1 / 36

Yeong-Jyh Lin Department of Mechanical Engineering National Cheng Kung University Tainan, Taiwan

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.

flann
Download Presentation

Yeong-Jyh Lin Department of Mechanical Engineering National Cheng Kung University Tainan, Taiwan

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. CSP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 Interposer • Rigid Substrate Interposer • Lead Frame (Lead-on-Chip) • Wafer Level Assembly Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  4. Substrate Tape Compound Chip Au wire Solder Ball 分析之CSP產品 • 南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  5. 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

  6. 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

  7. 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) 製程參數調整 小量試做產品 非線性分析 可靠度實驗 可靠度分析 產品量產 實驗及模擬之流程 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  8. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  9. 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

  10. 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

  11. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  12. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  13. 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

  14. EMC TAPE EMC Die BT Solder Ball FR-4 BT Solder Ball FR-4 模型建立 • 建立2-D模型 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  15. Die Tape BT Die EMC EMC FR-4 BT Solder Ball 模型建立(continue) • 建立3-D模型 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  16. 材料參數 • 除錫球外，其他皆使用線性材料性質 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  17. 材料參數(continue) • 錫球之材料參數 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  18. 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

  19. 3-D線性分析結果 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  20. 翹曲量比較 • Shadow Moirè 量測實際翹曲量(南茂科技) Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  21. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  22. Temperature (K) Time (sec) 循環溫度變化 • 2個循環 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  23. 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

  24. 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 (63.5% ) plastic shear strain fatigue ductility coefficient (0.65) mean cyclic solder joint temperature in ℃ (42.5) Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  25. 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

  26. Strain Energy (Kgf/mm2) Time (sec) 塑性變形能量之變化 • 2個循環 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  27. Stress in X Direction (Kgf/mm2) E B F D A C Strain in X Direction 應力對塑性應變圖 • 完成第一個循環後之應力應變圖 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  28. Stress in X Direction (Kgf/mm2) Stress in X Direction (Kgf/mm2) Strain in X Direction Strain in X Direction 應力對塑性應變圖(continue) • 完成2個及3個循環之比較 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  29. 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

  30. 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

  31. 各錫球之變形能量圖 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  32. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  33. 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 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  34. 實驗及模擬之可靠度比較 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  35. 結論 • 使用之單位會影響分析時間 Polymer Processing Lab., ME, NCKU

  36. 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

More Related