CSP封装产品在循环热应力下之可靠度分析Board-Level-Reliability-of-

CSP封裝產品在循環熱應力下之

可靠度分析

BoardLevelReliabilityofChipScalePackage

UnderCyclicThermomechanicalLoadingYeong-JyhLinDepartmentofMechanicalEngineeringNationalChengKungUniversityTainan,TaiwanJune15,2000CSP封裝產品在循環熱應力下之

可靠度分析

BoardL1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,NCKU內容摘要CSP產品簡介PolymerProcessingCSP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FlexCircuitInterposerRigidSubstrateInterposerLeadFrame(Lead-on-Chip)WaferLevelAssembly

PolymerProcessingLab.,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(SubstrateOnChip)產品CompoundAuwireChipTapeSubstrateSolderBall

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU分析之CSP產品南茂科技SOC(SubstrateOnC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可靠度簡介可靠度之定義PolymerProcessing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TSTPressureCoolerTest(PCA)抗濕氣能力

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU封裝產品之可靠度實驗熱循環測試PolymerProces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非線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實驗步驟將一定數目之元件放入實驗機中PolymerPro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使用電腦分析可靠度之步驟建立分析模型PolymerPro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，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,NCKU錫球行為分析因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(ViscoplAnand’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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKUAnand’sModel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(IdealAdhesion)假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU簡化模型因整體對稱，取四分之一模擬之PolymerPro模型建立建立2-D模型SolderBallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolderBallFR-4EMC

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立建立2-D模型SolderBallFR-4BTDi模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolderBall

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEM材料參數除錫球外，其他皆使用線性材料性質

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數除錫球外，其他皆使用線性材料性質PolymerP材料參數(continue)錫球之材料參數

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數(continue)錫球之材料參數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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU線性分析將溫度由25℃提升至235℃PolymerPro3-D線性分析結果

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU3-D線性分析結果PolymerProcessingL翹曲量比較ShadowMoirè量測實際翹曲量(南茂科技)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU翹曲量比較ShadowMoirè量測實際翹曲量(南茂科技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非線性分析模擬熱循環測試之溫度循環PolymerProc循環溫度變化2個循環Time(sec)Temperature(K)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU循環溫度變化2個循環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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU疲勞模型依其假設基礎可分為五大類PolymerProce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totalnumberofcyclestofailure(63.5%)plasticshearstrain

fatigueductilitycoefficient(0.65)meancyclicsolderjointtemperaturein℃(42.5)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU以塑性變形為基礎之疲勞模型ModifiedCoffin-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crackpropagationrate

numberofcyclestocrackinitiation

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crack塑性變形能量之變化2個循環Time(sec)StrainEnergy(Kgf/mm2)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU塑性變形能量之變化2個循環Time(sec)Strain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應力對塑性應變圖完成第一個循環後之應力應變圖AFEDCBSt應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環之比較StraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)StraininXDirectionStressinXDirection(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完成1個循環後之等效應力圖Polymer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錫球非線性分析結果(continue)完成1個循環後之塑性變各錫球之變形能量圖

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU各錫球之變形能量圖PolymerProcessingL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可靠度分析整理非線性分析之結果PolymerProces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FatigueModel3-D求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形ModifyCoffin-MansonEquation

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模擬可靠度2-DPolymerProcessingLa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)4019

PolymerProcessingLab.,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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU結論使用之單位會影響分析時間PolymerProcess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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU結論(continue)線性分析PolymerProceCSP封裝產品在循環熱應力下之

可靠度分析

BoardLevelReliabilityofChipScalePackage

UnderCyclicThermomechanicalLoadingYeong-JyhLinDepartmentofMechanicalEngineeringNationalChengKungUniversityTainan,TaiwanJune15,2000CSP封裝產品在循環熱應力下之

可靠度分析

BoardL37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,NCKU內容摘要CSP產品簡介PolymerProcessingCSP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FlexCircuitInterposerRigidSubstrateInterposerLeadFrame(Lead-on-Chip)WaferLevelAssembly

PolymerProcessingLab.,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(SubstrateOnChip)產品CompoundAuwireChipTapeSubstrateSolderBall

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU分析之CSP產品南茂科技SOC(SubstrateOnC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可靠度簡介可靠度之定義PolymerProcessing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TSTPressureCoolerTest(PCA)抗濕氣能力

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU封裝產品之可靠度實驗熱循環測試PolymerProces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非線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實驗步驟將一定數目之元件放入實驗機中PolymerPro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使用電腦分析可靠度之步驟建立分析模型PolymerPro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，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,NCKU錫球行為分析因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(ViscoplAnand’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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKUAnand’sModel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(IdealAdhesion)假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU簡化模型因整體對稱，取四分之一模擬之PolymerPro模型建立建立2-D模型SolderBallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolderBallFR-4EMC

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立建立2-D模型SolderBallFR-4BTDi模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolderBall

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU模型建立(continue)建立3-D模型FR-4DieEM材料參數除錫球外，其他皆使用線性材料性質

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數除錫球外，其他皆使用線性材料性質PolymerP材料參數(continue)錫球之材料參數

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU材料參數(continue)錫球之材料參數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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU線性分析將溫度由25℃提升至235℃PolymerPro3-D線性分析結果

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU3-D線性分析結果PolymerProcessingL翹曲量比較ShadowMoirè量測實際翹曲量(南茂科技)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU翹曲量比較ShadowMoirè量測實際翹曲量(南茂科技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非線性分析模擬熱循環測試之溫度循環PolymerProc循環溫度變化2個循環Time(sec)Temperature(K)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU循環溫度變化2個循環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

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU疲勞模型依其假設基礎可分為五大類PolymerProce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totalnumberofcyclestofailure(63.5%)plasticshearstrain

fatigueductilitycoefficient(0.65)meancyclicsolderjointtemperaturein℃(42.5)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU以塑性變形為基礎之疲勞模型ModifiedCoffin-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crackpropagationrate

numberofcyclestocrackinitiation

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crack塑性變形能量之變化2個循環Time(sec)StrainEnergy(Kgf/mm2)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU塑性變形能量之變化2個循環Time(sec)Strain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應力對塑性應變圖完成第一個循環後之應力應變圖AFEDCBSt應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環之比較StraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)StraininXDirectionStressinXDirection(Kgf/mm2)

PolymerProcessingLab.,ME,NCKU應力對塑性應變圖(continue)完成2個及3個循環之比較錫球非線性分