BGA CSP发展详述 (zt) [复制链接]

BGA CSP详述


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  科學技術一天天的進步，使得用於日常生活的產品皆有走向輕薄                
短小的趨勢，其中又以3C产品最為明顯。元件體积越來越小、功能、                  
脚數越來越多，使得許多電子元件的封裝方式由傳統形式，如TSOP                  
(Thin Small Outline Package)或PQFP (Plastic Quad Flat Package)改變              
成BGA (Ball Grid Array)，甚至更小的CSP (Chip Scale Package)或                
Wafer Level Package。元件與机板之間的連接方式亦由Leadframe                  
Surface MountTD變成Reflow Solder Ball。使用Solder Ball.B接可使                
产品體积减小，但在使用上之可靠度卻降低了，因此Solder Ball之                  
Reliability便成為一重要的話題。                              
  在BGA   产品漸渐成為主流後，接下來發展的即是CSP、FC(Flip              
Chip)，與傳統的BGA       产品比較起來，CSP的面積减少了一半以上。          
而SOC(Substrate On Chip)屬於CSP中的一種封裝方式如圖1-1，為一                  
裸晶產品，透過Solder Ball机机板連接以傳遞訊號，用於個人電腦                  
(Personal Computer)或筆記型電腦記憶體之封裝。為符合容量上之需                
求，SOC产品有兩種形式：單一晶片(Single Die)及雙晶片(Dual Die)，                
如圖1-2、1-3。後者因有兩個晶片容量為前者之2倍。                      
               
  再完成封膠(Molding)、植球回銲(Reflow)後，即如圖1-2、1-3，
L21 mm、寬8 mm，整體之厚度包含錫球約為1 mm；共有60.w球，
球距(Ball Pitch) 0.8 mm。      
               
               
1-2   CSP (Chip Scale Package)  
  傳統之封裝方式多使用QFP(Quad Flat Package)，但當I/O或腳數
高於225-250之腳後，因QFP之接腳ég距(Lead Pitch)很小，加上本身
平面度(coplanarity)的問題，在要銲至FR-4板時會有定位與焊接的問
题，解決此問題最佳的方法，即是採用BGA 的封裝方式，除較經濟，
其可靠度在高腳數(High Lead Count)时也較高。
  CSP屬於BGA       的一種，一般來說，CSP机傳統的TSOP比起來，
其封裝面積(Foot Print)约可減少70%?80%[1]，其封裝完成後之面積
约為Chip之1.2倍，Ball Pitch多為0.8mm，甚至可至0.5mm。CSP


的的種類相當多，大量使用於通訊、電腦、數位相機等3C電子產品  
中。                          
  一般來說CSP产品依其製造、封裝渐程可分為4類[15][16]：  
  1. Flex Circuit Interposer              

2. Rigid Substrate Interposer  
  JACS-Pak with rigid substrate(Motorola公司)
3. Lead Frame (Lead-on-Chip)  
  LOC-USON (Fujitsu公司)，
  Hitachi Cable LOC  
  LOC (BLP) LG Semicon公司之TSOP
  4. Wafer Level Assembly    
    miniBGA (美國Sandia國家實驗室)
Mitsubishi公司 之CSPShell
Case公司之Peripheral
  而各封裝公司所擁有之各形式CSP，如表1-1[11]。相對於Flip
Chip(FC)机Under Fill的產品來說，雖有些形式之CSP在可靠度與電
訊方面比不上FC，但其與傳統之封裝方式類似，且其成本較低，可
现是過渡產品，以大量使用於一般之消費性電子產品上，也因為其可
靠度的問題，仍有許多研究發展空間。  

          表1-1 各公司所擁有之CSP形式                  
  Package Classification             Companies Involved          
                Fujitsu、General Electric、NEC、Sharp、      
  Flex circuit interposer                              
                    Tessera、TI Japan、Motorola        
Rigid substrate interposerFujitsu、Matsushita、Motorola、Sony、            
                        Toshiba、Kyocera          
                    Fujitsu、Hitachi Cable、Rohm、        
  Custom lead frame                              
                    LG Semicon、Mitsubishi Electric        
                ChipScale、Motorola、NEC、ShellCase、        
  Wafer-level assembly                              
                        Sandia、Mitsubishi          
                                         
                                         
1-3     SOC(Substrate on Chip)封裝渐程                      
  SOC之封裝渐成與一般之封裝渐程類似，但SOC為BGA                   产品，
机TSOP比較，其I/O透過Solder ball机FR-4板連接，需做植球與                  
回銲的動作，其封裝流程包括：                              
                                         
  [1] 贴晶(Wafer Mount)                              
      將6吋或8吋晶圓贴到一已黏在金屬外框上之膠片上，以              
      利晶片切割與黏晶之定位                          
  [2] 晶片切割(Wafer Dicing or Wafer Sawing)                    
      將Wafer上之晶粒切割出來                          
  [3] 黏晶(Die Attaching or Die Bonding)                      
      利用Die bonder將切割完成之晶粒(Die)黏貼至                  
      BT(Bis-maleimide-triazine-type) Substrate                  
  [4] 焊線、打線(Wire Bonding)                          
      以金線連接晶片上之Die pad机Substrate上之Bond pad              
      上，使訊號能由Die傳至BT上，透過BT上之線路重新分              
      配訊號至Ball pad                  

  [5] 封膠(Molding)
      將Substrate以上，至Die及中央下側有打線區域之空間以
      EMC(Epoxy Molding Compound)充填，保護Die及金線
  [6] 後熟化(Post Mold Curing)
      加熱以增加Molding compound熟化之程度，使其穩定
  [7] 植球(Ball Placement)
      在Substrate背面之Ball pad處先塗上些許Flux(有清潔pad
      机助銲之效果)，再利用植球機將錫球放置於Ball pad上，
      并检测植球情況，是否有空球、雙球或偏出Ball Pad.过大
  [8] 回銲(Reflow & Clean)
      利用回銲炉將溫度加熱至235℃左右，使錫球融化，焊接
      於Ball pad上，完成後需清洗之，將多餘之Flux清洗掉
  [9] 印字(Marking)
      以雷射或墨水、貼紙方式，在Package上印上標記
  [10] 剪切(Trimming)
      切割Strip(一條Strip上約有10粒獨立之Package)，將一顆
      顆之Package分別放置於trap±P上
  [11] 检测(Inspection)
      进行產品檢结，如SAT(Scanning Acoustic Tomograph)、
      RVSI(Coplanarity共平面度檢结)等。
  以上即為SOC产品之封裝.^程，其中只有第7、8步驟机一般之
TSOP封裝过程不同，與FC封裝比較起來，雖FC封裝之可靠度與電
性皆優於CSP，但其成本高，技術及設備與傳統有很大之差異，傳統
封裝焊者在已具備TSOP或SOC封裝设備下，在進入CSP之領域時
较容易，故CSP可說是TSOP机FC之橋樑。


1-4 产球問題(Solder Joint Problem)            
  约著許多使用BGA       封裝方式的產品增加，錫球的使用也越來越
多，通常錫球為BGA       结構中最弱的地方，而錫球最常見之破壞大都
由於熱循環使然，其主因為潛變(Creep)机應力鬆弛(Stress    
Relaxation)。                      
  在使用Solder Ball时，因存放溫度(298K)及工作溫度(373K)皆高
於材料溶解溫度(458K)的一半，在此一環境下合金材料會繼àm产生結  
晶，又其中已存在內應力，故其會產生變形，類似回火鬆弛應力，即  
潛變現象(Creep)。                    
  元件在使用時，晶片會發熱，熱量透過Package傳導到錫球，使
产球溫度上升。因Package机机板間之熱膨脹係數不同，當溫度變化  
时，Package會產生翹曲，錫球介於中間，會因應力而變形，當停止  
使用時，溫度降回室溫，造成與使用時相反之應力，使得錫球隨著一  
次次使用而發生塑性永久變形(Plastic Strain)，如同熱疲勞(Thermal
Fatigue)，接著產生裂縫(Crack Initiation)、成長，形成一斷裂面、使
電阻值提高，訊號無法透過产球而傳遞，以至於使元件失效。    
  在做可靠度實驗時，發现最常破壞之位置在於錫球與Package或
机FR-4相接之介面，由於此種破壞無法由外觀.z结出，且其為使產  
品失效之最常見的因素，因此對於BGA             产品之可靠度(Reliability)大
都針對錫球來討論。                    
                                                   

  Motorola亦對PBGA       之Board Level Reliability做了研究。Nagaraj
及Mahalingam [5] 的論文中，提供一結合模擬机實驗之方法，其主
要是利用ABAQUS       .M行Elastic及Inelastic電腦模擬，求出Plastic及
Creep之形變(Strain)，將兩者相加，稱為永久形變(Permanent Strain)，
利用實驗求得錫球材料之Coffin-Manson方程式，與模擬结果結合預
结其使用壽命，並机實際實驗結果比較。  
  在]         的研究中更是透過實驗求得錫球之粘塑變形速率
(Viscoplastic Strain Rate)ùY料，並將之帶入粘塑流體公式(Viscoplastic
Flow Equation)，進行電腦分析模擬，找出對形變影響較大之因子，
利用幾個因子組成一方程式，推出可靠度之數值，並將之與實驗資料
經Weibull Parameters Distribution分析後得到之可靠度做比較。
  Basaran及Chandaroy[7]，以DSC(Disturbed State Concept)建立了
材料性質行為，並以熱力學第二定律為基礎，訂定破壞法則，並模擬
震動對可靠度之影響。        
  Lee, Nguyen, Selvaduray[8]，對預结Reliability之Fatigue Model
做了相當完整之整理，針對不同之封裝方式，提供多種Fatigue
Model，並比較其適合性與準確性。    
即是南茂科技針對CSP之SOC产品進行多種On Board可靠
度實驗，透過”^察錫球之破壞情形求出產品之Reliability壽命，討論
其破壞位置與机制，並提出改善之方法。  
     
  本文主要要探討的是利用電腦分析處理可靠度的問題，對BGA    
产品來說，因在上板後其最易破壞的位置是在錫球與机板(Substrate)    
之間的介面，故針對錫球使用黏塑之材料性質模擬其行為，透過      
ANSYS   分析軟體算出其變形能量，透過疲勞模型將變形能量轉.Q成  
产品使用之循環數，進而推出使用壽命。              
  分析之結果，在2-D的非線性分析部分蠻接近實際情形的，在    
3-D的部分則是線性分析與真實情形較為接近，非線性分析需使用      
Modify Coffin-Manson來預结Y^接近真實情況。            
                             
                       
  整體來說，線性分析分析之結果對於實際之問題，如應變或應力  
之型態、大小或趨勢，已大致能預结出來了。              
  由2D机3D分析結果可發现，因現今封裝型態及結構日益複约，    
机傳統之TSOP比起來，BGA           之封裝因有錫球、Substrate，結構已有
重大轉變，要由2D模型分析出整體之應力、應變情形，無論定性或      
定量之分析結果，皆要相當注意。且現今之電腦配備不論是在處理器    
或是硬碟方面皆進步許多，若要得到較準確的分析，3D的分析會比      
2D分析來的更接近實際情形。                  
  在非線性分析的部分，2-D之結果相當接近實驗所得之值，但3-D  
的部分，為使分析之時ég所短，在錫球部分使用稍大之元素，造成在    
使用能量基礎之疲勞模型預结使用循環數N               f (99%)时，有相當之誤
差，且結果會受Element Size影響；但若使用Modify Coffin-Manson    




之疲勞模型，則.o此問題。整體來說不論2-D或3-D分析皆非常接近                  
實驗值。                                          
          表5-1 實驗及模擬之可靠度比較                      
              模擬值     分析時ég       實際值     .`差    
            (Cycles)       (hr)       (Cycles)     (%)    
  2-D-N   f(99.0%) 592 6(8循環)                 650 8          
  3-D-N   f(99.0%)       451     72(1循環)       650       30    
  3-D-N   (63.5%)       438               401       9    
      f               72(1循環                  
                                           
  建立錫球幾何模型時，所使用之尺寸亦會對結果造成相當之影                  
響，在以0.35mm為直徑之錫球模型所使用之幾何尺寸有經過處理，                  
而在0.5mm為直徑之錫球分析時為大致之幾何尺寸，由與實際循環                    
數結果可發现其有些許差距。                                  
                                           
  另外因本文所分析之產品SOC為一裸晶(Bare Die).O計，由本文                  
分析之結果可發现，如圖3-19~.D3-21，除了要注意與一般BGA                     产
品相同之錫球問題外，此一設計在製造或使用時，晶粒破裂(Die Crack)                  
亦是一重要的問題。要解決此Die Crack問題最簡單的方法即是將Die                  
封起來，使Die 的兩面同時受到應力；另外亦可在Substrate中加一                  
些Dummy，增加Substrate之硬度，減少Package整體變形量。實際                    
上是使用後者之方法，在Substrate中增加Dummy，解決此Die Crack                  
之問題。                                          
  此外在分析時，單位選擇對分析時ég來說也有相當大之影響，以                  
本文的問題來說，其尺寸約在12mm~0.05mm之間，若以MKS                     制來
                    -5                        
分析，在長度方面最小5×10           (M)之值，而在楊氏模數最大是163×          
9                                          
10 (Pa)，兩數值差了14個次方，若使用mm-Kg-S，則在長度分面最                  
        -2             4       2                  
小值為5×10     (mm)，在1.63×10       (Kgf/mm   )，只差了6個次方，但在      



計算時ég上卻差了將近20~30倍，如表5-1，且若使用MKS                     制會有  
.o法收斂之情形，故在使用FEM軟體时，亦要注意單位之選擇。                      
                                           
            表5-2 使用單位對分析之影響                      
使用單位M-Kg-S mm-g-S                                    
                              -3              
幾何尺寸12~0.05×10                         m     12~0.05 mm    
                            5           1     2
最大之材料楊氏係數1.63×10                   MPa     1.63×10   gf/mm  
                            14           3    
楊氏係數與幾何尺寸差距10                   10              
2D之一個循環所需之計算時ég24hr or unconverted1hr                        
                                   
1.   所使用的錫球(solder Ball)之潛變材料參數，是由國外之論文              
    中整理所得，雖产品之材料成分大致相同，但因生產之公司                
    不同，仍有差距，此部分可經由材料試驗，得到潛變之材料                
    參數。                                    
2.   對於封裝材料EMC，現今是視其為線性材料，實際上應為                  
    黏彈(Viscoelastic)，此部分在論文中有出現。且在產品剛完              

  成時，其中就已經有殘留應力(Residue stress)，這兩部分皆
  需考慮.M去。
3.   由分析中可發现，模型之幾何尺寸，如Ball Pad大小、Ball
  Height、Element Size等皆會對結果造成相當之影響，可針
  對此部份進行分析，找出影響大之因子。
4.   现今只完成一種产品之驗證，應多嘗試其他產品，確.J模擬
  對其他產品之準確性，以增加模擬此一途徑之可信度。
5.   當確定模擬可真實預结产品可靠度後，可進一步調整材料參
  數及產品幾何尺寸，對產品做最佳化之設計，及靈敏度分
  析，並透過可靠度確.J使用壽命。
6.   當此一方法之可信度確定後，可撰寫一程式，將分析與可靠
  度結合，使所有設計研發工程師，皆能透過此一程式快速的
  得到可靠度資料。