CSP封裝產品在循環(huán)熱應力下之可靠度分析Board-Level-Reliability-of-

1、CSP封裝產品在循環(huán)熱應力下之可靠度分析Board-Level-Reliability-of-CSP封裝產品在循環(huán)熱應力下之可靠度分析Board-Leve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內容摘要CSP產品簡介 Polymer ProcessingCSP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Flex Circuit InterposerRigid Substrate InterposerLead Frame (L

2、ead-on-Chip)Wafer Level Assembly Polymer Processing Lab., ME, NCKUCSP產品簡介封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片分析之CSP產品南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品CompoundAu wireChip TapeSubstrateSolder Ball Polymer Processing Lab., ME, NCKU分析之CSP產品南茂科技SOC(Substrate On C可靠度簡介可靠度之定義元件於特定使用環(huán)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 Polyme

3、r Processing Lab., ME, NCKU可靠度簡介可靠度之定義 Polymer Processing封裝產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TSTPressure Cooler Test(PCA)抗?jié)駳饽芰?Polymer Processing Lab., ME, NCKU封裝產品之可靠度實驗熱循環(huán)測試 Polymer Proces實驗及模擬之流程產品設計生產設備開發(fā)取得材料參數(shù)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(shù)調整

4、 Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗及模擬之流程產品設計生產設備開發(fā)取得材料參數(shù)線性分析非線實驗步驟將一定數(shù)目之元件放入實驗機中每100個循環(huán)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(huán)數(shù)對損壞機率之值 Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗步驟將一定數(shù)目之元件放入實驗機中 Polymer Pro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(huán)數(shù) Polymer Processing L

5、ab., ME, NCKU使用電腦分析可靠度之步驟建立分析模型 Polymer Pro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(fā)生永久變形漸漸產生裂縫，繼而成長、破壞 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)產生結晶，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Anands Model模擬錫球之變形 Polymer Processing

6、Lab., ME, NCKU錫球行為分析因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(ViscoplAnands Model為ANSYS內建需輸入9個材料參數(shù)變形速率為溫度應力之函數(shù) Polymer Processing Lab., ME, NCKUAnands Model為ANSYS內建 Polymer 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU簡化模型因整體對稱，取四分之一模擬之 Polymer Pro

7、模型建立建立2-D模型Solder BallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolder BallFR-4EMC Polymer Processing Lab., ME, NCKU模型建立建立2-D模型Solder BallFR-4BTDi模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolder Ball Polymer Processing Lab., ME, NCKU模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEM材料參數(shù)除錫球外，其他皆使用線性材料性質 Polymer Processing Lab., ME, NCKU材料參數(shù)

8、除錫球外，其他皆使用線性材料性質 Polymer P材料參數(shù)(continue)錫球之材料參數(shù) Polymer Processing Lab., ME, NCKU材料參數(shù)(continue)錫球之材料參數(shù) Polymer 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU線性分析將溫度由25提升至235 Polymer Pro3-D線性分析結果 Polymer Processing Lab., ME, NCKU3-D線性分析結果 Polymer Processing L翹曲量比較Shadow Mo

9、ir 量測實際翹曲量(南茂科技) Polymer Processing Lab., ME, NCKU翹曲量比較Shadow Moir 量測實際翹曲量(南茂科技非線性分析模擬熱循環(huán)測試之溫度循環(huán)在5min內由-65上升至150 將溫度維持在150持續(xù)15min 再將溫度在6min內降回-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) Polymer Processing Lab., ME, NCKU非線性分析模擬熱循環(huán)測試之溫度循環(huán) Polymer Proc循環(huán)溫度變化2個循環(huán)Time (sec)Temperature (K) Polymer

10、 Processing Lab., ME, NCKU循環(huán)溫度變化2個循環(huán)Time (sec)Temperatur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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU疲勞模型依其假設基礎可分為五大類 Polymer Proce以塑性變形為基礎之疲勞模型Modified Coffin-Manson (Engelmaier)考慮循環(huán)頻率及溫度效應total number of cycles to failure (63.5% )plastic shear strain fatigue du

11、ctility coefficient (0.65)mean cyclic solder joint temperature in (42.5) Polymer Processing Lab., ME, NCKU以塑性變形為基礎之疲勞模型Modified Coffin-M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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU以能量為基礎之疲勞模型2-D及3-D分析皆可使用crack 塑性變形能量之變化2個循

12、環(huán)Time (sec)Strain Energy (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU塑性變形能量之變化2個循環(huán)Time (sec)Strain 應力對塑性應變圖完成第一個循環(huán)後之應力應變圖AFEDCBStrain in X DirectionStress in X Direction (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU應力對塑性應變圖完成第一個循環(huán)後之應力應變圖AFEDCBSt應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環(huán)之比較Strain in X DirectionStress

13、in X Direction (Kgf/mm2)Strain in X DirectionStress in X Direction (Kgf/mm2) Polymer Processing Lab., ME, NCKU應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環(huán)之比較錫球非線性分析結果完成1個循環(huán)後之等效應力圖 Polymer Processing Lab., ME, NCKU錫球非線性分析結果完成1個循環(huán)後之等效應力圖 Polymer錫球非線性分析結果(continue)完成1個循環(huán)後之塑性變形圖 Polymer Processing Lab., ME, NCKU錫球非線性分析結

14、果(continue)完成1個循環(huán)後之塑性變各錫球之變形能量圖 Polymer Processing Lab., ME, NCKU各錫球之變形能量圖 Polymer Processing L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(shù)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(huán)數(shù) Polymer Processing Lab., ME, NCKU可靠度分析整理非線性分析之結果 Polymer Proces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 Model3-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模擬可靠度2-D Polymer Processing La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(huán))65083-D43872(1循環(huán))4019 Polymer Processing Lab., ME, NCKU實驗及模擬之可靠度比較模擬值分析時間實際值誤差2-D5926結論使用之單位會影響分析時間 Polymer Proc