鬆弛應力使用時升溫降溫產生類似疲勞之效應材料發生永久變形漸漸產生裂縫，繼而成長、破壞PolymerProcessingLab.,ME,NCKU錫球行為分析因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(Viscoplastic)性質模擬之其行為在ANSYS中屬Rate-DependentPlasticity使用Anand’sModel模擬錫球之變形PolymerProcessingLab.,ME,NCKUAnand’sModel為ANSYS內建需輸入9個材料參數變形速率為溫度應力之函數mRQpsAd1sinhexpPolymerProcessingLab.,ME,NCKU簡化模型因整體對稱，取四分之一模擬之忽略金線之影響不考慮製程所造成之內應力及應變假設材料間之接合為為理想結合(IdealAdhesion)假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立建立2-D模型SolderBallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolderBallFR-4EMCPolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolderBallPolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數除錫球外，其他皆使用線性材料性質材料性質材料總類楊氏係數kgf/mm2浦松比熱膨脹係數α×10-6/oC膠體EMCTg=225oC12600.37α1=14α2=58BT2300.317Tape2650.344.3晶粒Die163100.313.8SolderBall0.4FR-4500.2816PolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數(continue)錫球之材料參數溫度℃楊氏係數kgf/mm2溫度℃熱膨脹係數α×10-6/℃26.853021.319.8524.0766.852669.626.8524.2106.852317.676.8525.11146.851965.6126.8526.01PolymerProcessingLab.,ME,NCKU線性分析將溫度由25℃提升至235℃觀察整體之應力分佈及變形情形實驗及模擬翹曲量比較PolymerProcessingLab.,ME,NCKU3-D線性分析結果PolymerProcessingLab.,ME,NCKU翹曲量比較ShadowMoirè量測實際翹曲量(南茂科技)ShadowMoirè2DModel(誤差)3DModel(誤差)短軸μm2511(56%)29(16%)長軸μm178146(17.9%)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU非線性分析模擬熱循環測試之溫度循環在5min內由-65℃上升至150℃將溫度維持在150℃持續15min再將溫度在6min內降回-65℃最後維持在-65℃持續15min使用Anand’sModel模擬錫球黏塑行為進行8次TCT循環PolymerProcessingLab.,ME,NCKU循環溫度變化2個循環Time(sec)Temperature(K)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU疲勞模型依其假設基礎可分為五大類應力塑性變形潛變變形能量損壞損壞其中以塑性變形及能量損壞較常使用PolymerProcessingLab.,ME,NCKU以塑性變形為基礎之疲勞模型ModifiedCoffin-Manson(Engelmaier)考慮循環頻率及溫度效應CftfN1'221fTcs1101.741060.44224lnfNt'fsTtotalnumberofcyclestofailure(63.5%)plasticshearstrainfatigueductilitycoefficient(0.65)meancyclicsolderjointtemperaturein℃(42.5)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU以能量為基礎之疲勞模型2-D及3-D分析皆可使用計算較複雜dNdaaNNf0430CaveWCN65CaveWCdNda710VVWWave0NdNdacrackpropagationratenumberofcyclestocrackinitiationPolymerProcessingLab.,ME,NCKU塑性變形能量之變化2個循環Time(sec)StrainEnergy(Kgf/mm2)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU應力對塑性應變圖完成第一個循環後之應力應變圖AFEDCBStraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環之比較StraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)StraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)PolymerProcessingLab.,ME,NCKU錫球非線性分析結果完成1個循環後之等效應力圖PolymerProcessingLab.,ME,NCKU錫球非線性分析結果(continue)完成1個循環後之塑性變形圖PolymerProcessingLab.,ME,NCKU各錫球之變形能量圖AverageWorkEnergy00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.00912345678BallWorkEnergyOuterBallInnerBallPolymerProcessingLab.,ME,NCKU可靠度分析整理非線性分析之結果選擇適當之疲勞模型(FatigueModel)及常數材料、封裝方式、破壞模式透過疲勞模型(FatigueModel)預測實際實驗之循環數PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模擬可靠度2-D求出單一錫球之平均變性能量塑性變形能量為基礎之FatigueModel3-D求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形ModifyCoffin-MansonEquationPolymerProcessingLab.,ME,NCKU實驗及模擬之可靠度比較模擬值(Cycles)分析時間(hr)實際值(Cycles)誤差(%)2-D5926(8循環)65083-D43872(1循環)4019PolymerProcessingLab.,ME,NCKU結論使用之單位會影響分析時間使用單位M-Kg-Smm-Kg-S幾何尺寸12~0.05×10-3m12~0.05mm最大之材料楊氏係數1.63×1011Pa1.63×104Kgf/mm2楊氏係數與幾何尺寸差距10141062D之一個循環所需之計算時間24hrorunconverted1hrPolymerProcessingLab.,ME,NCKU結論(continue)線性分析2-D模型雖較快但無法得到實際之結果3-D模型之結果非常接近實際情形非線性分析2-D分析時需使用以能量為基礎之疲勞模型3-D分析疲勞模型皆可使用，但在需注意參數之選擇由此方式能預測產品之可靠度