CSP封裝產品在循環熱應力下之
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
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
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
CSP產品簡介
封裝完成後之面積(Footprint)約為晶
片(Die)之倍
依其結構可分為四類
Flex Circuit Interposer
Rigid Substrate Interposer
Lead Frame (Lead-on-Chip)
Wafer Level Assembly
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
分析之CSP產品
南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品
Compound
Au wire
Chip
TapeSubstrate
Solder Ball
Polymer Processing Lab., 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
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
封裝產品之可靠度實驗
熱循環測試
Thermal Cycling Test簡稱TCT
加速因升降溫所造成之破壞發生
熱衝擊測試
Thermal Shock Test簡稱TST
Pressure Cooler Test(PCA)
抗濕氣能力
Polymer Processing Lab., 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
Polymer Processing Lab., 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
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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(Fatigue Model)得到模擬
之循環數
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
Polymer 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)性質模擬之
其行為在ANSYS中屬Rate-Dependent
Plasticity
使用Anand’s Model模擬錫球之變形
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Anand’s Model
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
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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(Ideal
Adhesion)
假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相
同
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模型建立
建立2-D模型
Solder Ball
FR-4
BTDie TAPE EMC
BT
Solder Ball
FR-4
EMC
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模型建立(continue)
建立3-D模型
FR-4
Die
EMC
BT
BT
EMC
Die
Tape
Solder Ball
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材料參數
除錫球外，其他皆使用線性材料性質
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材料參數(continue)
錫球之材料參數
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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
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3-D線性分析結果
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翹曲量比較
Shadow Moirè 量測實際翹曲量(南茂科技)
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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’s Model模擬錫球黏塑行為
進行8次TCT循環
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循環溫度變化
2個循環
Time (sec)
T
em
pe
ra
tu
re
(
K
)
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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
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以塑性變形為基礎之疲勞模型
Modified Coffin-Manson (Engelmaier)
考慮循環頻率及溫度效應
total number of cycles to failure (% )
plastic shear strain
fatigue ductility coefficient ()
mean cyclic solder joint temperature in ℃ ()
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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
crack propagation rate
number of cycles to crack initiation
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塑性變形能量之變化
2個循環
Time (sec)
S
tr
ai
n
E
ne
rg
y
(K
gf
/m
m
2 )
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應力對塑性應變圖
完成第一個循環後之應力應變圖
A
F
E
D
C
B
Strain in X Direction
S
tr
es
s
in
X
D
ire
ct
io
n
(K
gf
/m
m
2 )
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應力對塑性應變圖(continue)
完成2個及3個循環之比較
Strain in X DirectionS
tr
es
s
in
X
D
ire
ct
io
n
(K
gf
/m
m
2 )
Strain in X Direction
S
tr
es
s
in
X
D
ire
ct
io
n
(K
gf
/m
m
2 )
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
錫球非線性分析結果
完成1個循環後之等效應力圖
Polymer Processing Lab., 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
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
各錫球之變形能量圖
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可靠度分析
整理非線性分析之結果
選擇適當之疲勞模型(Fatigue Model)
及常數
材料、封裝方式、破壞模式
透過疲勞模型(Fatigue Model)預測實
際實驗之循環數
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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Fatigue Model
3-D
求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形
Modify Coffin-Manson Equation
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實驗及模擬之可靠度比較
模擬值
(Cycle
s)
分析時間
(hr)
實際值
(Cycle
s)
誤差
(%)
2-D 592 6(8循環) 650 8
3-D 438
72(1循環
)
401 9
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結論
使用之單位會影響分析時間
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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
Polymer Processing Lab., ME, NCKU
