【毕业学位论文】BGA(球柵阵列)电子构装中基板裸露金区对胶体脱层影响的研究

國高雄大學電機工程學系(研究所) 碩士文 柵陣)電子構裝中基板區對膠體脫層影響之研究. f t n 研究生：謝清俊 指導教授：施明昌 中華民國九十九七月 2 I 摘 要 合電子設備電子工程委員會(規範半導體產業相關規格標準,包含尺寸大小規格，環境測試項目(可靠測試(標準項目【1】，做為從事半導體產業共同規範與標準。 輕、薄、短、小、高 I/O、多功能、低價格、 高品質之 3C 產品(求與色環保產品要求為 品發展趨勢，斷挑戰產品尺寸、材安全，促使封裝製造廠與材供應商日進研發新封裝製程與材技術。 本人負責 裝新產品導入產之驗證作業,使用已被驗證通過之標準化製程與材。，其中有一 品於 試後，遭遇到膠體與銲線區脫層缺點之品質問題。 此研究主題，在假設改標準製程與材前提下，依據產品脫層缺點模式，研究解決脫層缺點之製程方法。 關鍵詞：脫層、黏著、 膠餅、區、 基板。 of is 、lo w a re C to I am in of by a A of is to a to u 誌謝 能有機會在高雄大學電機研究所進修，首先要感謝高雄大學與日月光公司產學合作，讓我有機會能在工作之餘有系統、深入學習半導體相關知進而解日後可進一步進修的途徑。 再者要感謝電機所教授施明昌師、文厚師、郭馨徽師、馮世維師、孟恩師、茂田師、陳彥君師、亭師與日月光講師群，知無言、言無盡、認真有耐心的敎學。使駑鈍的我對半導體專業的硬知、英文表達與組織管的軟知有進一步的認與學習方向，也間接強化職能技巧。接著要感謝同事哲仁，分擔部分工作上的公事與我太太雅專心照顧我調皮兒子昀穎，讓我在進修這二無後顧之憂，專心書。 最後要大的感謝指導教授施明昌師，在公務繁忙之餘，能厭其煩指導我文寫作方向，學分析與報告補強。僅以本文獻給所有關心我的朋友、師、同事、同學和家人。 目 摘要. . 誌謝. 目. 表目. 圖目. 第一章 緒 .究背景 . 1 究動機 . 1 究方法 . 1 第二章 原簡介 . 2 學原: . 2 松比(s . 4 膨脹係 . 4 響界面粘接強的主要因素 . 6 第三章 裝製程與可靠測試程簡介 . 11 裝程簡介 . 11 靠測試程簡介 . 19 第四章 基板製程簡介與比較 . 25 板製造程 . 26 板製造程 . 28 板製造程 . 29 G 基板製造程 . 30 第五章 基板鍍區與銅表面對漆黏著比分析 . 32 著強的測規範 . 32 板鍍表面與銅表面粗糙之比較 . 36 丁模黏著測 試. 36 漆與銅、漆與黏著結 . 41 第章 60L 脫層常現象 析 . 42 品基本資 . 42 溫作業規範 . 42 點現象 . 43 析 . 44 A 推 . 48 V 第七章 無電鍍線化學鍍與濺鍍基板對產品脫層失敗模式分析 . 49 G 較 . 49 板與膠餅脫層再現性實驗 . 49 板與膠餅脫層再現性 驗結果 . 51 板與膠餅脫層再現性 對和失敗分析 . 52 第八章 基板無電鍍線濺鍍鍍區大小對產品脫層失敗模式分析與驗證 . 59 板鍍大小對餅脫層影響實驗 . 59 裝程 . 59 板鍍大小對餅脫層影響 驗結果 . 60 板鍍大小對餅脫層影響 AT A . 60 板鍍大小對餅脫層面積 析 . 64 第九章 結與未討 . 66 考文獻 . 67 表目 表 3敏感)等級分表: . 21 表 3境測試條件表: . 21 表 4板製程程表 . 25 表 4板製程差比較表 . 31 表 4板製程優比較表 . 31 表 6鉛製程回溫各區段作業規範: . 42 表 7餅 . 49 表 7板脫層再現性實驗 驗組別 . 50 表 7板脫層再現性實驗 驗結果 . 51 表 8板鍍大小對餅脫層影響 驗組別 . 59 表 8板鍍大小對餅脫層影響 驗結果 . 60 圖目 圖 2向 . 2 圖 2向應 . 3 圖 2. 3 圖 2性應. 3 圖 2變種 . 4 圖 2膨脹示意圖 . 5 圖 2同材變形效應示意圖 . 5 圖 2面張示意圖 . 7 圖 2子擴散示意圖 . 8 圖 2合材分子或分子擴散黏著示意圖 . 8 圖 2電黏著示意圖 . 9 圖 2學鍵結黏著示意圖 . 9 圖 2械黏著示意圖 . 9 圖 2著劑機械黏著示意圖 . 10 圖 3段封裝程 . 12 圖 3段封裝程 . 13 圖 3片研磨與割圖示 . 14 圖 3片黏著圖示 . 15 圖 3線程圖示 . 15 圖 3注圖示 . 16 圖 3品鐳射正印圖示 . 17 圖 3圖示 . 18 圖 3缸曲線 . 19 圖 3靠測試程 . 20 圖 3短測試機台 . 22 圖 3音波掃描機 . 23 圖 4板 程程 . 26 圖 4板 程程圖示 . 27 圖 4板 作程 . 28 圖 4板 程圖示 . 28 圖 4板 作程 . 29 圖 4板 程圖示 . 29 圖 4板 作程 . 30 圖 4板 程圖示 . 30 圖 5用測剪黏著強的三種測方式 . 33 著強的七種測方式(. 35 圖 5板鍍表面與銅表面粗糙之測 . 36 圖 5丁模具 & 模具設計圖 . 37 圖 5丁模 台 推測機台 . 38 圖 5丁模推測與樣品示意圖 . 39 圖 5漆與銅/漆與 布丁模測試樣品 . 39 圖 5漆與銅/漆與 布丁模測結果 析圖 . 41 圖 6R . 42 圖 660L 之 . 43 圖 660L 之 . 44 圖 660L 常位置與基板相對位置 . 44 圖 置 . 45 圖 . 45 圖 置 . 46 圖 . 46 圖 置和 . 47 圖 位置 1 放大圖 . 47 圖 位置 2 放大圖 . 47 圖 位置 3 放大圖 . 48 圖 7 G 較 . 49 圖 7裝程 . 50 圖 7 、後 . 52 圖 7 、後 . 53 圖 7 、後 . 54 圖 702 、後 . 55 圖 7 置比較圖 . 56 圖 7 置比較圖 . 57 圖 7 置比較圖 . 58 圖 8裝程 . 59 圖 8板鍍大小對餅脫層影響 AT A . 61 圖 8同 板 敗面積大小比較 . 64 圖 8板 一層銅箔層比較 . 65 1 第一章 緒 究背景： 本人負責新產品在導入產前須依據 先處程測試方法(試)【2】與可靠測試，產品經過品質驗證後始可產。在導入 裝新產品產之驗證作業中,使用已被驗證通過之標準化製程【3】與材，其中 760L 封裝完成後，產品於 試，遭遇膠體與銲線區脫層缺點之品質問題，此為材間之黏著問題，換膠材(即可解決，但可能也有副作用產生，如黏膜、孔，況且涉及已標準化材、材重新驗證時程與未產可能遭遇作業面問題。故在變標準化膠餅(提下，對產品需求所須選用材特性、製程特性與產品設計問題，加以分析、研究、驗證以解決脫層問題。 究動機： 在此一研究題目上，須解產品失敗模式與原因分析、基板製程特性與差、製程材特性。以使產品能通過 試（預先處程測試）並提供與訂定基板設計考。 將求學所學習的知結合工作經驗，運用到實際作業面與製造產品 上，學以致用，以解決工作上所遇到工程問題。 究方法: 本研究重點，透過分析失敗模式原因分析與收集現有產品資訊加以驗證確認產品失敗真因，進而追蹤相關製程問題,透過問題假設與模擬與重現等方法，加以驗證改善產品品質，進而訂定設計規範，以避免同樣再問題發生。 2 第二章 原簡介 學原: 許多實際材，如一根長為 L、橫截面積 A 的柱形棒，在學上可以用虎克定模擬其單位伸長（或縮減）（應變）在常係 E（稱為 楊氏模 ）下，與（或壓）應 成正比。其關係圖如圖 2其定義為 =3】 E 表示楊氏模， 表示正向應， 表示正向應變。 彈性材承受正向應時會產生正向應變，在形變沒有超過對應材的一定彈性限時，定義正向應與正向應變的比值為這種材的楊氏模。 =L/L L= 原長, L =變形, =正向應 F =正向 A= 橫截面積 圖 2向 3 圖 2向應 圖 2 2性應4 松比(s 浦松比=橫應變/縱應變=d/l 【14】 任何物體受軸產生變形一定有縱向與橫向的變形，也就是個變形， 即 縱向變形 l=l橫向變形 d=d物體伸時 l0， 2變種 膨脹係（of 稱 是指物質在熱脹縮效應作用之下，幾何特性隨著溫的變化而發生變化的規性係。實際應用中，有種主要的熱膨脹係，分別是： 線性熱膨脹係(【15】 L= 原長, L =變形,T=溫變化 5 體積熱膨脹係： 0V =原體積, V =體積變化, T =溫變化 圖 2膨脹示意圖 熱膨脹係同的二種物質結合在一起，因二種物質膨脹速同，使二種物質間互相擠對方，因而產生應造成受熱變形之效應【16】。 圖 2同材變形效應示意圖 6 響界面粘接強的主要因素： 跟複合材有關係【17】 上可能以一個機構為主或多種機構並存 附及潤濕 浸潤指液體與固體發生接觸時，液體附著在固體表面或滲透到固體內部的現象，此時對該固體而言，該液體叫做浸潤液體。浸潤指液體與固體發生接觸時，液體附著在固體表面且滲透到固體內部的現象，此時對該固體而言，該液體叫做浸潤液體。 浸潤與浸潤現象產生的原因可以用分子作用解釋。當液體與固體接觸時，在接觸處形成一個液體薄層，這個液體薄層叫做附著層。附著層內部的分子同時受到液體分子和固體分子的吸引。如果固體分子對液體分子的引大於液體分子之間的引，那麼附著層的分子密將會大於液體的分子密，此時附著層內的分子相互作用表現為斥，液面呈現擴散的趨勢，形成浸潤現象。如果固體分子對液體分子的引小於液體分子之間的引，那麼附著層的分子密將會小於液體的分子密，此時附著層內的分子相互作用表現為引，液面呈現收縮的趨勢，形成浸潤現象。如果液體對固體浸潤，同時固體內部存在毛細管，那麼因為毛細作用，液體會滲透到固體的內部。 關於潤濕可由個簡單的式子加以明。表示液體黏著於固體所需的熱學上的功，下式： 1+1+11 其中1，1 表示液體及固體的表面自由能(11 為液體固體介面的表面自由能。 當液體潤濕固體表面時，原本氣固的界面被液固的界面所取代，而氣固與液固之界面張的差， 稱之為濕潤張。當氣固的界面張大於液固的界面張時，也就是固體和液體間的吸引大於固體和氣體間的吸引時，固體和氣體間的界面張會將液固界面伸。換話，被濕潤的固體表面有較低的界面張，因此液體會在固體表面擴張。當液體滴在固體表面上時，固體表面和液滴線的夾角，就是所謂的接觸角。而濕潤張和接觸角的關係，可以用楊格方程【4】( 7 1805 ，托馬斯楊通過分析作用在由氣體環繞的固體表面的液滴的而確定接觸角。 圖 2面張示意圖 其中 = 固體和氣體之間的表面張 = 固體和液體之間的表面張 = 液體和氣體之間的表面張 可以用接觸角測計測。接觸角小，表示液體能有效地潤濕固體表面。 8 散 個表面的鍵結可能由一個表面的分子擴散至另一個表面而形成，而鍵結的大小則依分子間相互擴散纏繞的程、與的分子目的多寡以及分子間結合的大小而定。 分子擴散, 通常簡稱為擴散, 是分子通過隨機分子運動從高濃區域向低濃區域的網的傳播. 擴散的結果是緩慢的將物質混合起. 在溫恆定的空間中, 忽外部分子的相互作用, 擴散過程的結果是完全混合或達到一種平衡態. 學上,擴散過程通常由菲克定描述. 圖 2子擴散示意圖 複合材的組成藉由原子或分子的相互擴散，可在介面形成所謂擴散黏合。對高分子複合材而言， 擴散黏合是加強材與基材分子間相互糾結(結果，如圖所示。當糾結的程愈嚴重。糾結的分子密愈高，則擴散黏著的強愈高。 圖 2合材分子或分子擴散黏著示意圖 電 靜電黏著最早是由蘇俄科學家 提出，假設所有的黏著現象大部份可解釋為介面上的電荷轉移而產生電雙層(一個表面帶正電荷，另一個表面帶負電荷，如同酸鹼相互作用(子的鍵結(這種結合的大小視電荷的密而定。當介面存在正電荷及負電荷時，加強材與基材之間即產生黏著的效果，如圖所示。黏著強依電荷密的大小而定，靜電吸引僅在幾個原子距有效，因此，基材與加強材需有緊密的接觸。 9 圖 2電黏著示意圖 學鍵結 化學鍵結的形成是加強材表面的化學集團與基材上的可相反應的化學 集團相結合的結果。鍵結強依單位面積鍵結與鍵結種而定。 圖 2學鍵結黏著示意圖 械黏著 如圖所示，當表面愈粗糙，機械互鎖 (現象愈明顯，黏著的強也就愈強。當介面所受的方向是平介面時，也就是受剪，機械黏著的效果較佳，是受方向垂直介面，則機械黏著的效果比較差。 圖 2械黏著示意圖 10 有些鍵結是二個表面產生機械性的互鎖( 膠與被著體之間的交互作用有好幾種， 最基本的黏著源 是用分子間的吸引，如氫鍵，以及任何黏著劑會產生的凡得瓦（。過，分子的作用距通常很小，為製造較多分子，黏著劑一般呈液態，用其動性填滿被著體表面凹，增加近距的接觸面積。 液態黏著劑產生的分子並夠強，用手一就會分，想的黏著劑必須能固化，與物體表面凹凸平處相互扣鎖，使物體能抵抗欲分開者的外，這稱為機械性交互扣鎖原（黏著劑的黏著過程會經個步驟，先用液態濕潤物體，滲進物體表面凹後，待其固化，膠與物體表面就會相互扣鎖，外無法將物體分。 圖 2著劑機械黏著示意圖 固化後的黏著劑僅能與被著體產生機械，本身結構也會增強，原因是固化過程中有些黏著劑因溶劑揮發，而使黏著劑分子彼此間靠近，因此產生多分子。 黏著劑的基本接合方式外乎先用液態濕潤物體表面，再經固化與物體相互扣鎖，即可達到緊密結合。由於分子結構同，各種黏著劑只能近距與某些特定材質形成較強的分子或彼此糾纏， 11 第三章 裝製程與可靠測試程簡介 隨著 品需求的日提昇，推動電子構裝產業的蓬勃發展。而電子製造技術的斷發展演進，在 片 輕、薄、短、小、 高功能的要求下 ，亦使得構裝技術斷推陳出新，以符合電子產品之需要並進而充分發揮其功能。構裝之目的主要有下四種： （1）電傳送: 動作，需有外的電源驅動，外的電源經過構裝層內的重新分佈，可穩定地驅動 作。 （1）訊號輸送: 產生的訊號，或由外界輸入 訊號，均需透過構裝層線的傳送以送達正確的位置。 （3）熱的去除: 發熱相當驚人，目前 發熱已達 4050W，新一代的 可高達 90W，藉由構裝的熱傳設計，可將 發熱排出，使 可工作溫下(通常小於 85)正常運作。 （4）電保護: 構裝可將 封，隔絕外界污染及外的破壞，提供足夠的機械強，供後續製程使用。 裝程簡介 晶片在經過封裝保護，容受到空氣中的濕氣和氧的影響，半導體積體電元件會隨時受到氧化和腐蝕，使整個系統無法工作。因此封裝的目的在保護半導體晶片，使其與晶片外接線受外界影響。 裝程區分大部分。在晶片銲線前，對作業環境敏感，稍有污染或物容使產品封裝失敗造成產品報廢。故以晶片銲線與否，區分前段程和後段程。其封裝程如下: 12 前段程: 將晶圓廠送到封裝廠之晶圓，進晶圓研磨、晶圓割、晶黏貼、晶與基板銲線打等作業程(圖 3其主要作業目的如下： 晶圓研磨：一般晶圓廠送到封裝廠之晶片厚約為 30低晶片在運送過程中 破片。封裝廠必須將晶片研磨到所需封裝之晶片厚。晶片厚因產品結構 同隨之一有同厚定義。 晶圓割：按晶片之晶大小，將晶片割成各自獨之晶，以後續晶貼機板 作業。 晶黏貼：使用銀膠(膠膜(將晶黏貼固定到基板上，以後 續晶與機板銲線接作業。 銲線：透過打線機將線/銅線/鋁線，銲接到基板上，使晶與基板接。 圖 3段封裝程 13 後段程: 接續前段作業已完成銲線產品， 使用封膠將產品密封以保 護晶與銲線受外、物等外在環境影響功能，並植上錫球以產品後續與母板(上板與導通作業。其作業程(圖 3含封膠、穩定烘烤、正印、植球、成形等作業。其主要作業目的如下： 封膠：使用封膠將產品密封以保護晶與銲線受外、物等外在環境影響。 穩定烘烤：使封膠高分子材之化學反應完全反應已達產品穩定性。 正印：在產品膠體上以射正印或油墨正印將產品生產別資印於產品上。以產品 別與追蹤。 植球：將錫球植到基板上，以使晶能透過錫球與外界母板接。 成形：將產品從條機板割成各自獨產品。 圖 3段封裝程 14 晶片割（晶片割之目的為將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之晶（割分。欲進晶片割，首先必須進晶圓黏片，而後再送至晶片割機上進割。割完後之晶井然有序排於膠帶上，而框架的支撐避免 膠帶的皺摺與晶之相互碰撞。 圖 3片研磨與割圖示 15 黏晶（ 黏晶之目的乃將一顆顆之晶置於導線架上並以銀膠（著固定。黏晶完成後之導線架則經由傳輸設備送至彈匣（，以送至下一製程進銲線。 圖 3片黏著圖示 16 銲線（ 銲線乃是將晶上的接點以極細的線（1850m）接到導線架之線，進而藉此將 之電訊號傳輸至外界。 打線機銲線作動程如下圖 3圖 3線程圖示 17 封膠（ 封膠之主要目的為防止濕氣由外部侵入、以機械方式支 持導線、內部產生熱之去除及提供能夠手持之形體。其過程為將導線架置於框架上並預熱，再將框架置於壓模機上的構裝模上，再以樹脂充填並待硬化。 圖 3注圖示 印字（ 印字/刻乃將字體印於構裝完的膠體之上，其目的在於註明 商品之規格及製造者等資訊。 圖 3品鐳射正印圖示 18 剪/成形（ 剪之目的為將導線架上構裝完成之晶獨分開，並 把需要的接用材及部份凸出之樹脂除（成形之目的則是將外引腳壓成各種預先設計好之形 ，以於裝置於電版上使用。剪與成形主要由一部衝壓機配上多套同製程之模具，加上進及出機構 所組成。 圖 3圖示 檢驗（ 晶片割之目的為將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之 檢驗之目的為確定構裝完成之產品是否合於使用。其中項目包括如：外引腳之平整性、共面、腳距、印字 是否清晰及膠體是否有損傷等的外觀檢驗。 19 靠測試 程簡介 可靠的觀其實早在二次大戰期間德國在研製 箭階段時，就有系統強決定於其中最弱環節的觀。1951 美國電子設備可靠顧問團(電子裝備進研究，並提出可靠報告之後，把可靠定義為產品於既定時間內及特定使用環境條件下，執特定功能，成功完成工作目標的機1 。 所以，在明確的定義下進長期可靠測試，從成功機很容研判一種產品是合格的或是失敗的。任何產品，尤其是電子光電產品，在上架前應該要有可靠測試據，這是生產者的責任。 隨著 程技術的進步與品質意的斷提昇，人們對 品可靠之要求也越越高。品故障對時間的關係品故障計算、品可靠的評估方式C 產品可靠測試項目。 缸曲線 這是從早期的故障和恆定故障曲線的據結合正常損耗故障得到的一條合成曲線。 這條曲線用評價產品使用在一定時段過程中的可靠性。 它認為產品壽命失敗應會發生在產品的早期或末期。 而產品壽命在早期與末期之間的失敗比是偏低並且是恆定的。 圖 3缸曲線 20 靠測試是在模擬運送及上板過程中與在各種環境應下產品生命週期，所收集資可換算成 命。其用意在於驗證及消除產品初期的故障問題，並提供產品失敗的比和產品失敗機構的資，進一步預測產品於長期正常使用的條件下，之使用壽命。 可靠測試程： 圖 3靠測試程 21 表 3敏感)等級分表: 表 3境測試條件表: 22 圖 3短測試機台 超音波掃瞄檢測( 超音波顯微鏡(指 簡稱，而 意思即是斷層掃瞄攝影。又稱為 應用於電子產品之超音波頻是指高於 9，可以穿透一定厚的固態與液態物質，以檢測其結構組成之變。目前使用之介質，通常為純水，為最宜與安全之物質。 超音波檢測之基本原係用超音波訊號發射源(稱探頭)並以純水為介質而傳導到待測物體上，經由超音波的回聲反射或穿透等的動作，讓此訊號在機台經過特定軟體處呈現影像。選擇會因為待測物之厚與材質而有同選擇。 電子產品主要使用構脫層(縫(等的檢測之用，瞄常用的模式包括 多項應用。 23 圖 3音波掃描機 溫循環試驗 ( 用以評估半導體封裝抵抗因昇溫、溫、熱漲縮造成之機械應對封裝體可靠之影響。 在產品的生命週期中，可能面各種環境的條件下，使得產品在脆弱的部份顯現出，造成產品的損傷或失效，進而影響到產品的可靠。以每分鐘 515 的溫變，在溫變化上做一的高、低溫循環測試，此試驗並非真正模擬實際情況。其目的在施加應於試件上，加速試件之化因子，使試件在環境因素下可能產生損害系統設備及組件，以決定試件是否正確設計或製造。 常的有： 產品之電性功能 潤劑變質而失去潤作用 喪失機械強，造成破、縫 材質之變質而引起化學作用 溫衝擊試驗( 似 以評估半導體封裝抵抗急驟昇溫、溫、熱漲縮造成之機械應對封裝可靠性之影響。相較於 試因急速升溫，條件為嚴苛。在產品的生命週期中，可能面各種環境的條件下，使得產品在脆弱的部份顯現出，造成產品的損傷或失效，進而影響到產品的可靠。以每分鐘 40 的溫變，在溫急速變化上做極嚴苛條件之高、低溫衝擊測試，此試驗並非真正模擬實際情況。 24 其目的在施加嚴苛應於試件上，加速試件之化因子，使試件在環境因素下可能產生潛在性損害系統設備及組件，以決定試件是否正確設計或製造。 常的有： 產品之電性功能 產品結構毀壞或強低 組件之錫現象 材質之變質而引起化學作用 密封損害 溫與濕試驗( 於評估半導體封裝在穩定態濕氣環境下之可靠。高溫高濕 (85/85%境加速濕氣自膠體或膠體/導線架間介面滲入封裝體內。在自然氣候中，溫( 與濕( 是無法分 的環境條件，而此環境條件往往隨地位置同而出現氣候條件同。 高溫儲存試驗( 於評估半導體封裝於長期高溫儲存之可靠。打線之品質、子污染或敏感之化學成份等均在評估範圍。常之故障包括介屬居過渡成長造成斷或晶片傷造成之短/斷等。 高溫加速應試驗( 於評估半導體封裝在濕氣環境下之可靠，常之故障同 )，但加速較 )快。故障機制相同，所須測試時間可大幅縮短。 對塑性材、孔性 材或成品等而言，各種同材對溫與濕氣有同形態之物反應，溫所產生效應多為 塑性變形或產品過溫(低溫啟動 (等，多孔性材在濕環境下會應毛細孔效應( 出現表面濕氣吸附， 滲入、 凝結等情形，在低濕環境中會因靜電荷積效應誘發產品出現失效。因此同溫濕條件將造成同失效模式，在過去史經驗中溫濕試驗對發現大多之製品 /材潛在缺陷(Po 有助，特別在無鉛製程轉換後之 證具功效 。 除戶外型品必須