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按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,NCKU,複合材料實驗室,利用有限元素與田口方法探討FCCSP構裝無鉛錫球之最佳化疲勞壽命,Investigation of the Fatigue Life of Lead-Free Solders for Flip Chip Chip Scale Package by Finite Element and Taguchi Method,南台科技大學,副教授,曾穗卿,1,報 告 流 程,緒論,理論基礎,模型建立與評估錫球疲勞壽命,以Surface Evolver預測錫球形狀,田口氏品質工程方法,結論,未來研究方向,2,前 言,晶粒尺寸封裝,(Chip Scale Package，CSP)，泛指以各種方式封裝後的IC，若封裝體邊長比內含的晶片邊長，大20%以內，或封裝體的面積內含晶片面積的1.5倍以內，都可稱之為CSP封裝。,由於,覆晶,封裝具有,良好電氣特性、高I/O接點密度，且能縮小IC尺寸,增加每片晶圓產出，為未來極具潛力之構裝方式。,錫球在,覆晶晶粒尺寸封裝,(,FCCSP)構裝中之功能主要包含有傳電、導熱及吸收上下元件之膨脹差等，因此錫球的可靠度佔有極為重要之影響。,錫球在,室溫,下已超過其,熔點的一半,，易有,潛變,現象。,3,研究動機與目的,過去的封裝型態，多半以,打線,作為內部接合，但打線製程花費時間相當長，成為接合技術的最大瓶頸。許多高階、可攜式電子產品，需要使用高腳數、散熱性較佳，或較為輕薄短小的封裝，則需使用,覆晶,技術。,本文採用,氧化,鋁陶瓷基板,，由於緻密性高，對水分子滲透有優良的阻絕能力、強度良好、散熱性佳、與耐高壓性等優點，故被廣泛應用在需求高可靠度的IC構裝中。,半導體產業唯有靠不斷地,創新及研發,，才能在激烈的競爭環境中繼續保有領先之地位，期望透過本研究能對業界有所幫助。,4,研 究 之 方 法,本文以,96.5Sn3.5Ag,無鉛錫球與氧化鋁陶瓷基板之FCCSP封裝模式，建構在FR-4電路板上。,先利用Surface Evolver預測錫球,迴焊後之形狀,，再引入ANSYS 7.0有限元素分析軟體建立三維模型。,採用葛拉佛拉-阿瑞尼阿斯,潛變模式,(Garofalo-Arrhenius Creep)，透過3-D幾何模型的建立、網格分割及計算求解等步驟，進行分析模擬。,探討不同材質的封裝結構在,-20110,溫度循環下，錫球之疲勞壽命、應力應變及遲滯曲線等機械行為之變化情形。,以,等效潛變應變範圍,代入Modified Coffin-Manson計算公式，預估錫球之疲勞壽命。,5,覆晶封裝製程,晶圓,進入機台前需確認是否受,污染,。,以電鍍或印刷植球進行,銲錫(或金塊)凸塊,製程。,之後需經,迴焊,(Reflow)製程，使錫球成型。,凸塊完成後進行,晶粒切割,。,然後由吸嘴吸住晶粒背面沾上,助焊膏,(Flux Paste)，暫時將晶粒固定在基板上。,置放完成後，進入,迴焊爐,內形成接合點。助焊膏的殘餘物須以清洗劑清除。,此即所謂的,C4,(Controlled Collapse Chip Connection)，此一技術取代了傳統的打線接合。,6,可 控 塌 陷 晶 片(F4)連 接 技 術,7,覆 晶 的 主 要 優 點,可降低晶片與基板間的電子訊號,傳輸距離,，適用在,高速元件,的封裝。,可,縮小,晶片封裝後的,尺寸,，使得晶片封裝,前後大小,差不多。,8,本 文 討 論 之 變 形 理 論,本文所採用之錫球為,錫銀,(96.5Sn3.5Ag)之材料。,在,高溫,且,恆溫,狀態、穩態負載條件下具有,潛變,效應。,同時承受,反覆熱循環,負載，使得材料進入塑性範疇。,本文即討論,潛變,與,塑性,變形。,9,文 獻 回 顧,1996年S.M.,Heinrich,等以63Sn37Pb共晶錫球為分析模型。假設熔融狀態之錫球表面為以一等曲率圓弧，推導出一顯函數解析解，可精確地預測錫球於迴焊過程後之形狀。,2000年,Mertol,等以有限元素法，模擬晶圓級封裝在溫度循環下應力、應變與變形，並使用田口式方法，探討設計參數對錫球的疲勞壽命之影響。,2001年,Pang,以彈性、塑性、潛變之材料，探討覆晶構裝模型在溫度循環下，錫球之疲勞壽命。,10,材料在室溫環境下發生潛變,1.,初始,(暫態)潛變,。,2.,穩態,潛變，潛變過程時間最長，最,主要,的部份,。,3.,加速,潛變,。,因此通常以,穩態潛變方程式,描述潛變行為。,本文以ANSYS 7.0對,96.5Sn3.5Ag,無鉛錫球，以,葛拉佛拉-阿瑞尼阿斯,(,Garofalo-Arrhenius)潛變模式,進行分析。以探討構裝體在承受,-20至110,之熱循環負載時，所發生之錫球破壞行為。,11,葛拉佛拉-阿瑞尼阿斯潛變模式,註1：單位採用MPa；,T,單位採用絕對溫度K。,註2：,C,1,及,C,2,之參數值為溫度,T,之函數，其值會隨溫度而變化，而此處T是以絕對溫度K為單位。,註1,C1,=18(553-,T,)/,T,，單位:1/sec,C2,=1/(43.99-0.079,T,)，單位:1/MPa,C3,=5.5,C4,=5802，單位:k,註2,12,Tresca,與,von Mises,降伏準則,目前常用的兩種延性材料之破壞準則為,特雷斯卡,準則(Tresca Yield Criterion)及,米澤斯,降伏準則(von Mises Yield Criterion)。,由於特雷斯卡準則太過於,保守,，故本文選用米澤斯降伏準則為依據。,13,塑 性 行 為 模 式,本文選用德國,von Mises,所提出,降伏準則,為依據。,依照此準則，當材料中每單位體積扭曲能量之最大值達到材料於拉伸試驗下所發生,破壞之扭曲能量,時，材料即開始破壞。,米澤斯破壞準則在卡式座標分量下可表示為,當式左項等於或,大於,右項時，則材料產生破壞，左項為材料之等效應變，,右項,為材料拉伸試驗下所發生之,破壞,應變。,14,多 線 性 等 向 性 硬 化 法 則,(Multilinear Isotropic Hardening,),錫球承受一循環熱應力，而發生降伏進入塑性行為區域時，,降伏面,會隨著熱循環中塑性應變之增加而改變,。,本文採用,多線性等向硬化模式,。,理論上在某一溫度下，材料塑性行為應力與應變之關係，應為一,光滑曲線,，多線性等向硬化模式是以,數個線段,趨近此曲線,。,等向硬化,是指材料在進入塑性變形以後，加載曲面在各方向呈現,均勻向外擴張,之現象。,此模式中也假設材料受反方向,壓縮負載降伏應力,值等於,拉伸降伏應力,值，忽略包新格(Bauschinger)效應。,15,低 循 環 疲 勞 壽 命,結構體承受,反覆,負載時，將形成循環應變與應力，即使,應力小於,材料本身的,降服強度,，亦會導致結構整體的破壞，稱之為,疲勞破壞,（Fatigue）。,早期的研究著重高循環疲勞(N10,4,)的探討，但低循環疲勞(,N10,4,)在工程上的應用也很重要，電子構裝的疲勞的破壞即為低循環疲勞破壞。,其破壞位置通常發生於錫球,最大的應變範圍處,而非最大應變處。,最常見的疲勞模型為,Coffin-Manson,公式。,16,Coffin-Manson疲勞壽命估算公式,(共晶錫球),17,Modified Coffin-Manson疲勞壽命估算公式,(無鉛錫球,96.5Sn3.5Ag),0.325,-0.41299,24 cycles/day,),(,(-20+110)45,18,介 紹,Surface Evolver,德國數學教授,Ken Brakke,在1989年首次寫出Surface Evolver程式軟體,。,Surface Evolver是一套利用,能量法,(Energy-Based Method)來分析,液滴表面形狀,的程式軟體。,利用一系列的,小三角形,面積元素，以能量梯度下降法來計算熔融錫球,表面張力,的能量、,重力位能,及錫球固化體積改變所產生的,外力能量,，進而改變元素位置，使表面,總能量,達到平衡狀況的,最小值,而模擬出固化形狀。,文中錫球固化形狀是由熔融錫球的,表面張力,及上下墊片之,濕潤現象,所控制，因此Surface Evolver適合模擬,錫球迴銲,過程後的形狀。,19,Surface Evolver 模 型 建 立,錫球基本假設條件,錫球材料為,均質等向,性。,固化時錫球為,靜態,平衡。,錫球固化時，錫球墊為,圓形,，且,完全對準,。,融熔狀態的錫球，其表面輪廓為,軸對稱,。,錫球表面的經線方向為,圓弧線,。,錫球墊和錫球是,完全接觸,。,錫球和銲墊為,完全黏著,。,迴焊前後錫球之,體積不變,。,20,Surface Evolver 分 析 流 程,先確立,研究主題,為罩幕定界(Solder Mask Defined,SMD)錫球。並,建構錫球,之幾何分析模型。,指定,輸入參數,包括錫球,體積,、錫球,密度,、,表面張力,、外加,負載,、,初始高度,及,錫球墊片半徑,等因子。,當執行Surface Evolver程式完畢之後，需檢查所得到之,恢復力F值是否與外加負載F值(重力)一致,。,當恢復力與外加負載,不一致,時，則必須,修正,所輸入的錫球初始高度，一直至恢復力等於外加負載為止，則此時的高度即是,錫球迴焊過程後之高度,。,21,分 析 流 程,錫球之中心軸及座標原點,(上),分析錫球形狀前先給定一初始形狀(右上),罩幕定界錫球於迴焊過程中之受力狀況(右下),22,分析構裝體模型圖,本文FCCSP分析模型為7.0mm X 7.0mm X 0.41mm之,晶片,，四週佈植有100個,金凸塊,。,下接7.45 mmX 7.45mm X 0.25mm,Al,2,O,3,陶瓷基板,。,在晶片與基板間,填膠,，基板下面為1010陣列之,96.5Sn3.5Ag,無鉛錫球，其接墊之直徑為0.3mm，間距為0.65mm。,錫球下接8.0mm X 8.0 mmX1.0 mm玻璃樹脂(Epoxy Glass)所製成之,FR-4印刷電路板,。,23,基板,印刷電路板,晶片,錫銀凸塊,填充底膠,金凸塊,FCCP 模 型 圖,24,構裝體分析之,基本假設,構裝體所有材料皆為,均質等向性,，受拉與受壓行為相同。,模型中所有界面皆為,完全接觸,(Perfectly Adhesive)。,模型內部的溫度與外界環境溫度相同，且假設,溫度場不隨空間變化,，即在瞬間皆已達平衡狀態，即(,T,(,x,t,)=,T,(,t,)。,模型在初始狀態25時為,應力自由狀態,(Stress Free)，忽略製程中所產生之殘留應力(Residual Stress)。,忽略錫球經過,迴焊,過程後所引起之,材質變化,。,錫球,之材料性質為,潛變,模式，,其餘,部分皆為,彈性,材料。,25,構 裝 體 八 分 之 一 對 稱 模 型,為節省電腦模擬計算時間，由兩對角線的斷面上，截取分析結構右上半段，即,八分之一對,稱模型進行分析。,邊界條件設定為,Y軸上,所有節點為,對稱邊界條件,。,在模型結構左下端點（,原點）設為固定點,。,以使分析模型受力變形後能自由翹曲，其餘邊界皆假設為,自由端,。,兩對角線,之兩面設為,對稱面,。,26,FCCSP,構裝體八分之一對稱分析模型圖,對稱面,對稱面,固定點,對稱面,分析區域,27,溫 度 循 環 負 載,施予構裝體,-20低溫至110高溫,之溫度循環負載。,初始溫度,由25開始，並假設為無應力狀態，在,588秒,內升至110。,每一溫度循環為,60分鐘,，從低溫升至高溫（Up-Ramp）需時15分鐘，並在,高溫區維持20分鐘,之恆溫(Dwell)。,再以15分鐘降溫至-20(Down-Ramp)，然後再,維持10分鐘,之恆溫(Dwell)，至此完成一個循環。,共進行,五次,溫度循環負載，計須,18,588秒,。,28,溫度循環負載曲線,15min 20min 15min 10min 5cycles,溫度(),時間（秒）,29,以下分四主題討論,模型之網格收斂分析,模型在熱循環負載之探討,五種模型疲勞壽命之比較,田 口 方 法,30,三 維 條 狀 模 型 網 格 分 割,有限元素模型切割的網格密度，會影響數值收斂趨勢。但網格過多時，電腦運算時間也相對變長，因此必須找到適當的網格,元素數目,。,為了探討有限元素模型之收斂性，分別進行,五種,不同網格的切割配置。,配置方法主要於模型,Y方向,，採取不同線段切割數目以改善模型收斂性。,31,於模型Y方向線段切割數目,個案,基板,FR-4,錫球,元素,數目,節點,數目,Case1,4,3,12,23776,29978,Case2,4,4,24,27384,33896,Case3,6,6,36,38527,45562,Case4,6,8,48,45487,52892,Case5,8,10,48,58474,66374,32,最外側錫球中心點於1788秒高溫與2688,秒,低,溫,下之各,分佈圖,構裝體之,變形,分佈圖,最外側錫球,等效應力,分佈圖,最外側錫球,等效應變,分佈圖,33,網 格 元 素 數 目,高溫時網格元素數目與構裝體等效應變之關係圖,低溫時網格元素數目與構裝體等效應變之關係圖,34,模 型 之 網 格 收 斂 分 析,五個案例分析結果之構裝體變形，及錫球之等效應力與等效應變之分佈如圖所示(Case 4)。,最大翹曲,位置發生在構裝體最遠處，即印刷電路板,對角線上方處,。,最大等效應變,發生在構裝體最外側錫球處。,由圖可知元素數目為,45487,個(Case 4)時已趨近於收斂，即能得到相當精確的結果。,35,模型在熱循環負載之探討,構裝體最大翹曲與時間關係圖。,最外側錫球等效應力與時間關係圖。,最外側錫球等效應變與時間關係圖。,而最外側錫球中心點剪應力與時間關係圖。,最外側錫球中心點剪應變與時間關係圖。,由最外側錫球中心點剪應力與剪應變之遲滯曲線，可知當達到,第五個溫度循環,時已收斂良好,。,36,模型在熱循環負載之關係圖,最外側錫球等效應力與時間關係圖,最外側錫球等效應變與時間關係圖,37,最 外 側 錫 球 中 心,點,各 種 關 係 圖,最外側錫球中心點剪應力與時間關係圖,(上),最外側錫球中心點剪應變與時間關係圖,(右,上,),最外側錫球中心點剪應力與剪應變之遲滯曲線圖(右,下,),38,五 種 FCCSP 構 裝 體 模 型,計算外側錫球之疲勞壽命,原設計,模型,模型,基板,為BT-Resin,模型,基板,為High-Ceramics,模型,封膠,為Mold Resin,(Epoxy Molding Compound),模型,封膠,為Potting Resin等五種模型,其材料機械性質如表所示,並利用ANSYS進行模擬，計算在溫度循環負載下，最外側錫球之疲勞壽命。,39,五 種 構 裝 體 分 析 模 型,原設計模型,模型封膠為Mold Resin,模型封膠為Potting Resin,基板為High-Ceramics模型,基板為BT-Resin模型,40,各元件材料機械性質,註,1,：無鉛錫球96.5Sn3.5Ag之楊氏模數在-40、25、50及125下分別為47,200 MPa、29,525 MPa、24,700 MPa及16,850 MPa。,註,2,：機械性質為溫度,T,之函數，其值會隨溫度而變化，而,T,是以為單位。,元件,材料名稱,楊氏模數,E(MPa),波松比,v,熱膨脹係數,(ppm/),1,Si,131000,0.30,2.8,2,Underfill,10300,0.33,24,3,Al,2,O,3,275900,0.22,5.3,4,Gold,77250,0.425,14.2,5,FR-4,22000,0.28,18,6,96.5Sn3.5Ag,註1,0.4,21.85+0.02039T,註2,7,BT-Resin(BT-832),23500,0.20,14.6,8,High-ceramics,110000,0.23,11.5,9,Mold resin,26000,0.30,7.0,10,Potting resin,10700,0.30,12.4,41,高溫時構裝體之,變形,分佈圖,(上),高溫時最外側錫球,等效應力,分佈圖(右上),高溫時最外側錫球,等效應變,分佈圖(右下),基板為TResin高溫時分佈圖,42,低溫時構裝體之,變形,分佈圖,(上),低溫時最外側錫球,等效應力,分佈圖(右上),低溫時最外側錫球,等效應變,分佈圖(右下),基板為TResin,低,溫時分佈圖,43,基板為TResin,各種關係圖,44,五種模型疲勞壽命之比較,原設計模型,BT Resin基板,High-ceramics,基板,Mold resin 封膠t=0.8mm),Potting resin封膠(t=0.8mm),應變範圍,0.05661,0.003427,0.003928,0.08112,0.0822,疲勞壽命,49,43325,31140,20,20,45,五種模型疲勞壽命之比較,原設計模型,之基板為Al,2,O,3,陶瓷，其楊氏模數比BT-Resin與High-Ceramics大，而熱膨脹係數卻較小，比較不易熱變形，與其他元件之不匹配較大，故其疲勞壽命,比模型基板為BT-Resin與High-Ceramics小很多,。,BT-Resin的熱膨脹係數,比High-Ceramics的熱膨脹係數大，但楊氏模數卻小很多，因此不匹配較小而其疲勞壽命,略大,。,至於模型封膠為,Mold Resin與Potting Resin，其疲勞壽命為最小,，由於此兩種模型比前三者多出上面的封膠，故與其他元件不匹配更大，使得疲勞壽命最小。,46,Taguchi Method,找出最佳之水準組合,提升構裝體之可靠度,選擇以,L18,（2,1,x3,7,）直交表，進行田口實驗配置。,再利用ANSYS 7.0進行模擬，並預估,錫球之疲勞壽命,。,最後根據模擬結果，求得對疲勞壽命影響,最顯著之控制因子,，並找出,最佳之水準組合,，以助提升構裝體之可靠度。,47,田 口 方 法 實 驗 設 計,選定,品質特性,(Quality Characteristic):選定,最外側錫球的疲勞壽命,為品質特性，探討各控制因子對其之影響。,判定品質特性之,理想機能,(Ideal Function):品質特性屬於,望大特性,，其理想機能是,無限大,。,列出影響品質特性之因子(Factors):構裝體外形,尺寸,，,環境,因素與構裝體,材料性質,。,決定主要,控制因子,(Control Factors)及,水準,(Levels):本文只考慮,基板厚度,、,錫球墊半徑,、,楊氏模數,與,熱膨脹係數,對FCCSP構裝體可靠度之影響，選出下列,八個,設計參數作為控制因子。,48,控制因子及其水準表,控制因子,Level 1,Level 2,Level 3,A 基板厚度(mm),0.25,0.325,x,B 錫球半徑(mm),0.105,0.15,0.195,C Underfill(E,MPa),7210,10300,13390,D Underfill(,ppm/),16.8,24,31.2,E 基板(E,GPa),193.13,275.9,358.67,F 基板(,ppm/),3.71,5.3,6.89,G FR4(E,MPa),15,400,22,000,28,600,H FR4(,ppm/),12.6,18,23.4,49,選定適當之直交表(Orthogonal Arrays),直交表之作用在於,以最少之實驗次數,獲得最佳之分析，其各項因子水準之自由度為1（2-1）+7（3-1）15,因此選用,自由度,不小於15且實驗次數最少之,L18,（2,1,x3,7,）。,50,L18,直,交,表,控制,因子,組別,A,B,C,D,E,F,G,H,一,1,1,1,1,1,1,1,1,二,1,1,2,2,2,2,2,2,三,1,1,3,3,3,3,3,3,四,1,2,1,1,2,2,3,3,五,1,2,2,2,3,3,1,1,六,1,2,3,3,1,1,2,2,七,1,3,1,2,1,3,2,3,八,1,3,2,3,2,1,3,1,九,1,3,3,1,3,2,1,2,十,2,1,1,3,3,2,2,1,十一,2,1,2,1,1,3,3,2,十二,2,1,3,2,2,1,1,3,十三,2,2,1,2,3,1,3,2,十四,2,2,2,3,1,2,1,3,十五,2,2,3,1,2,3,2,1,十六,2,3,1,3,2,3,1,2,十七,2,3,2,1,3,1,2,3,十八,2,3,3,2,1,2,3,1,51,十八組模型等效潛變應變範圍,與最外側錫球之疲勞壽命值,本文之三維模型即利用在,五次溫度循環,負載下，對最外側錫球所求出之,累積等效潛變應變,(等效潛變應變範圍值)。,代入,Modified Coffin-Manson,計算公式，求得錫球疲勞壽命以預測十八組錫球封裝結構所能承受的壽命次數，藉以評估各封裝體之可靠度趨勢。,十八組 FCCSP封裝結構於最外側錫球之疲勞壽命值如下表所示，其中以,第一組,有最大值，疲勞壽命為,3098次,循環。,52,組別,最大潛變剪應變,(%),最大剪應力,(Mpa),累積等效潛變應變,(%),疲勞壽命,(Cycle),一,7.8468,49.3189,1.01884,3098,二,9.9322,47.2736,6.2467555,38,三,10.6303,46.631,6.828911,31,四,20.1435,55.9215,11.615859,9,五,2.651,43.6526,1.122441,2451,六,16.3811,55.895,3.38892,169,七,11.3354,55.3422,6.575905,34,八,12.287,56.9568,4.591743,81,九,12.205,55.6642,6.02136,42,十,5.4159,49.6495,2.5967066,322,十一,5.1658,47.4972,3.036628,220,十二,25.6639,50.5674,12.395531,7,十三,21.3626,56.487,7.66319,23,十四,19.6758,55.4008,9.326026,15,十五,2.8127,43.9112,1.254125,1874,十六,8.2516,52.0505,4.7679,74,十七,30.6985,60.5495,9.31186,15,十八,7.5425,52.9494,4.325482,94,封,裝,結,構,於,最,外,側,錫,球,之,疲,勞,壽,命,53,目 標 函 數 的 S/N 比,對品質特性為構裝體之疲勞壽命而言，理想機能越大越好，即是,望大特性,。,可透過目標函數的S/N比，判斷各因子對目標函數的影響大小。即各控制因子的水準中，具有,較大的S/N比,者，表示此水準對構裝體之疲勞壽命值,有較好,的影響。,望大特性的S/N比公式如下:,54,Exp.,A,B,C,D,E,F,G,H,N,f,S/N,1,1,1,1,1,1,1,1,1,3098,69.82,2,1,1,2,2,2,2,2,2,38,31.60,3,1,1,3,3,3,3,3,3,31,29.83,4,1,2,1,1,2,2,3,3,9,19.08,5,1,2,2,2,3,3,1,1,2451,67.79,6,1,2,3,3,1,1,2,2,169,44.56,7,1,3,1,2,1,3,2,3,34,30.63,8,1,3,2,3,2,1,3,1,81,38.17,9,1,3,3,1,3,2,1,2,42,32.46,10,2,1,1,3,3,2,2,1,322,50.16,11,2,1,2,1,1,3,3,2,220,46.85,12,2,1,3,2,2,1,1,3,7,16.90,13,2,2,1,2,3,1,3,2,23,27.23,14,2,2,2,3,1,2,1,3,15,23.52,15,2,2,3,1,2,3,2,1,1874,65.46,16,2,3,1,3,2,3,1,2,74,37.38,17,2,3,2,1,3,1,2,3,15,23.52,18,2,3,3,2,1,2,3,1,94,39.46,Ave.,477.61,38.58,參考組,49,33.80,三,維,模,型,實,驗,結,果,55,三維模型S/N比反應圖,56,基板,厚度,錫球,半徑,Underifll,(E),Underifll,(),基板,(E),基板,(),FR4,(E),FR4,(),Lev.1,40.44,40.86,39.05,42.87,42.47,36.70,41.31,55.14,Lev.2,36.72,41.27,38.57,35.60,34.77,32.71,40.99,36.68,Lev.3,None,33.61,38.11,37.27,38.50,46.32,33.44,23.91,Effect,3.72,7.67,0.9404,7.26,7.71,13.61,7.88,31.23,Rank,7,5,8,6,4,2,3,1,Optimal,1,2,1,1,1,3,1,1,三,維,模,型,S/N,比,反,應,表,57,控制因子最佳組合,控制因子,Level 1,Level 2,Level 3,A 基板厚度(mm),0.25,0.325,x,B 錫球半徑(mm),0.105,0.15,0.195,C Underfill(E,MPa),7210,10300,13390,D Underfill(,ppm/),16.8,24,31.2,E 基板(E,GPa),193.13,275.9,358.67,F 基板(,ppm/),3.71,5.3,6.89,G FR4(E,MPa),15,400,22,000,28,600,H FR4(,ppm/),12.6,18,23.4,58,三 維 模 型 變 異 分 析,變異分析(Analysis of Variance,ANOVA)目的是評估,實驗誤差,。,若控制因子影響的變異量,遠大於,實驗誤差所產生的變異量，則可判斷此因子效應是,重要的,，非實驗誤差所造成的。,相反地，其它無影響力的因子其效應可視為實驗誤差所造成的,偶發效應,。,59,Factor,SS,DOF,Var,A,62.16,1,62.16,B,223.16,2,111.58,C,2.66,2,1.33,D,173.75,2,86.87,E,178.31,2,89.16,F,587.24,2,293.62,G,238.22,2,119.11,H,2957.93,2,1478.97,Others,26.67,2,13.33,Total,4450.08,17,三維模型各因子變異量與總變異量的平方和,60,第 一 次 誤 差 統 合,進行第一次誤差統合。因其它項的變異量最小，所以將其併入實驗誤差項，並計算其它因子的信心水準。在此過程中，選擇,信心水準,至少需,99,以上,。,控制因子C,底膠(Underfill)之楊氏模數E可視為,無影響力,的因子。亦即，因控制因子C所造成的變異可視為因實驗誤差所造成的偶發現象，將於下一過程統合至誤差項。,控制因子H,(FR4之熱膨脹係數)之信心水準最大為99.99，可視為最重要的因子。,61,Factor,SS,DOF,Var,F,Probability,Confidence,Significant,A,62.16,1,62.16,8.48106021,0.043580956,95.64190439,No,B,223.16,2,111.58,15.2233853,0.013484131,98.65158691,No,C,Pooled,No,D,173.75,2,86.87,11.8526554,0.020844618,97.91553824,No,E,178.31,2,89.16,12.1640569,0.019938141,98.0061859,No,F,587.24,2,293.62,40.0604295,0.002261063,99.77389374,Yes,G,238.22,2,119.11,16.2512933,0.012008056,98.7991944,No,H,2957.93,2,1478.97,201.785696,9.63191E-05,99.99036809,Yes,Others,Pooled,No,Error,29.32,4.00,7.33,S=,2.707284197,Total,4450.08,17,*Note:,At least 99%,confidence,三,維,模,型,第,一,次,誤,差,統,合,62,第 二 次 誤 差 統 合,進行第二次誤差統合。將計算其它因子的信心水準。在此過程中，選擇,信心水準,至少需,99,以上。,可把,控制因子H,(FR4之熱膨脹係數)視為,最具影響力,的因子。,其次為,控制因子F,(基板之熱膨脹係數)。,63,Factor,SS,DOF,Var,F,Probability,Confidence,Significant,A,Pooled,No,B,Pooled,No,C,Pooled,No,D,Pooled,No,E,Pooled,No,F,587.24,2.00,293.62,4.21812229,0.0387405,96.12595004,No,G,Pooled,No,H,2957.93,2,1478.97,21.2468202,7.99928E-05,99.99200072,Yes,Others,Pooled,No,Error,904.91,13.00,69.61,S=,8.343188688,Total,4450.08,17,*Note:,At least 99%,confidence,三,維,模,型,第,二,次,誤,差,統,合,64,原始製程參數設計,與,最佳製程參數設計,之S/N預測值及S/N確認實驗值之比較,依據表中之數據可製作原始製程參數設計與最佳製程參數設計在99的信心水準下。,由S/N預測值及S/N確認實驗值之比較圖，可觀察出，,預測值與確認實驗值,二者有,相互重疊,的部份，因此可以認定預測值與確認實驗值是相當接近的,，,因子效應的估計是可靠的,。,原始製程,參數設計之構裝體之疲勞壽命值是,49次,。,最佳製程,參數設計之構裝體之疲勞壽命值是,3185次,，疲勞壽命值約提昇65倍，對構裝體可靠度有明顯之改善。,65,S/N預測值,S/N確認實驗值,疲勞壽命值,原始製程參數設計,30.97,33.80,49,最佳製程參數設計,78.81,70.06,3185,信心區間,20.26,29.54,三維模型原始與最佳設計之S/N預測值及確認實驗值比較,66,33.80,29.54,29.54,確認實驗值,30.97,20.26,20.26,預測值,三維模型原始製程參數設計預測值與確認實驗值的信心區間,67,70.06,29.54,29.54,確認實驗值,78.81,20.26,20.26,預測值,三維模型最佳製程參數設計預測值與確認實驗值的信心區間,68,預測值與確認實驗值,由圖顯示，,預測值,與,確認實驗值,二者有,相互重疊,的部份，因此可以認定預測值與確認實驗值,相當接近,，即,因子效應的估計是可靠的,。,69,結 論 (一),構裝體,最大翹曲位置,發生在構裝體,最遠處,，即印刷電路板對角線上方處，而,最大等效應變,發生在構裝體,最外側錫球,處。,構裝體網格分割,元素數目為45487,個(Case 4)時已趨近於收斂，因此元素數目大約為45487個時即能得到相當精確的結果，為本文使用之元素數目，而節點數目為52892個。,構裝模型在熱循環負載中，由外側錫球中心點剪應力與剪應變畫成遲滯曲線圖，可知在,第五個溫度循環,時已收斂良好，故在以後之分析只施與構裝體五個溫度循環，即可得合理之結果。,70,結 論 (二),原設計模型之基板為Al,2,O,3,陶瓷,，其,楊氏模數,比BT-Resin與High-Ceramics,大,，而,CTE,比BT-Resin與High-Ceramics,小,，比較,不易熱變形,，引起與其他元件之不匹配(Mismatch)較大，故其疲勞壽命比模型基板為BT-Resin或High-Ceramics小很多。,BT-Resin,的 CTE 比High-Ceramics的 CTE 大，但楊氏模數卻小很多，因此不匹配較小而其疲勞壽命,略大,。,至於模型封膠為,Mold Resin與Potting Resin,，由於此兩種模型比前三者,多出上面的封膠,，故與其他元件不匹配更大，而使得疲勞壽命最小。,五種模型在環境溫度循環負載下，最外側錫球之疲勞壽命從大至小依序為模型,基板為BT-Resin,、模型基板為High-Ceramics、原設計模型、模型封膠為Mold Resin及模型封膠為Potting Resin。,71,結 論 (三),依照L18（21x37）直交表的參數配置，應用ANSYS7.0有限元素分析軟體進行,十八組實驗,，由預測結果顯示，,第一組實驗,具有,最高的疲勞壽命值與S/N比,。,將十八組實驗結果對S/N比製作成因子反應表及反應圖，由因子反應表，顯示控制因子,H(FR4之熱膨脹係數,)對S/N比的因子效應(Factor Effects)最大，可視為,最重要的因子,。其次分別為控制因子F(基板之熱膨脹係數)、控制因子G(FR4之楊氏模數E)與控制因子E(基板之楊氏模數E)。,72,結 論 (四),可將原始製程參數設計與最佳製程參數設計，繪製成S/N預測值及S/N確認實驗值之比較圖。,由圖顯示，,預測值,與,確認實驗值,二者有,相互重疊,的部份，因此可以認定預測值與確認實驗值是,相當接近,的,，,因子效應的估計是可靠的,。,三維FCCSP構裝的,最佳製程參數設計,之疲勞壽命值皆比原始製程參數設計之疲勞壽命值高，對構裝體的,可靠度有明顯之改善,。,73,未 來 研 究 方 向,本文僅討論FCCSP中錫球外形之變異對可靠度的影響，未來可將,金凸塊與填膠,列入分析，可使結果更準確。,本文選定錫球體積與錫球墊半徑參數為,正負10%之變異,，基板厚度為1.5倍增加。若能以,實際製程中參數之變異,為分析對象，則更能符合實際製程之需要。,本文未考慮不均勻溫度分佈的,熱傳分析與濕度,的影響，因此未來可加入熱傳與濕度對構裝體的影響，以期提高準確性。,FCCSP構裝體於錫球黏合等過程中會產生殘留應力，而,殘留應力,也會對構裝體的可靠度造成影響。因此未來可考慮製程中殘留應力。,74,報告完畢,敬請指正,75,