1、CSP封裝產(chǎn)品在循環(huán)熱應(yīng)力下之可靠度分析Board Level Reliability of Chip Scale Package Under Cyclic Thermomechanical Loading,Yeong-Jyh Lin Department of Mechanical Engineering National Cheng Kung University Tainan, Taiwan June 15, 2000,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,內(nèi)容摘要,CSP產(chǎn)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(jié)果比較

2、 結(jié)論,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,CSP產(chǎn)品簡介,封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片(Die)之1.2倍 依其結(jié)構(gòu)可分為四類 Flex Circuit Interposer Rigid Substrate Interposer Lead Frame (Lead-on-Chip) Wafer Level Assembly,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,分析之CSP產(chǎn)品,南茂科技SOC(Substrate On Chip)產(chǎn)品,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,可靠度簡介,

3、可靠度之定義 元件於特定使用環(huán)境下一定時間內(nèi)之損壞機率 為何需要可靠度 瞭解生產(chǎn)品質(zhì) 輕薄短小 功能、成本,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,封裝產(chǎn)品之可靠度實驗,熱循環(huán)測試 Thermal Cycling Test簡稱TCT 加速因升降溫所造成之破壞發(fā)生 熱衝擊測試 Thermal Shock Test簡稱TST Pressure Cooler Test(PCA) 抗?jié)駳饽芰?Polymer Processing Lab., ME, NCKU,實驗及模擬之流程,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,實驗步驟,將一定數(shù)目之元件放入

4、實驗機中 每100個循環(huán)取出等量之元件進行檢測 產(chǎn)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(huán)數(shù)對損壞機率之值,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,使用電腦分析可靠度之步驟,建立分析模型 找出產(chǎn)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(jié)果 透過疲勞模型(Fatigue Model)得到模擬之循環(huán)數(shù),Polymer Processing Lab., 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(xù)產(chǎn)生結(jié)晶，並變形鬆弛應(yīng)力 使用時升溫降溫產(chǎn)生類似疲勞之效應(yīng) 材料發(fā)生永久變形 漸漸產(chǎn)生裂縫，繼而成長、破壞,Poly

5、mer Processing Lab., 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(zhì)模擬之 其行為在ANSYS中屬Rate-Dependent Plasticity 使用Anands Model模擬錫球之變形,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,Anands Model,為ANSYS內(nèi)建 需輸入9個材料參數(shù) 變形速率為溫度應(yīng)力之函數(shù),Polymer Processing Lab., 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(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變 假設(shè)材料間之接合為為理

6、想結(jié)合(Ideal Adhesion) 假設(shè)溫度變化時，結(jié)構(gòu)之整體溫度皆相同,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,模型建立,建立2-D模型,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,模型建立(continue),建立3-D模型,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,材料參數(shù),除錫球外，其他皆使用線性材料性質(zhì),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,材料參數(shù)(continue),錫球之材料參數(shù),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,線性分析,將溫度由2

7、5提升至235 觀察整體之應(yīng)力分佈及變形情形 實驗及模擬翹曲量比較,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,3-D線性分析結(jié)果,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,翹曲量比較,Shadow Moir 量測實際翹曲量(南茂科技),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,非線性分析,模擬熱循環(huán)測試之溫度循環(huán) 在5min內(nèi)由-65上升至150 將溫度維持在150持續(xù)15min 再將溫度在6min內(nèi)降回-65 最後維持在-65持續(xù)15min 使用Anands Model模擬錫球黏塑行為 進行8次TCT循環(huán),Poly

8、mer Processing Lab., ME, NCKU,循環(huán)溫度變化,2個循環(huán),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,疲勞模型,依其假設(shè)基礎(chǔ)可分為五大類 應(yīng)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,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,以塑性變形為基礎(chǔ)之疲勞模型,Modified Coffin-Manson (Engelmaier) 考慮循環(huán)頻率及溫度效應(yīng),total number of cycles to failure (63.5% ),plastic shear strain,fatigue

9、ductility coefficient (0.65),mean cyclic solder joint temperature in (42.5),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,以能量為基礎(chǔ)之疲勞模型,2-D及3-D分析皆可使用 計算較複雜,crack propagation rate,number of cycles to crack initiation,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,塑性變形能量之變化,2個循環(huán),Polymer Processing Lab., ME, NCKU,應(yīng)力對塑性應(yīng)變圖,完成第一個循

10、環(huán)後之應(yīng)力應(yīng)變圖,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,應(yīng)力對塑性應(yīng)變圖(continue),完成2個及3個循環(huán)之比較,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,錫球非線性分析結(jié)果,完成1個循環(huán)後之等效應(yīng)力圖,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,錫球非線性分析結(jié)果(continue),完成1個循環(huán)後之塑性變形圖,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,各錫球之變形能量圖,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,可靠度分析,整理非線性分析之結(jié)果 選擇適當(dāng)之疲勞模型(Fatigue Model)及常數(shù) 材料、封裝方式、破壞模式 透過疲勞模型(Fatigue Model)預(yù)測實際實驗之循環(huán)數(shù),Polymer Processing Lab., 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(chǔ)之Fatigue Model 3-D 求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形 Modify Coffin-Manson Equation,Polymer Processing Lab., ME, NCKU,實驗及模擬之可靠度比較,Polymer Processing Lab., ME, NCK