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微電子封裝系統之熱、機械、掉落及熱機械失效分析

為了解決abf載板的問題，作者藍嘉昇 這樣論述：

本論文集結各式封裝的型態，以深入探討環境(機械、熱機械、熱及掉落測試)對微電子封裝之影響，並結合模擬模型、理論模型及實驗測試來建立一精準預測失效模型。本論文研究分為兩部分：(1)理論推導與電腦模擬理論探討及(2)案例分析。第一部分為利用理論模型及模擬模型相互驗證及物理性質分析，以了解Three Dimensional Integrated Circuit (3D IC)封裝在運作時之晶片溫度，以及錫球柵陣列封裝(Ball Grid Array, BGA)承受彎矩負載下之錫球應力。第二部分以推導理論方程式為基礎，應用於案例分析，來深入探討薄型精細球柵陣列(Thin Fine-pitch Bal

l Grid Array, TFBGA)封裝之掉落測試，以及扁平式封裝(Quad Flat Package, QFP)與方型扁平式無引腳封裝(Quad Flat No-Leads, QFN)之脫層失效。 在理論推導與電腦模擬理論探討中，BGA封裝之理論模型能計算非連續性錫球的應力，並能考慮不同晶片尺寸對於錫球應力之變化。由於理論模型與模擬模型之相對誤差能達到1%以內，故可證明理論模型能完整地分析在彎矩負載下之錫球應力。結果亦顯示當晶片尺寸佔整體封裝約75%以上，最外側錫球應力開始逐漸增加。此外，本研究提供之3D IC封裝的理論模型能考慮晶片及電路板內部水平方向的熱流傳導性質，藉由一維熱阻

及熱擴散熱阻來組成熱阻網絡以預測晶片上熱源的溫度。結果顯示理論與模擬結果之間的相對誤差能小於5%，並能得知最短的熱傳導路徑為最佳散熱路徑，另外，電路板的導熱材料及接觸面的對流係數，也能有效地對晶片模組散熱，或在晶片上方或電路板下方安裝散熱片亦可大幅提高散熱性能。 在TFBGA封裝之掉落測試中，本研究分別使用加速度邊界法及支承激振法來模擬TFBGA封裝承受衝擊掉落下的錫球應力，再搭配疲勞壽命方程式來預估在掉落測試下錫球累積失效機率10%的疲勞壽命。在探討錫球合金下，發現參雜微量鎳元素的錫球合金能抑制介金屬層的生成及提升承受掉落衝擊的能力，並可提升掉落測試的可靠度。又為了能提升錫球之疲勞壽命

的精準度，本研究執行高應變速率測試來探討錫球在不同應變率下應力與應變之關係，再利用應變率相依彈塑性模型可提升疲勞壽命的精準度，其疲勞壽命模型的精準度可達到95%以上。在QFP與QFN封裝之脫層失效分析中，發現脫層失效常發生於後熟化製程(Post Mold Cure, PMC)或預處理測試(Precondition Test)。此外，本論文會分別建立了熱應力分析之模擬模型及濕氣應力分析之模擬模型，以計算導線架上應力對於導線架與封膠間界面脫層失效之影響。結果顯示結合模擬數值及剪力測試之剪應力比例能有效且精準地判定脫層失效位置，並能考慮銅/封膠及鍍銀層/封膠之界面強度的差異。藉由本研究之理論模型、模

擬模型及實驗測試來反覆驗證，以及提升預測結果的精準度，後續將可進行失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA)及實驗設計法來擬定設計方針及改善產品可靠度。