臺灣博碩士論文加值系統

晶圓級封裝(Wafer Level Chip Size Package, WLCSP)　對近來年電子產品走向輕、薄、短、小有顯著貢獻。表面黏著元件（Surface Mounted Device, SMD）製程在組裝WLCSP晶片時，晶片是祼露且直接組裝到系統板上，此時因晶片和系統板熱膨脹係數的差異過大或系統板上的組裝位置不當，可能會成晶片彎曲斷裂，因此晶片強度要夠才能保證WLCSP晶片的可靠性。現行晶片強度是透過破壞性的三點式彎曲強度測試取得，從準備樣本晶片到取得測試數據需時7天左右，且每個晶片測試成本高達新台幣1千元。由於粗糙度是影響晶片強度的主要因子，因此，本研究主要目的是根據晶片實際資料，利用迴歸分析探討晶片最大粗糙度(Rz)和最小晶片強度之間的關係，進而建立晶片強度之預測方程式，以縮短得到晶片強度測試數據所需的時間和成本。本研究之實驗顯示晶背研磨粗糙度與強度間呈現高度負相關，且建立的關係式可以用來估算晶片的強度；如此不但可以縮短5天（節省約70%）的測試數據時間且可以減少每個晶片測試成本新台幣約7佰元（節省約70%）。本研究結論只限用在厚度100微米且寛度5mm 的晶片上，未來可以利用本研究方法找出其他寛度和厚度晶片之粗糙度與強度的關係式，以節省檢測晶片強度之成本。

Wafer Level Chip Size Package (WLCSP) has made significant contributions for electronic devices getting shrink in recent years. When WLCSP die is assembled in Surface Mounted Device (SMD) process, it is exposed and assembled directly onto the system board. At this time, die may be bent and fractured due to excessive difference in thermal expansion coefficient between the die and system board or the assembly position on the system board is improper, so die strength is sufficient to ensure the reliability of the WLCSP die. The current die strength is obtained through a destructive three-point bending strength test, which takes about 7 days from the preparation of the sample dice to the acquisition of the test data and the test cost per die is as high as NT$1,000. Since roughness is the main factor affecting the die strength, the main object of this study is to apply the regression analysis to analyze the relationship between the maximum roughness (Rz) of the die and the minimum die strength based on the actual data of dice. The prediction equation of the die strength is established to predict the time required to obtain the die strength. The result of this study indicates that the back-grinding roughness and die strength have a high negative correlation, and the relationship can be used to estimate the die strength accurately. By doing so, it can not only shorten the test time of 5 days (saving about 70%) but also reduce the test cost around NT$700 (saving about 70%) for each die. The conclusion of this study is limited to the dice with thickness as 100 μm and width as 5 mm. The proposed method can be employed to find the relationship between the roughness and strength of other dice with different width and thickness to save the cost of measuring the die strength.

目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 v
圖目錄 vi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 4
1.3 研究方法 5
1.4 研究流程與論文架構 5
1.5 研究範圍與限制 6
第二章 文獻探討 7
2.1 最大粗糙度的定義 7
2.2 三點式彎曲強度測試 7
2.3 三點式彎曲測試對晶片強度的探討 8
2.4 WLCSP製程簡介 14
2.4.1 晶背研磨 ( Wafer Backside Grinding) 15
2.4.2 鐳射蓋印 ( Laser Marking) 16
2.4.3 晶圓切割 ( Wafer Dicing) 17
2.4.4 自動光學檢驗 ( Automatic Optical Inspection, AOI) 18
2.4.5 晶粒取放 ( Pick and Place, PnP) 18
第三章 研究方法 19
3.1 測試樣本 19
3.2 最大粗糙度量測實驗 20
3.2.1 實驗方法與步驟 20
3.3 三點式彎曲強度測試 22
3.3.1 實驗方法與步驟 22
第四章 實驗結果與分析 25
4.1 最大粗糙度與晶片強度的實驗結果 25
4.1.1 實驗數據 25
4.1.2 最大粗糙度與晶片強度的相關性探討 26
4.2 最大粗糙度與晶片強度的迴歸分析及其關係式 26
4.3 方程式的驗證 33
4.4 新方程式的驗證 40
第五章 結論 41
5.1 貢獻 41
5.2 後續研究 41
參考文獻 42


表目錄
表1相同的晶片尺寸使用不同的封裝型式其最終尺寸的比較表[11] 2
表2 實驗樣本的條件和數量 20
表3三點式彎曲強度測試參數表 23
表4最大粗糙度和晶片強度的量測結果 25
表5不同迴歸分析的R-SQUARE比較表 26
表6 晶片強度的估算值和實際值 33
表7第二次迴歸分析的R-SQUARE比較表 34
表8 第二次晶片強度的估算值和實際值 40



 
圖目錄

圖 1 WLCSP晶片在手機板上的實例 2
圖 2 得知晶片強度流程的比較及其所需的時間 3
圖 3 晶背研磨紋路在晶背上的方向 4
圖 4 研究架構與流程 6
圖 5 最大粗糙度RZ示意圖 [13] 7
圖 6 三點式彎曲強度測試示意圖 [8] 8
圖 7 研磨紋路方向和測試刀片方向示意圖[4] 9
圖 8 晶片研磨紋路對晶片強度的影響[4] 9
圖 9 研磨輪顆粒號數對晶片強度的影響[4] 9
圖 10 三點式彎曲測試示意圖[5] 10
圖 11 晶片厚度對晶片強度的影響[5] 10
圖 12晶片研磨紋路和晶片及測試刀口示意圖[5] 11
圖 13 晶片研磨紋路對晶片強度的影響[5] 11
圖 14 線型外力施加在晶片示意圖[6] 12
圖 15 晶片研磨紋路對晶片強度的影響[6] 12
圖 16 三點式和四點式彎曲測試示意圖[7] 13
圖 17 晶片研磨紋路對晶片強度的影響[7] 13
圖 18銲線和凸塊兩大家族的外觀結構圖 14
圖 19相同的晶片使用不同的封裝型式其最終尺寸的比較[11] 15
圖 20晶圓貼片製程[11] 16
圖 21晶背研磨製程[11] 16
圖 22撕片製程[11] 16
圖 23鐳射蓋印製程[11] 17
圖 24晶圓上片製程[11] 17
圖 25晶圓切割製程[11] 17
圖 26自動光學檢驗製程[11] 18
圖 27晶粒取放製程[11] 18
圖 28 晶圓加工後的成品 19
圖 29 研磨紋路方向在光學顯微鏡下的觀測 20
圖 30 最大粗糙度量測區域 21
圖 31 OLYMPUS OLS5000雷射共焦顯微鏡 [15] 21
圖 32 測試樣本在量測平台上的示意圖 22
圖 33 INSTRON 5565 UNIVERSAL TESTER SYSTEM　[3] 23
圖 34 三點式彎曲強度測試架設示意圖 23
圖 35 三點式彎曲強度測試實際架設圖[3] 24
圖 36最大粗糙度和晶片強度的相關分析 26
圖 37線性迴歸趨勢線 27
圖 38線性迴歸ANOVA 27
圖 39線性迴歸摘要 27
圖 40二次項式迴歸趨勢線 28
圖 41 二次項式迴歸ANOVA 28
圖 42二次項式迴歸摘要 28
圖 43三次項式迴歸趨勢 29
圖 44三次項式迴歸ANOVA 29
圖 45三次項式迴歸摘要 29
圖 46對數迴歸趨勢 30
圖 47對數迴歸ANOVA 30
圖 48對數迴歸摘要 30
圖 49 NORMAL PROBABILITY PLOT 31
圖 50 RESIDUAL VERSUS RUN ORDER 32
圖 51 RESIDUAL VERSUS FITTED VALUE 32
圖 52第二次線性迴歸趨勢線 35
圖 53第二次線性迴歸ANOVA 35
圖 54第二次線性迴歸摘要 35
圖 55第二次二次項式迴歸趨勢線 36
圖 56第二次二次項式迴歸ANOVA 36
圖 57第二次二次項式迴歸摘要 36
圖 58第二次三次項式迴歸趨勢 37
圖 59 第二次三次項式迴歸ANOVA 37
圖 60 第二次三次項式迴歸摘要 37
圖 61 NORMAL PROBABILITY PLOT 38
圖 62 RESIDUAL VERSUS RUN ORDER 39
圖 63 RESIDUAL VERSUS FITTED VALUE 39

[1] 徐祥進，「三點彎矩實驗之超薄晶圓強度分析與溫控針測實驗」國立中正大學機械工程研究所碩士論文，2010。
[2] 林宣甫，「晶圓級封裝產品之晶背研磨參數研究」國立高雄大學電機工程研究所碩士論文，2014。
[3] 宜特科技網站，http://www.istgroup.com/tw/
[4] McLellan, N., Fan, N., Liu, S., Lau, K., and Wu, J., “ Effects of Wafer Thinning Condition on the Roughness, Morphology and Fracture Strength of Silicon Die.” Transaction of the ASME, Vol. 126, March, pp.110-114, 2004.
[5] Chong, D. Y. R., Lee, W. E., Lim, B. K., Pang, H.L., and Low, T.H., “ MECHANICAL CHARACTERIZATION IN FAILURE STRENGTH OF SILICON DICE.” IEEE, Inter Society Conference on Thermal Phenomena, pp.203-210, 2004.
[6] Tsai, Ming-Yi and Lin C. S. , “Testing and Evaluation of Silicon Die Strength.” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKAGING MANUFACTURING, VOL. 30, NO. 2, APRIL, pp.106-114 2007.
[7] Tsai Ming-Yi and Chen C. H., “Evaluation of test methods for silicon die strength.” Microelectronics Reliability, APRIL, pp.934-941 2008.
[8] DISCO Corporation Website, http://www.disco.co.jp/eg/index.html
[9] Ruldoph Technology, Auto Optical Inspection introduction material, 2005.
[10] Muehlbauer High Tech, Tape and Reel presentation material, 2010.
[11] Amkor Technology Corporation, “WLCSP Process Presentation”, 2011.
[12] ISO 4287, “Geometrical Product Specifications (GPS) -- Surface texture: Profile method -- Terms, definitions and surface texture parameters.” , pp.10-18, 1997.
[13] TOKYO SEIMITSU Corporation, “ Explanation of surface characteristics, Standards.” , pp.230-237, 2004.
[14] SEMI G86-0303, “Test Method for Measurement of Chip (Die) Strength by Mean of 3-Point Bending.” , pp.1-5, 2003.
[15] Olympus Corporation Website, https://www.olympus-ims.com/en/metrology/ols5000/
[16] ISO 3274, “ Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Nominal characteristics of contact (stylus) instruments.” , pp.3-13, 1996.