晶圓級封裝掉落衝擊動態分析及其衝擊壽命預測理論研究

• Main Authors: Chou, Chan-Yen, 周展延
• Other Authors: Chiang, Kuo-Ning
• Format: Others
• Language: en_US
• Online Access: http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/67174322314617774735

博士 === 國立清華大學 === 動力機械工程學系 === 97 === 隨著可攜式及手提式電子產品的普及化，高抗摔落性、高可靠度電子產品已成為相關產品研發中的中一項相當重要設計重心。為減低可攜式產品在使用過程中摔落造成的影響，封裝體在掉落衝擊下的動態響應研究儼然成為封裝可靠度研究中十分重要的一環。 本研究針對電路板層級掉落測試實驗、其破壞模式分析、掉落測試動態模擬法、以及封裝體銅導線於掉落測試中之特徵壽命預測模型等方面進行相關研究及分析。其後並針對封裝體提出結構最佳化設計，增強其在掉落測試中的抗衝擊性能。在本研究中利用應力緩衝層增強型封裝體作為掉落測試的測試載具，該應力緩衝層增強型封裝體具有將晶片訊號外擴的功能，並具有優秀的抗掉落衝擊特性，能符合現今對於可攜式電子產品的嚴苛要求。該封裝體具有一相當厚度且具柔軟特性的介電層，該介電層可吸收產品掉落時造成的衝擊，進而保護介電層下的銲錫接點。然而，介電層吸收掉落衝擊時造成的介電層大量變形使內埋在介電層中的銅導線產生變形而破壞。在本研究中，此銅導線破壞模式實為該應力緩衝層增強型封裝體之主要破壞模式，故將針對此破壞模式進行相關研究及分析。 本研究主要發展一銅導線掉落衝擊壽命預測理論，在封裝體產品的設計流程中，壽命預測模型實為一不可缺的重要工具。透過壽命預測模型，研發人員可精確地預估特定封裝體的抗掉落衝擊性能，作為設計新型封裝體之依據。本研究進行掉落測試動態模擬來釐清封裝體遭受掉落衝擊的瞬間造成的物理變形行為。分析結果指出封裝體對於掉落衝擊的動態響應並不像溫度循環測試般具週期性及規則性，其為不規則的動態響應。故傳統金屬疲勞理論較不適用於本研究中所發展之壽命預測模型。封裝體在掉落衝擊下實為一疲勞傷害累積的過程，故本研究引用傷害累積概念作為封裝體疲勞模型的基礎。研究結果發現吾人應以銅導線的累積塑性應變作為壽命預測模型的分析指標。此乃因為掉落測試造成的破壞模式屬於低週期疲勞破壞，而塑性應變為主導低週期破壞最重要的因子。本研究發展之衝擊壽命預測模型與掉落測試實驗具有良好的對比性及關連性，故設計研發人員可根據此壽命預測模型進行相關電腦輔助模擬實驗以加速產品開發的時程。 由掉落測試實驗結果可得知銅導線破壞為該封裝體主要破壞模式，故在結構設計時將以提高銅導線可靠度為主要設計目標。第一部份將先針對銅導線的配置進行相關設計，接著則將封裝體中各層的厚度參數進行參數化分析以求得較佳的設計方向，最後本研究提出以應力緩衝層加強型封裝為基礎改良的三明治結構及縮小晶片尺寸等設計以提高銅導線抵抗掉落衝擊的能力。 基於累積傷害的概念下，本研究提出一銅導線掉落衝擊壽命預測理論。該預測模型可正確的估計封裝體在掉落測試下的可靠度。此外，藉由本研究中提出之封裝體設計流程將有助於降低實驗成本並提高產品研發的時程。