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研究生:李宗達
研究生(外文):Tsung Ta Lee
論文名稱:材料機械性質與幾何形狀對於窗型球閘陣列構裝體熱變形的影響
論文名稱(外文):Effects of Mechanical Properties and Geometry on Thermal Deformation of WBGA Packages
指導教授:蔡明義蔡明義引用關係
指導教授(外文):M. Y. Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:142
中文關鍵詞:窗型球閘陣列構裝體熱變形模封材料陰影疊紋法
外文關鍵詞:WBGA
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窗型球閘陣列構裝體(WBGA)具有多端子數、高散熱性、體積小以及電性良好的特性而廣受業界使用,目前已成為動態記憶體封裝方式的主流。由於WBGA需經過迴焊製程,並且通過熱循環測試,故在過程中會受熱負載影響,且因材料熱膨脹係數不匹配的關係而發生翹曲行為。此外,模封材料(EMC)會在完全固化後產生化學收縮而造成殘留應變。為提高WBGA可靠度,本研究改變材料機械性質與幾何形狀,藉以找出影響其平整度的主要因素。陰影疊紋系統主要用於量測離面位移,本研究用以量測WBGA於升溫過程(25~260℃)中翹曲量的變化,並結合雙層板理論與有限元素法(FEM)分析其熱變形情形。由實驗結果可發現,改變晶片厚度對WBGA之翹曲行為影響最大,其中以使用晶片厚度225μm與載板厚度155μm之WBGA於升溫過程之翹曲趨勢最平緩,翹曲量約為15μm。而在雙層板分析中,利用陰影疊紋系統量測雙層板之翹曲量,並FEM分析與雙層板理論比較,預測模封材料之化學收縮量為0.15%,並將其代入FEM分析WBGA之翹曲行為,發現分析結果與實驗量測相吻合,因此可利用FEM預測WBGA於升溫過程之翹曲趨勢。最後,本研究量測印刷電路板與WBGA組合件之翹曲行為。實驗結果發現組合件上的WBGA於翹曲量變化於溫度150℃穩定,大約為15μm,而PCB與其相對位置之翹曲量亦然。若組合件之正反兩面皆使用相同材之WBGA,將可能有一面的WBGA與PCB翹曲方向相反,差異太大將會造成離面破壞。針對不同狀況,可利用此研究方法找出與PCB翹曲方向匹配之WBGA。
The window ball grid array (WBGA) package has become one of the most popular alternatives for DRAM packaging due to its high I/O density, high heat dissipation, low profile and high electrical performance. The warpage performance of WBGA during solder reflow process and thermal cycling test is induced by thermal loading and thermal mismatch in material. For WBGA packages, the residual strains of epoxy molding compound (EMC) are induced by the chemical shrinkage of EMC after post-mold-cure process. In order to enhance the reliability of WBGA, this study is trying to figure out the key parameters affecting the coplanarity of WBGA by altering its mechanical properties and geometry. In this study, the shadow moiré method is employed to measure the out-of-plane displacement and warpage variation of WBGA under thermal cyclic test (T/C, from 25 to 260 °C). And the finite element method (FEM) is applied to simulate the thermal deformation of WBGA. Finally, the warpage of WBGA cooperating with chemical shrinkage of EMC can be predicted by combining the shadow moiré experiment, FEM and bi-material theory. From the experimental results, the key parameter affecting the warpage performance of WBGA significantly is chip thickness. It found that the warpage trend, that 225μm-thick chip and 155μm-thick core are used on WBGA, is most gradually. From the T/C result, the warpage shape of this case keeps concave, and the average warpage is 15 μm. From the bi-material analysis, the chemical shrinkage of EMC, that the filler volume fraction of EMC is 72 %, is predicted. The rate of chemical shrinkage is 0.15 %. It also found that the warpage trends, which combine the chemical shrinkage with FEM simulation, for these cases of WBGA are close to experiment results. Finally, the warpage trend of Printed Circuit Board (PCB) and WBGA assembly were measured on the T/C. The WBGA which has best warpage trend is used on the assembly. It found that the warpage of WBGA on the assembly keeps about 15 μm, so does the warpage of PCB which is the relative position of WBGA. It can be predicted that the out-of-plane failure may happen at the side which the warpage shapes of PCB and WBGA on the assembly are opposite. In a word, this study can provide the suitable WBGA on the assembly.
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
目錄 vii
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 簡介 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 文獻回顧 4
1.4 研究目的 6
第二章 實驗方法 7
2.1 即時加熱陰影疊紋系統 7
2.1.1陰影疊紋法基本原理 7
2.1.2即時加熱陰影疊紋光學實驗系統架設 9
2.2 動態機械分析儀(DMA)與熱機械分析儀(TMA) 11
2.2.1動態機械分析儀原理 11
2.2.2熱機械分析儀原理 14
第三章 有限元素法與理論分析 15
3.1 有限元素法分析 15
3.2 理論翹曲量計算 17
3.3 Timosheko雙層板理論 18
第四章 試片準備與有限元素模型建立 22
4.1 試片準備 22
4.2 有限元素模型建立 24
第五章 結果與討論 26
5.1 使用不同填充物含量比之模封材料對不同載板厚度的基板之WBGA於熱負載下熱變形的影響 26
5.2 錫球對不同晶片厚度之WBGA於熱負載下熱變形的影響 28
5.3 使用不同晶片厚度及黏晶膠,對黏晶膠延伸之WBGA於熱負載下熱變形的
影響 28
5.4 模封材料/晶片雙層板分析 30
5.5 WBGA有限元素分析 30
5.6 WBGA組合件與PCB於熱負載下熱變形的影響 32
第六章 結論 34
參考文獻 37
附錄 I
表4.1 WBGA材料參數表 59
圖1.1 (a)DDR SDRAM的TSOP構裝體示意圖 39
(b)DDR2 SDRAM的FBGA構裝體示意圖 39
圖1.2 各種DRAM與其適用之構裝體比較圖 40
圖1.3 常見使用於DRAM之構裝體比較圖 41
圖1.4 FBGA,WBGA與μBGA之可靠度測試比較圖 42
圖1.5 (a)FBGA結構示意圖 43
(b)WBGA 結構示意圖 43
圖1.6 WBGA與印刷電路板組合之破壞種類
(a)離面變形造成錫球剝離破壞(空焊) 44
(b)平面變形造成錫球剪力破壞(龜裂) 44
圖2.1 陰影疊紋法原理 45
圖2.2 試片翹曲與光柵間之關係式 46
圖2.3 利用α與β角度變化之陰影疊紋系統 47
圖2.4 烤箱內部結構示意圖
(a)側視圖 48
(b)正視圖(A-A’剖面) 48
圖2.5 即時加熱陰影疊紋系統光路圖 49
圖2.6 即時加熱陰影疊紋系統 50
圖2.7 動態機械分析儀 51
圖2.8 動態機械分析儀之三點彎矩夾具 51
圖2.9 不同材料性質之應力與應變關係圖
(a)彈性材料 52
(b)黏性材料 52
(c)黏彈性材料 52
圖2.10 動態機械分析儀之拉伸夾具 53
圖2.11 熱機械分析儀夾具示意圖 53
圖3.1 翹曲量與曲率半徑關係圖 54
圖3.2 雙層平板受熱變形圖 55
圖4.1 WBGA實體圖 56
圖4.2 WBGA結構尺寸示意圖 56
圖4.3 模封膠材/晶片雙層板結構示意圖 57
圖4.4 WBGA組合件實體圖 57
圖4.5 印刷電路板實體圖 58
圖4.6 WBGA組合件量側面(Side A)與背面(Side B)示意圖 58
圖4.7 EMC v72之DMA測試結果圖 60
圖4.8 EMC v72之TMA測試結果圖 60
圖4.9 High Tg D/A之DMA測試結果圖 61
圖4.10 Low Tg D/A之DMA測試結果圖 61
圖4.11 基板中載板之DMA測試結果圖 62
圖4.12 基板中載板之TMA測試結果圖 62
圖4.13 阻焊劑之DMA測試結果圖 63
圖4.14 阻焊劑之CTE示意圖 63
圖4.15 WBGA之FEM模型邊界條件示意圖 64
圖4.16 WBGA之3-D FEM模型圖
(a)立體圖 65
(b)側剖面圖 65
圖4.17 雙層板之3-D FEM模型圖
(a)立體圖 66
(b)三視圖 66
圖5.1 載板厚度210 μm及EMC v70之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 67
圖5.2 載板厚度210 μm及EMC v72之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 68
圖5.3 載板厚度210 μm及EMC v73之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 69
圖5.4 載板厚度210 μm及EMC v76之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 70
圖5.5 載板厚度210 μm及EMC v79之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 71
圖5.6 載板厚度210 μm及EMC v81之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 72
圖5.7 載板厚度155 μm及EMC v70之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 73
圖5.8 載板厚度155 μm及EMC v72之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 74
圖5.9 載板厚度155 μm及EMC v73之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 75
圖5.10 載板厚度155 μm及EMC v76之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 76
圖5.11 載板厚度155 μm及EMC v79之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 77
圖5.12 載板厚度155 μm及EMC v81之WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 78
圖5.13 不同填充物含量之模封材料,載板厚度 210 μm基板之WBGA
構裝體於熱負載下的翹曲量比較圖 79
圖5.14 不同填充物含量之模封材料,載板厚度 155 μm基板之WBGA
構裝體於熱負載下的翹曲量比較圖 80
圖5.15 不同EMC與載板厚度對WBGA之 值比較圖 81
圖5.16 不同EMC與載板厚度對WBGA之 值比較圖 82
圖5.17 不同EMC與載板厚度對WBGA之 值比較圖 83
圖5.18 晶片厚度175 μm之無錫球WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 84
圖5.19 晶片厚度175 μm之WBGA熱變形條紋圖(15 μm/fringe) 85
圖5.20 晶片厚度250 μm之無錫球WBGA熱變形條紋圖
(15 μm/fringe) 86
圖5.21 晶片厚度250 μm之WBGA熱變形條紋圖(15 μm/fringe) 87
圖5.22 錫球對不同晶片厚度之WBGA於熱負載下的翹曲量比較圖 88
圖5.23 WBGA黏晶膠延伸示意圖 89
圖5.24 晶片厚度175 μm,High Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 90
圖5.25 晶片厚度200 μm,High Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 91
圖5.26 晶片厚度225 μm,High Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 92
圖5.27 晶片厚度250 μm,High Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 93
圖5.28 晶片厚度175 μm,Low Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 94
圖5.29 晶片厚度200 μm,Low Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 95
圖5.30 晶片厚度225 μm,Low Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 96
圖5.31 晶片厚度250 μm,Low Tg D/A延伸,載板厚度155 μm及
EMC v72之WBGA熱變形條紋圖(15μm /fringe) 97
圖5.32 晶片厚度與黏晶膠種類對WBGA熱變形條紋圖翹曲量比較圖 98
圖5.33 典型模封膠材/晶片雙層板於熱負載下變形條紋圖 (15μm/fringe) 99
圖5.34 陰影疊紋系統量測EMC/Die雙層板於熱負載下的翹曲量與理
論及FEM分析比較圖 100
圖5.35 FEM模擬不同晶片厚度之WBGA的翹曲量比較圖 101
圖5.36 FEM模擬不同晶片厚度與載板厚度之WBGA的翹曲量比較圖 102
圖5.37 FEM模擬WBGA其EMC面與基板面之翹曲量比較圖 103
圖5.38 FEM模擬不同黏晶膠之WBGA的翹曲量比較圖 104
圖5.39 FEM模擬不同模封膠材與晶片厚度之WBGA的翹曲量比較圖 105
圖5.40 FEM模擬不同晶片厚度之WBGA平面位移比較圖 106
圖5.41 FEM模擬不同晶片厚度之WBGA平面(In-plane)等效熱膨脹係數
(α effective)比較圖 107
圖5.42 WBGA組合件上之WBGA熱變形條紋圖(No.1)
(15 μm/fringe) 108
圖5.43 WBGA組合件上之WBGA熱變形條紋圖(No.2)
(15 μm/fringe) 109
圖5.44 WBGA組合件上之WBGA熱變形條紋圖(No.3)
(15 μm/fringe) 110
圖5.45 WBGA組合件上之WBGA熱變形條紋圖(No.4)
(15 μm/fringe) 111
圖5.46 WBGA組合件之PCB熱變形條紋圖(30 μm/fringe) 112
圖5.47 對應WBGA組合件上構裝體位置之PCB熱變形條紋圖
(30μm /fringe) 113
圖5.48 WBGA組合件上之構裝體與其對應位置之PCB翹曲量比較圖 114
圖5.49 WBGA組合件上之PCB翹曲量比較圖 115
1.(日)荻本英二著,《CSP技術─高密度IC封裝》,陳連春譯,台北,建興
出版社,民國87年。
2.(日)荻本英二著,《CSP技術─高密度IC封裝(Part II)》,陳連春
譯,台北,建興出版社,民國91年。
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8. J. C. L. Wu, H. B. Shiue, S. Wu, M. Hung, and J. J. Lee, “Study of Rapid Cure BGA Mold Compound on Warpage with Shadow Moiré,” Electronic Components and Technology Conference, 1999.
9. 王志棟,〈模封材料在電子封裝製程所造成之熱變形與殘留應力分析〉,長庚大學,碩士論文,民國91年。
10.S.J. Pan, R. Kapoor, Anthony Y.S. Sun, C.K. Wang, and H.G. Low, “A Comparison of Electrical Performance between a Wire Bonded and a Flip Chip CSP Package,” IEEE/CPMT/SEMI Int’l Electronics Manufacturing Technology Symposium, pp.125-130, 2003.
11.M.Y. Tsai, C.H. Hsu, and C.N. Han, “A Note on Suhir’s Solution of Thermal Stresses for a Die-Substrate Assembly,” ASME J. of Electronic Packaging, vol.126, pp.115-119, 2004.
12.W. Koh, and F. Kong, “Material Impact on FBGA Package Reliability, ” IEEE/ISAPM 2005, pp.126-129, 2005.
13.陳佑宸,〈塑膠球狀陣列構裝體與其組合件之熱變形量測與分析〉,長庚大學,碩士論文,民國95年。
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