CSP封装产品在循环热应力下之可靠度分析BoardLevelReliabilityof课件.ppt

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 LinDepartment of Mechanical EngineeringNational Cheng Kung UniversityTainan,TaiwanJune 15,2000內容摘要nCSP產品簡介n可靠度簡介n透過實驗求得可靠度n利用電腦模擬得到可靠度n實驗與模擬之結果比較n結論CSP產品簡介n封裝完成後之面積(Footprint)約為晶片(Die)之1

2、.2倍n依其結構可分為四類nFlex Circuit InterposernRigid Substrate InterposernLead Frame(Lead-on-Chip)nWafer Level Assembly分析之CSP產品n南茂科技SOC(Substrate On Chip)產品CompoundAu wireChip TapeSubstrateSolder Ball可靠度簡介n可靠度之定義n元件於特定使用環境下一定時間內之損壞機率n為何需要可靠度n瞭解生產品質n輕薄短小n功能、成本封裝產品之可靠度實驗n熱循環測試nThermal Cycling Test簡稱TCTn加速因升降溫所

3、造成之破壞發生n熱衝擊測試nThermal Shock Test簡稱TSTnPressure Cooler Test(PCA)n抗濕氣能力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實驗步驟n將一定數目之元件放入實驗機中n每100個循環取出等量之元件進行檢測n產品染色後，在將元件拔離機版n加電壓檢測其迴路之電阻值n可得到循環數對損壞機率之值使用電腦分析可靠度之步驟n建立分析模型n找出產品最容易破壞處n使用非線性分析模擬破壞行為n整理分析結果n透過疲勞模型(Fatigue Model)得到模擬之循環數錫球問

4、題n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n使用時升溫降溫產生類似疲勞之效應n材料發生永久變形n漸漸產生裂縫，繼而成長、破壞錫球行為分析n因錫球為具韌性之合金，故使用黏塑(Viscoplastic)性質模擬之n其行為在ANSYS中屬Rate-Dependent Plasticityn使用Anands Model模擬錫球之變形Anands Modeln為ANSYS內建n需輸入9個材料參數n變形速率為溫度應力之函數mRQpsAd1sinhexp簡化模型n因整體對稱，取四分之一模擬之n忽略金線之影響n不考慮製程所造成之內應力及應變n假設材料間之接合為為理想結合(Ideal

5、 Adhesion)n假設溫度變化時，結構之整體溫度皆相同模型建立n建立2-D模型Solder BallFR-4BTDieTAPEEMCBTSolder BallFR-4EMC模型建立(continue)n建立3-D模型FR-4DieEMCBTBTEMCDieTapeSolder Ball材料參數n除錫球外，其他皆使用線性材料性質材料性質材料總類楊氏係數kgf/mm2浦松比熱膨脹係數10-6/oC膠體 EMCTg=225 oC12600.371=142=58BT2300.317Tape2650.344.3晶粒 Die163100.313.8Solder Ball0.4FR-4500.2816材

6、料參數(continue)n錫球之材料參數溫度楊氏係數kgf/mm2溫度熱膨脹係數10-6/26.853021.319.8524.0766.852669.626.8524.2106.852317.676.8525.11146.851965.6126.8526.01線性分析n將溫度由25提升至235n觀察整體之應力分佈及變形情形n實驗及模擬翹曲量比較3-D線性分析結果翹曲量比較nShadow Moir 量測實際翹曲量(南茂科技)Shadow Moir 2D Model(誤差)3D Model(誤差)短軸m 25 11(56%)29(16%)長軸m 178 146(17.9%)非線性分析n模擬熱循

7、環測試之溫度循環n在5min內由-65上升至150 n將溫度維持在150持續15min n再將溫度在6min內降回-65 n最後維持在-65持續15min n使用Anands Model模擬錫球黏塑行為n進行8次TCT循環循環溫度變化n2個循環Time(sec)Temperature(K)疲勞模型n依其假設基礎可分為五大類n應力n塑性變形n潛變變形n能量損壞n損壞n其中以塑性變形及能量損壞較常使用以塑性變形為基礎之疲勞模型nModified Coffin-Manson(Engelmaier)n考慮循環頻率及溫度效應CftfN1221fTcs1101.741060.44224lnfNtfsTto

8、tal number of cycles to failure(63.5%)plastic shear strain fatigue ductility coefficient(0.65)mean cyclic solder joint temperature in (42.5)以能量為基礎之疲勞模型n2-D及3-D分析皆可使用n計算較複雜dNdaaNNf0430CaveWCN65CaveWCdNda710VVWWave0NdNdacrack propagation rate number of cycles to crack initiation 塑性變形能量之變化n2個循環Time(sec

9、)Strain Energy(Kgf/mm2)應力對塑性應變圖n完成第一個循環後之應力應變圖AFEDCBStrain in X DirectionStress in X Direction(Kgf/mm2)應力對塑性應變圖(continue)n完成2個及3個循環之比較Strain in X DirectionStress in X Direction(Kgf/mm2)Strain in X DirectionStress in X Direction(Kgf/mm2)錫球非線性分析結果n完成1個循環後之等效應力圖錫球非線性分析結果(continue)n完成1個循環後之塑性變形圖各錫球之變形能量

10、圖Average Work Energy00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.00912345678BallWork EnergyOuter BallInner Ball可靠度分析n整理非線性分析之結果n選擇適當之疲勞模型(Fatigue Model)及常數n材料、封裝方式、破壞模式n透過疲勞模型(Fatigue Model)預測實際實驗之循環數模擬可靠度n2-Dn求出單一錫球之平均變性能量n塑性變形能量為基礎之Fatigue Modeln3-Dn求出錫球與Package接面最大塑性剪變變形nModify Coffin-Manson Equati

11、on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結論n使用之單位會影響分析時間使用單位 M-Kg-S mm-Kg-S 幾何尺寸 120.0510-3 m 120.05 mm 最大之材料楊氏係數 1.631011 Pa 1.63104 Kgf/mm2 楊 氏 係 數 與 幾 何 尺 寸 差 距 1014 106 2D 之一個循環所需之計算時間 24hr or unconverted 1hr 結論(continue)n線性分析n2-D模型雖較快但無法得到實際之結果n3-D模型之結果非常接近實際情形n非線性分析n2-D分析時需使用以能量為基礎之疲勞模型n3-D分析疲勞模型皆可使用，但在需注意參數之選擇n由此方式能預測產品之可靠度