晶圆级晶片尺寸封装热疲劳寿命之电脑模拟分析

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1、科學與工程技術期刊第三卷第二期民國九十六年19JournalofScienceandEngineeringTechnology,Vol.3,No.2,pp.19-25(2007)晶圓級晶片尺寸封裝熱疲勞壽命之電腦模擬分析夏育群逢甲大學航太與系統工程系台中市40724西屯區文華路100號摘要本文針對晶圓級晶片尺寸封裝在環境溫度循環負載下，利用有限元素分析軟體模擬熱與機械行為。理論根據Darveaux所提出之能量法利用黏塑性應變能密度為疲勞壽命預測之破壞判定依據，並藉此計算錫球的疲勞壽命與整體組件的可靠度。模型假設構裝體為全域建模，其數

2、據皆為ANSYS模擬分析加速熱循環後所呈現。結果顯示各元件間熱膨脹係數的差異，為造成構裝體疲勞破壞的主要原因。就錫球部份而言，最大等效應力、應變皆發生在構裝體四周角落處，也是最容易造成疲勞破壞的地方。此外本模擬方法亦用以分析一特殊覆晶組件，其結果與實驗數據吻合。關鍵詞：晶圓級晶片尺寸封裝，錫球可靠度，有限元素分析ComputerSimulationoftheThermalFatigueLifeofWLCSPYUI-CHUINSHIAHDepartmentofAerospaceEngineeringandSystemsEngineer

3、ing,FengChiaUniversityNo.100WenhwaRd.,Seatwen,Taichung,Taiwan40724,R.O.C.ABSTRACTThisstudyfocusesonthereliabilityofawafer-levelchip-scalepackage(WLCSP)subjectedtocyclictemperatures.Finiteelementanalysis(FEA)isusedtosimulatethethermalconditionandmechanicalbehavior.Accor

4、dingtothetheoryofanenergy-basedlawproposedbyDarveaux,theanalysisadoptsviscoplastic-strainenergydensityasthebasiccriterionforcalculatingthefatiguelifeoftheentirepackage,consideredasitsreliability.ThispackageisanalyzedbyusingthesoftwareprogramANSYS,whereinawholemodelsimu

5、latestheappliedthermalcycles.Theresultsrevealthatthefatiguefailureiscausedbyadifferenceinthecoefficientofthermalexpansion(CTE)ofthecomponents.Assuch,themaximumequivalentstressandstraininsolderbumpsalwaysoccursaroundacornerinthemodel,wherethefatiguefailureisinitiated.Al

6、so,asimilaranalysisisimplementedforaflip-chipsample.TheveracityofthesimulationisconfirmedbyacomparisonwithexperimentsreportedbySolectron,anindustrialcompanyintheUSA.KeyWords:wafer-levelchip-scalepackage(WLCSP),solder-jointreliability,finiteelementanalysis(FEA)20科學與工程技術

7、期刊第三卷第二期民國九十六年一、緒論於構裝體應力分析方面Chen及Nelson[10]首先對於不同熱膨脹係數之結合材料中間的黏著層進行研究，並分析由於可攜式電腦與消費電子產品的外形尺寸日趨縮此黏著層之熱應力現象，並將之應用到電子構裝方面。1989小，以致內部可供放置電子元件的空間也日益減小，因此對年Darveaux等人[7]指出不論兩材料之熱膨脹係數如何相於近晶片尺寸或晶片尺寸構裝（chipscalepackage,CSP）的近，顯著的熱應力依然會在瞬間產生。1992年，Lau和Rice需求快速增加。如此一來許多不同的封裝方式如：多

8、晶片模[7,8]相繼提出覆晶構裝體中，最易發生裂紋的地方在於錫組（multi-chipmodule,MCM）、球柵陣列（ballgridarray,球，且隨形狀之改變，應力集中之位置也有所不同，此外並BGA）、覆晶（flipchip,