【毕业学位论文】大尺寸覆晶封装制程中底胶填充材料对翘曲的参数研究

國立高雄大學 電機工程 學系 碩士班 碩士論文 大尺寸 覆晶封裝製程中底膠填充 材料 對翹曲之 參數研究 究生 ：郭邦暐 撰 指導教授 ：施明昌 中華民國 103 年 6 月 謝致謝致謝致謝 兩年多的研究生活 ，首先 誠摯的 感謝指導教授施明昌博士，在施老師的教導與建議之下 ，無論是在論文格式 、內容錯誤修正或是問題描述的技巧方面 ，使我修正了許 多缺點，得以讓論文順利完成並讓內容更為完善 。 另外亦感謝日月光的羅元佐 、陳奕良 、王聰銘與王維志同仁不遺餘力的協助提供專業知識 ，實驗數據與相關文獻，讓本論文得以順利完成 。並感謝歐明鑫副理的體諒與幫忙 ，使我得以 順利完成 碩士 學業 。 最後 ，謹以此文獻給我最摯愛的家人 以及所有關心我的人，感謝你們的支持 ，謝謝你 們。 i 大尺寸 覆晶封裝製程中底膠填充 材料 對翹曲之 參數研究 指導教授 ： 施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系碩士班 學生 ： 郭邦暐 國立高雄大學電機工程學系碩士班 摘要 本論文針對覆晶封裝 製程中 ，大尺寸的產品會有翹曲的現象發生，翹曲的發生 ，主要會影響到植球 、切割已及表面實裝等後段製程的加工性 。翹曲變形的產生從製程加工參數的觀點來看 ，在液態 封模材料的考量上 ，材料硬化條件的設定對翹曲有相當大的影響 ，特別是在材料選擇和使用適當的 參數 、低溫段的升溫速率 、溫度和時間以及在硬化完成 後的降溫率上 ，都有相當程度的影響，如何能夠選擇適當的材料與 參數 ，藉此來改善 大尺寸 產品翹曲對後製程所造成的影響 。 關鍵字 ：覆晶 、底膠 、烘烤段數 、熱膨脹係數 on in is a in of is to in in as up in in of to of be in 錄 中文摘要 .文摘要 .錄 .目錄 .目錄 .一章 緒論 .究背景 .究動機 .究方法 .二章 覆晶封裝製程簡介 .晶封裝流程介紹 .圓切割 (.晶 黏晶粒 （.膠填充 (.熱片 (.球 (.v 第三 章 底膠材料 參數最佳化 分析 .膠材料之介紹 .膠材料熱固性反應分析 .膠填充粒 矽烷耦劑 分析 .膠 填充粒含量之影響 .膠材料黏度分析 .膠材料 玻璃轉移溫度 分析 .膠材料熱膨脹係數與彈性模數分析 .膠流動性質分析 .四章 實驗結果與分析 .業性測試結果 .賴性測試結果 .驗結果驗證 .五章 結論與未來展望 .考文 獻 . 目錄 第一章 圖 膠填充外觀圖 . 晶產品溫度變化與基板變形示意圖 . 膠脫層 (意圖 . 塊崩裂 (意圖 .二章 圖 晶封裝流程圖 . 圓切割圖 . 割原理 . 膠填充 前烘烤 示意圖 . 將清洗 示意圖 . 膠填充製程示意圖 . 膠 烘烤條件 示意圖 . 膠孔洞 (意圖 . 膠 脫層 (意圖 . 塊斷裂 (意圖 . 熱片種類 . 球流程圖 .三章 圖 同 料之 線 示意圖 . 分子材料 種類 . 固性 材料 示意圖 . 固性材料固化反應示意圖 . 分析儀 量測 示意圖 . 膠材料填充粒 示意圖 . 烷耦劑 示意圖 . 烷耦劑 接著強度示意圖 . 充粒粒徑與黏度關係圖 . 膨脹係數 與黏度關係圖 . 濕性 與黏度關係圖 . 度與晶粒尺寸 關係圖 . 氧樹脂 (填充粒含量 關係圖 . 度與溫度關係圖 . 測示意圖 . 測示意圖 . 意圖 . 測公式 . 氏模數 (s 意圖 . 氏模數 與填充粒含量 關係 圖 . 氏模數 與改性劑關係 圖 . 膠對應凸塊密度流動關係圖 . 膠流動時間 (式 . 珠角與溫度關係圖 . 面張力與溫度關係圖 . 充粒大小與底膠流動性關係圖 .四章 圖 A 系列 . D 系列 . H 系列 . A 系列 . A 系列 視圖 . D 系列 . D 系列 視圖 . H 系列 . H 系列 視圖 . A 系列 . A 系列 視圖 . D 系列 . D 系列 視圖 . H 系列 . H 系列 視圖 . . A 系列 . A 系列 視圖 . D 系列 . D 系列 視圖 . H 系列 . H 系列 視圖 . 品形變實驗結果圖 . 品平面度實驗結果圖 .x 表 目錄 第二章 表 熱片材料特性 .四章 表 驗材料表 . 膠材料對照表 . 板翹曲模擬 (照 表 . 驗結果 . 000 實驗結果 . 膠材料 平面度 實驗結果表 . 膠材料實驗結果表 . . . 善晶粒形變實驗結果表 . 第一章第一章第一章第一章 緒論緒論緒論緒論 究背景 底部填充劑 (本是設計給覆晶晶片 (增強其信賴度用的 (如圖 因為矽材料做成的覆晶晶片的熱膨脹係數遠比一般基版 (質低很多 ，因此在熱循環測試(常常會有相對位移產生 ，導致機械疲勞而引起焊點脫落或斷裂的問題 ，後來這項技術被運用到了一些 片以提高其落下 /摔落時的可靠度 1。 底部填充劑的材料通常使用環氧 樹脂 (它利用毛細作用原理把 抹在晶片的邊緣讓其滲透到覆晶晶片或 底部 ，然後加熱予以固化 (因為它能有效提高焊點的機械強度 ，從而提高晶片的使用壽命 。目前大多被運用在一些手持裝置，如手機的電路板設計之中 ，因為手持裝置必須要通過嚴苛的跌落試驗 (滾動試驗 (很多的 點幾乎都無法承受這樣的嚴苛條件 ，尤其是一些 板子1。 2 添加底部填充劑的步驟通常會被安排在電路板組裝完成 ，也就是完成 焊零件 ，並且完全通過電性測試以確定板子的功能沒有問題後才會執行 ，因為執行了 後的晶片就很難再對其進行修理 (重工 (動作1。 底部填充劑添加之後還需要再經過高溫烘烤以加速環氧樹脂的固化時間 ，另外也可以確保晶片底下的充填劑真的固化 ，一般環氧樹脂擺放在室溫下雖然也可以慢慢的固化 ，但需要花費 24 小時以上的時間 ，根據與空氣接觸的時間而有所不同 ，有些環氧樹脂的成份裡面會添加一些金屬元素的添加劑 ，選用的時候必須要留意其液態及固態時的表面阻 抗，否則有機會產生漏電流 (題 1。 圖 膠填充外觀圖 3 究動機 在整個覆晶封裝中 ，是由晶片 (基板 (底膠(錫球 (各類材料的熱膨脹係數(of 稱 不相同 ，當溫度出現變化時 ， 彼此之間的熱膨脹係數會產生不一樣的變化而產生覆晶封裝產品出現變形有剪應力之現象 (如圖 進而破壞整體產品的結構 。 本論文研究動機乃是 針對目前覆晶封裝中較大尺寸的產品會有翹曲 而造成產品出現底膠 脫層 (如圖 及凸塊崩裂 (現象 ，以底膠材料性質如玻璃轉換溫度 (稱 T g)、熱膨脹係數 (of 稱 底膠材料硬化溫度 (及底膠填充容量 (分析架構 ，以其能挑選出最合適的底膠材料與作業參數用以 改善基板翹曲之剪應力造 成產品 破壞的 現象 。 4 圖 晶產品溫度變化與基板變形示意圖 5 圖 膠脫層 (意圖 圖 塊崩裂 (意圖 2 6 究 方法 本論文研究方法 ，是以覆晶封裝業界評估底膠的材料特性與可靠度分析的方式做一些深入的實驗探討 ，從實驗分析的結果比較出何種特性的底膠材料 ，可以改善 因大尺寸產品翹曲 之剪應力 而造成產品 破壞的 異常 現象 。 7 第二章第二章第二章第二章 覆晶封裝製程簡介覆晶封裝製程簡介覆晶封裝製程簡介覆晶封裝製程簡介 晶封裝流程介紹 術是一種將將 段製程加工完成後所提供晶圓(切割分離成一顆顆晶粒 (，並外接信號線以傳遞電路訊號 ，以及做 膠包覆來保護 件的先進封裝技術 ，在封裝的過程中 ，被翻覆過來 ，讓 面的接合點 (基板的接合點相互連接 。由於成本與製程因素 ，使用 合的產品通常可分為兩種形式 ，分別為使用於低 I/O 數 使用於高 I/3。 使用 術有兩大好處 ： 因此對於高速元件的封裝有一定的適用範圍 。 使得晶片封裝前後大小差不多 ，對於追求縮小封裝面積的 件亦有其適用範圍 。 8 覆晶技術搭配排列方正的球柵陣列 (裝製程 ，可以提供較好的電氣特性 ，並且大幅地提高接腳密度 ，降低雜訊的干擾 ，散熱性也較佳 ，還可縮小封裝尺寸 ，藉此符合高階產品和高性能的需求 ，所成為主流的封裝式 。 近年來 ，這種覆晶構裝技術在電腦科技和 3C 產品上運用 得非常多，例如 : 裝 圖晶片等等 ，還有一些高階 件產品 ，皆可大量的看到 。有別於傳統打線技術的封裝 ，覆晶封裝技術流程大致分為 大部份 (如圖 9 圖 晶封裝流程圖 圓切割 (晶圓之主要成份為矽 ，純度越高相對也越硬 ，半導體之晶圓長成，係趨近於單晶結構之矽成分 ，因此相當堅硬 ，且對於矽成分而言硬度越高相對一定越脆 ，因此切割晶圓 ，必然有其一定之困難，目前業界最大量使用之切割方法 ，是使用一圓型之鑽石合成刀具 ，於高速旋轉下 ，將晶圓切開 ，所以與其說是將晶圓切開 ，不如說是將晶圓鋸開 (如圖 根據以上可知晶圓切割之轉速 、進刀速度 、切割方向 、鑽石成分、晶圓結構 、切割深度 、等，都對晶圓切割的品質有一定程度直接的影響 。 因所切產品的特性不同 ( 質 、厚度 、切割道寬度 )，所需要的切割刀規格也就有所不同 ，其中規格就包括了刀刃長度、刀刃寬度 、鑽石顆粒大小 、濃度及 要任何一種規格的不同 ，所切出來的品 質也會有所差異 。(如圖 11 圖 圓切割圖 4 圖 割原理 4 晶黏晶粒 (覆晶技術 ，也稱 倒晶封裝 或倒晶封裝法 ， 是晶片封裝技術的一種 。此一封裝技術主要在於有別於過去晶片封裝的方式 ，以往是將晶片置放於基板 （，再用打線技術 （晶片與基板上之連結點連接 。覆晶封裝技術是將晶片連接點長凸塊 （ 然後將晶片翻轉過來使凸塊與基板（接連結而得其名 5。 術起源於 1960 年代 ，是 發出之技術 ，由於覆晶比其它 裝在與基板或襯底的互連形式要方便的多 ，目前覆晶技術已經被普遍應用在微處理器封裝 ，而且也成為繪圖 、特種應用 、和電腦晶片組等的主流封裝技術 。藉助市場對覆晶技術的推力 ，封裝業者必需提供 8 吋與 12 吋晶圓探針測試 、凸塊增長 、組裝 、至最終測試的完整服務 5。 未來的電子產品持續朝向輕薄短小 、高速 、高腳數等特性 ，以導線架為基礎的傳統封裝型態將漸不適用 ，應用範圍也將局限於低階或低單價的產品 5。 13由於覆晶封裝內部是利用凸塊作為電氣通導路徑 ，分佈範圍整個晶片 ，位於晶片中心附近的凸塊品質檢測則有賴自動化檢測設備以確保凸塊品質 。由於覆晶封裝的高腳數特性 ，單片探針數可達 1,000 上的垂直探針卡將成為測試設備商競逐的潛力市場 。 膠填充 (在覆晶封裝中 ，底膠填充扮演著重要的角色 ，所謂的填膠製程乃是利用毛細現象填膠 (完成基板和晶粒支間的晶隙填膠 (由於其所牽涉的理論層面包含熱力學 、流體力學 、化學和應力學等方面 ，故在填膠前必須先藉由 掃描熱分析儀 )的分析圖來設定正確的工作溫度 ，並利用相關的理論公式來計算底膠流動的時間與精確的點膠量 ，以確實掌握填膠製程 。 而影響 料流動速率的因素包括黏度 、溫度 、表面張力 、膠化時間 、晶片下的間隙高度及流動表面的濕潤性等 。因此 料點膠製程技術的主要關鍵 ，則在於選擇正確的製程參數以增加製程速度及提高 可靠度 。 15封 裝製程為 ： 1. 底膠前烘烤 ，其目的為消除基板濕氣 ，避免基板因為吸濕後於底膠填充烘烤後產生孔洞現象 (如圖 2. 電將清洗 ，其目的為增加基板表面粗糙度與底膠填充 的流動性，讓底膠填充不易產生孔洞現象 (如圖 3. 底膠填充 ，其目的為緩和晶粒 、凸塊與基板間的熱膨脹係數 (異並可增加產品的機械強度 ，保護凸塊不受損 ，底膠填充的原里為 藉由點膠機將底膠以噴射的方式點到晶粒邊 ，利用毛細現象 (膠材流入晶片與基板之間的間隙 ，等到晶片下方充滿膠材 ，然後在晶片四周封上 4. 底膠烘烤 ，其目的為使底膠受熱後材料產生化學鏈結轉化成烘烤後底膠材料的特性 ，其烘烤的條件需根據底膠材料相對應的粘度 (來做烘烤製程 (如圖 至於底膠填充常見的缺點有底膠孔洞 (底膠脫層(凸塊斷裂 (如圖 )所示 。 16圖 膠填充 前烘烤 示意圖 6 圖 將清洗 示意圖 6 17(a)底膠填充 (b)底膠利用毛細現象流動 (c)底膠填充完成圖 圖 膠填充製程示意圖 6 18圖 膠 烘烤條件 示意圖 6 19圖 膠孔洞 (意圖 圖 膠 脫層 (意圖 圖 塊斷裂 (意圖 熱片 (散熱片在電子工程設計的領域中被歸類為 被動性散熱元件 ，以導熱性佳 、質輕 、易加工之金屬 （多為鋁或銅 ，銀則過於昂貴 ，一般不用 ）貼附於發熱表面 ，以複合的熱交換模式來散熱 ，散熱片常用的種類 (如圖 散熱片是最典型的被動性散熱元件 ，也是近年來日益普及與推崇的被動性散熱元件 ，至於主動式散熱元件則有散熱風扇 （用馬達、電力驅動 ）、 水冷 卻循環等 。 為了強化散熱片的散熱效率 ，一般會使用兩種 手段 ，一種是與發熱表面間不採行直接貼附接觸 ，而是在兩接面間追加塗抹 散熱膏 ， 散熱膏能夠加強熱傳導效率 ，勝過兩金屬直接貼觸 ，另一則是增加散熱片的散熱面積 ，增加面積的方式即是將散熱片以溝槽形式的方式設計 ，用溝槽來增加散熱面積 。 21散熱片 的材料指的是散熱金屬的本身 材質 ，最常使用的為 銅（鋁 （ 暫且不論金屬的價格 ，兩種金屬在散熱運用上有著不同的取向特性 。就熱傳導性而言 ，銅的表現勝於鋁 ，銅為390W/則為 209W/明顯銅比鋁多出 熱傳導力，按理而言銅比鋁更適合用於散熱片 。不過 ，熱傳導性並非是散熱金屬的唯一考量選擇 ，在其他方面的表現上銅就不如鋁 。 如前所述 ，銅製的產品 加工性不易 ，如此不僅使製程方式的選擇受限 ，在銅 、鋁皆可用的製程下 ，銅對加工器具的損耗也較大，例如用機械加工法時不僅加工器具會比用鋁來的 更快耗損 ，且加工時間也較長 。此外 ，銅的重量是鋁的三倍 ，而現今 的電子產品 設計都講究短小輕薄 ，銅的重量也成為選用時的一大顧慮 。 話雖如此 ，但並不表示銅全然無法使用 ，事實上應當採行重點式使用或搭配性使用 ，例如散熱片的底 部最 為接近發熱處 ，需要較佳的熱傳導性 ，此部份可採用銅 ，使熱能更快 散熱，而底部之外的部份就可採用較輕 、塑性與加工較易的鋁材來實現 。(如表 22圖 熱片種類 表 熱片材料特性 球 (隨著目前電子產品 的功能日益多元化 ，為了因 應電子產品輕、薄、短、小之需求 ，因此電子構裝技術也朝向高密度化 、薄形封裝等多樣性的趨勢發展 ，在基板構裝層次的發展中 ，由四週邊皆合的引腳插入式接合 (表面黏著技術 (近來發展的球陣列式接合 (程 (如圖 裝技術有著一些特點 ，I/O 導現數雖然增多 ，但導線間距並不小 ，因而提升了組裝良率 ，雖然它的功效增加 ，但 改善它的電熱性能 ，濃度和重量都較 以前的封裝技術有所減少 ，信號傳輸延遲曉 ，使用頻率大大提升 ，可靠性高 ，不過 裝仍存在著佔用基板面積較大的問題 7。 24圖 球流程圖 7 25第三章第三章第三章第三章 底膠底膠底膠底膠 材料材料材料材料 理論分析理論分析理論分析理論分析 膠材料之介紹 底部封膠材料 (要是由環氧樹脂及二氧化矽粉體兩種成份所 組成 ，其中環氧樹脂提供晶片以及有基機板黏著力 ，包含有硬化劑 、樹脂 、促進劑 、著色劑及其他添加劑等 ，其晶片 、金線 、基板 、錫鉛及鋁電極等之密著性 、耐熱性 、電氣特性 、流動性 、烘烤溫度 、硬化收縮及封裝性需求 ，都是 決定樹脂的組成 ；二氧化矽 的主要功能為改善熱膨脹係數 (，使得膠材性質更為接近錫球 ，並維持構裝元件之剛性，降低吸水之功能 。 二氧化矽在功能需求上有 下列幾種特性必須被考量 ：包括粒徑分佈而言 ，選擇較廣之粉體粒徑分佈 ，可以提升粉體填充率 ，使得材料粘度和流動性較佳 ，在粒子形狀方面 ，由於球形粉體具有高流動性及低比表面積的特性 ，因此在要求高流動性的液狀封膠材料上 ，幾乎全部使用球形粉體 ，因為底部封膠技術是提供產品可靠度的標準之一 ，故填充的完整性及底部封 膠材料的性質都會影響產品的品質 。 26底膠材料 與一般結構常用的金屬材料有很大的不同 ，在選用底膠材料時 ，目前業界較 重視的物理特性為玻璃轉化溫度 (T g)、熱膨脹係數 (、楊式模數 (s 當底膠材料熱固化 (，溫度低於玻璃轉化溫度 (T g)時，呈現玻璃態 ，此時楊式模數 (單位級約在 1091010 ，但當溫度超過玻璃轉化溫度 (T g)後，會因為高分子鏈獲得較大的能量，產生移動變化 ，因此熱膨脹係數 (變大 ，且因為鏈結之間彼此約 束的力量變小 ，所以楊式模數 (會隨之降低數個單位級 (如圖 而玻璃轉化溫度 (身並非是一個明確的溫度 ，因為底膠材料(生黏彈轉變時 ，並非是在特定溫度 ，而是在一個溫度區間 ，不同的 玻璃轉化溫度 (固定的溫度下會產生不同的楊式模數 (如圖 常用量測玻璃轉化溫度 (方法有熱示差掃描儀 、熱機械分析法 動機械分析法 。 27圖 同 料之 線 示意圖 8 膠材料熱固性反應分析 底膠材料為高分子材料 ，根據分子結構與交 (情況 , 可將高分子材料 (大致分為熱塑性(及熱固性 (兩大類 (而底膠材料屬於熱固性材料 ，熱固性材料 其特性 為熱固性材料高分子鏈之間存在永久性的化學交 ，這是不可逆過程(因此 ，熱固性材料在第一次製程後不會再隨加熱而軟化 ，即使高溫下也不會但會發生裂解 ，透過交劑(的作用產生緊密強勁的三維空間網狀結構 ，所以， 熱固性材料具較佳的高溫與抗化學性質 ，常見的有 : 環氧樹脂(酚系樹脂 (胺系樹脂 ( ( 29圖 分子材料 種類 9 圖 固性 材料 示意圖 9 30熱固性材料發生化學交的過程稱為固化 反應 (會伴隨發生數種主要現象 : 自放熱反應 (、膠化反應 (、黏度 (升高固化體積收縮 (如圖 固化反應的程度稱為轉化率 ( of 用來描述材料的放熱行為與變化程度 ，放熱程使用 熱分析儀進行量測 。 (如圖 示 ，樣本材料置於右側 ，左方則是空盤 ，逐漸加熱過程中 , 材料會自放熱 ，此時 ，系統會記錄施於空盤的熱量 。 熱固性材料於固化反應期間會持續釋出熱量 ，一方面建立緊密強勁的三維空間網狀結構 ，一方面會造成體積收縮的結果 ，以底膠 列 為例 ，150C 完全固化的體積收縮量約為 左右 ，這樣的體積收縮現象 ，雖會產生應力 (，有可能會殘留在封裝結構中造成影響 ; 不過 ，目前絕大部份的研究發現無直接證據，量測固化體積收縮最常使用的儀器是 : 熱分析儀 。 31圖 固性材料固化反應示意圖 9 圖 分析儀 量測 示意圖 9 32熱固性材料之無機填充粒 (如圖 常為矽石 (石英 (粉末 。在某些特殊應用中 ，碳酸鈣 (矽酸鈣 (石 (雲母石(等亦曾被做為無機填充粒 。 這些粒子的功能為強化構裝基地 (降低熱膨脹係數 、提升熱傳導與抗熱震波的能力 。所用的無機填充粒粉末必須經過純化處理 ，以免其中殘餘微量放射性元素所產生的 粒子射造成記憶體等元件運作之錯誤 ，添加量有其上限 ，高添加量雖然可以降低熱應力的產生 ，卻會使得封裝材料的剛性與水滲透性相對地提高 ，對構裝體的可靠度並無助益 ，以底膠 列 為例 , 填充粒含量約為 55% 左右 。 33圖 膠材料填充粒 示意圖 9 膠填充粒 矽烷耦劑 分析 矽烷耦劑 (常用來進行填充粒的表面處理 ，是一種分子中含有二種不同化學性質基團的有機矽化合物，在分子的兩端分別為親有機基團 及親無機基團 ，使得有機物和無機物能透過矽烷耦劑而相結合