環氧成型模料對構裝後晶片可靠度的影響 - 高雄應用科技大學

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 七 卷 第 四 期民 國 九 十 九 年 十 月 第 532~545 頁環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響林 益 生1 、 許 蓁 容1 、 何 宗 漢1 、 伍 玉 真2 、 鄧 希 哲1國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系2台 灣 典 範 半 導 體 股 份 有 公 司E-mail: thho@cc.kuas.edu.tw2摘 要本 研 究 主 要 是 選 擇 適 合 的 環 氧 成 型 模 料 (Epoxy Molding Compound; EMC), 進 行 搭 配 並 構 裝 SOP8(150mil)半 導 體 元 件 , 以 期 望 提 升 半 導 體 元 件 的 可 靠 度 。 三 種 不 同 環 氧 樹 脂 的 EMC, 以 SEM 觀 察 硬 化 EMC 的 微 觀 結構 。 最 後 再 將 三 種 綠 色 環 保 材 料 之 銀 膠 及 三 種 EMC, 用 來 構 裝 SOP8(150mil) 晶 片 , 構 裝 後 的 半 導 體 元 件 進 行吸 濕 及 去 濕 能 力 、 迴 焊 試 驗 及 可 靠 度 測 試 , 藉 以 找 尋 最 佳 的 EMC。 實 驗 結 果 顯 示 :MAR 系 列 之 環 氧 樹 脂 及Glue-A 銀 膠 構 裝 之 SOP8-A 樣 品 其 抗 濕 性 及 去 濕 性 較 佳 , 同 時 也 通 過 可 靠 性 Precondition LevelIII(30℃/60%/192hrs)。 在 環 境 測 試 中 , 發 現 SOP8-A 經 環 境 測 試 TCT 1000cycles 無 發 現 任 何 脫 層 。SOP8-A 構裝 在 不 同 迴 焊 升 温 斜 率 試 驗 , 實 驗 結 果 顯 示 迴 焊 温 度 昇 温 斜 率 愈 高 則 構 裝 內 所 含 濕 氣 因 受 熱 膨 脹 體 積 變 大 而導 致 脫 層 數 量 愈 多 。關 鍵 詞 : 半 導 體 構 裝 、 環 氧 成 型 模 料 (EMC)、 銀 膠 、 可 靠 度 測 試1. 前 言IC 是 積 體 電 路 (Integrated Circuit) 的 簡 稱 , 在 一 片 小 小 的 矽 晶 片 上 , 可 能 有 數 百 萬 個 電 路 元 件 [1]。IC 構裝 是 從 半 導 體 積 體 電 路 製 作 完 成 後 , 到 與 其 它 的 電 子 元 件 共 同 組 裝 於 一 個 聯 線 結 構 之 中 , 成 為 一 電 子 產 品 ,以 達 成 一 特 定 設 計 功 能 的 所 有 製 程 [2]。 一 般 而 言 ,IC 構 裝 主 要 有 四 大 功 能 [3]:1. 電 源 分 佈 :IC 要 動 作 , 需 有 外 來 的 電 源 來 驅 動 , 外 來 的 電 源 經 過 構 裝 層 內 的 重 新 分 佈 , 可 穩 定 地 驅 動 IC,使 IC 正 常 運 作 。2. 信 號 分 佈 :IC 所 產 生 的 訊 號 , 或 由 外 界 輸 入 IC 的 訊 號 , 均 需 透 過 構 裝 層 線 路 的 傳 送 以 送 達 正 確 的 位 置 。3. 散 熱 功 能 : 藉 由 構 裝 的 熱 傳 設 計 , 可 將 IC 的 發 熱 排 出 , 使 IC 在 可 工 作 溫 度 下 ( 通 常 小 於 85℃) 正 常 運 作 。4. 保 護 功 能 : 構 裝 可 將 IC 密 封 , 隔 絕 外 界 汙 染 及 外 力 破 壞 。封 裝 的 目 的 是 在 提 供 IC 晶 片 與 電 子 系 統 間 訊 號 傳 遞 的 介 面 及 保 護 IC, 因 此 封 裝 之 技 術 的 發 展 除 受 到 IC技 術 發 展 影 響 外 , 還 受 到 電 子 產 品 與 電 子 系 統 本 身 功 能 限 制 之 要 求 , 不 同 產 品 需 要 不 同 之 封 裝 技 術 規 格 。IC封 裝 主 要 製 程 步 驟 如 圖 1-1 所 示 [4-5], 主 要 製 程 包 含 : 晶 背 研 磨 (Wafer Back Grinding), 晶 圓 切 割 (Wafer Saw),晶 粒 黏 著 (Die Attach), 銲 線 (Wire Bonding), 封 膠 (Molding), 去 膠 、 去 緯 (Dejunk&Trim), 電 鍍 (SolderPlating), 腳 成 形 (Forming&Singulation) 等 。©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 533Wafer GrindingWafer SawDie AttachWire BodingMolding Dejunk&Trim Solder Plating Forming&Singul圖 1-1 封 裝 製 程 流 程半 導 體 封 裝 材 料 的 主 要 功 能 , 在 於 避 免 晶 片 和 連 接 訊 號 之 金 線 受 到 物 理 的 、 化 學 的 損 壞 ( 溫 度 、 濕 度 、應 力 等 ), 以 達 到 封 裝 和 保 護 目 的 。 隨 著 IC 高 性 能 化 的 發 展 , 各 種 產 品 結 構 日 益 複 雜 且 更 精 密 , 半 導 體 封 裝技 術 也 朝 向 高 密 度 化 、 薄 型 封 裝 等 多 樣 性 的 趨 勢 發 展 , 因 此 對 於 封 裝 材 料 的 要 求 不 再 是 保 護 晶 片 與 金 線 的 要求 , 提 高 封 裝 產 品 性 能 與 可 靠 度 更 是 對 封 裝 材 料 的 特 性 要 求 [6]。半 導 體 封 裝 的 方 法 分 為 陶 瓷 和 樹 脂 。 陶 瓷 封 裝 具 有 防 潮 性 佳 、 壽 命 長 , 但 成 本 費 用 高 ; 樹 脂 封 裝 , 它 具有 成 本 低 、 產 量 大 且 性 能 符 合 市 場 需 求 , 故 目 前 是 以 樹 脂 封 裝 為 主 。 一 般 樹 脂 封 裝 用 之 高 分 子 材 料 有 環 氧 樹脂 (Epoxy)、 聚 醯 亞 胺 (Polyimide,PI)、 酚 醛 樹 脂 (Phenolics)、 矽 樹 脂 (Silicones) 等 [7]。 這 四 種 材 料 中 ,除 散 熱 量 大 的 動 力 元 件 必 須 用 成 本 較 高 的 矽 樹 脂 外 , 大 部 分 都 採 用 環 氧 樹 脂 。 使 用 在 封 裝 膠 餅 中 的 環 氧 樹 脂有 雙 酚 A 系 (Bisphenol-A)、Novolacepoxy、 環 狀 脂 肪 族 環 氧 樹 脂 (Cyclicaliphatic)、 環 氧 化 丁 二 烯 等 。[8] 目前 使 用 的 半 導 體 封 裝 材 料 以 磷 甲 酚 醛 的 多 環 性 環 氧 樹 脂 (ο-Creso-Novolac Epoxy Resin;CNE) 為 主 , 其 主 要具 有 下 列 特 性 : 優 良 的 電 氣 性 質 、 形 狀 安 定 ( 固 化 低 收 縮 率 , 且 無 揮 發 性 副 產 物 )、 吸 水 性 不 大 、 耐 高 溫 (Tg>150℃) 及 耐 溶 劑 、 酸 、 鹼 等 化 學 品 , 對 金 屬 與 矽 晶 片 有 極 佳 的 黏 著 性 且 價 格 不 高 [9-10]。半 導 體 封 裝 材 料 的 代 表 性 配 方 :Table 1-1 是 環 氧 樹 脂 封 裝 材 料 的 代 表 性 配 方 組 成 , 其 中 環 氧 樹 脂 約 佔5~12%, 硬 化 劑 (Hardener) 為 酚 醛 樹 脂 約 佔 1~7%; 剩 餘 60%~90% 幾 乎 都 是 無 機 填 充 劑 的 二 氧 化 矽 (SiO 2 ) 如 圖1-2, 由 於 RoHS 法 規 規 定 不 填 加 含 有 溴 化 環 氧 樹 脂 和 Sb 2 O 3 化 學 物 質 ; 偶 合 劑 (Coupling agent) 以 矽 烷 (Silane)系 列 為 主 , 其 作 增 加 封 裝 材 料 和 填 充 劑 、 導 線 架 、 晶 片 之 黏 著 性 以 避 免 脫 層 (Delamination); 而 脫 模 劑 是 改 善成 形 時 候 的 作 業 性 。 硬 化 促 進 劑 對 環 氧 樹 脂 的 硬 化 速 率 及 硬 化 物 的 物 性 有 重 大 影 響 , 一 般 使 用 有 機 磷 化 合 物或 咪 唑 (Imidazole) 化 合 物 。 碳 黑 的 使 用 以 提 高 遮 光 效 果 及 防 止 電 磁 波 之 干 擾 。Table 1-1 環 氧 樹 脂 封 裝 材 料 代 表 性 配 方基 本 材 料 內 容 物 Wieght %環 氧 樹 脂 (Epoxy) ο-Creso-Novolac 5~10硬 化 劑 (Hardener) Phenol 5~10阻 燃 劑 (Flame Retardant) Br 樹 脂 ,Sb 2 O 3

534林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲圖 1-2 封 裝 材 料 無 機 填 充 劑 二 氧 化 矽 (SiO 2 ) 形 狀可 靠 度 測 試 邏 輯 最 初 建 立 在 溫 度 是 影 響 電 子 元 件 失 效 最 主 要 的 環 境 因 素 的 觀 念 上 , 將 電 子 元 件 置 放 於 高溫 環 境 中 即 可 加 速 劣 化 機 制 的 反 應 速 率 , 縮 短 平 均 使 用 壽 命 [11]。 可 靠 度 意 指 構 裝 元 件 在 功 能 運 作 一 段 時 間 期間 內 , 造 成 元 件 功 能 喪 失 (Function Fail) 的 數 量 [12]。 構 裝 元 件 是 由 各 種 不 同 材 料 組 成 , 各 種 材 料 熱 膨 脹 係數 不 同 , 溫 度 和 濕 度 對 構 裝 元 件 是 很 重 要 的 問 題 , 因 濕 氣 對 於 電 子 元 件 經 過 紅 外 線 迴 焊 爐 加 熱 , 現 今 可 靠 度方 面 其 熔 點 由 原 240℃ 提 高 至 260℃ 之 工 作 溫 度 而 急 速 膨 脹 , 而 導 致 電 子 零 件 內 濕 氣 由 於 瞬 間 高 溫 造 成 其 內 部應 力 大 於 結 合 力 時 , 因 產 生 爆 米 花 現 象 。 迴 焊 過 程 中 因 如 收 縮 、 熱 應 力 和 水 氣 等 [13] 而 造 成 封 裝 材 料 與 矽 晶 片之 間 產 生 膨 脹 脫 層 [14]、 裂 痕 或 爆 米 花 等 [15], 進 而 影 響 構 裝 體 的 的 效 用 及 壽 命 , 因 此 有 些 研 究 報 導 對 其 構 裝元 件 的 溫 度 及 吸 濕 問 題 進 行 模 擬 與 實 驗 分 析 。半 導 體 元 件 之 壽 命 可 以 傳 統 之 浴 缸 曲 線 (Bathtub Curve) 代 表 , 如 圖 1-2 表 示 , 半 導 體 元 件 之 生 命 週 期 可概 分 為 早 夭 期 (Infaut Mortality Region)、 正 常 期 (Useful Life Region) 及 損 耗 期 ( 或 老 化 期 )(Wearout Region)。早 夭 期 , 初 期 產 品 故 障 源 自 生 產 缺 陷 , 初 始 故 障 率 開 始 使 用 數 十 小 時 內 急 數 下 降 。 接 著 到 達 正 常 期 ( 一 般 48~10 6小 時 ), 故 障 率 及 低 且 相 當 穩 定 , 故 障 發 生 為 隨 機 性 質 。 最 後 元 件 使 用 進 入 損 耗 期 ( 老 化 期 ), 元 件 因 使 用 磨耗 至 接 近 元 件 自 然 壽 命 程 度 , 故 障 率 開 始 升 高 , 於 此 一 時 期 故 障 發 生 無 法 避 免 [16]。圖 1-3 可 靠 浴 缸 曲 線 (Bathtub Curve)

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 5352. 實 驗 部 分2.1 材 料(1) 封 膠 (Epoxy Molding Compound)EMC-A: 封 模 材 料 之 樹 脂 為 MAR 及 填 充 劑 含 量 87%EMC-B: 封 模 材 料 之 樹 脂 為 Biphenyl 及 填 充 劑 含 量 89.5%EMC-C: 封 模 材 料 之 樹 脂 為 OCN 及 填 充 劑 含 量 88.5%以 上 三 種 封 裝 樹 脂 材 料 性 質 如 Table 2-1 及 化 學 結 構 如 圖 2-1~2-3。Table 2-1 三 種 環 保 膠 餅 (Green compound) 材 料 性 質封 模 材 料 EMC-A EMC-B EMC-C樹 脂 Multi-Aromatic MAR Biphenyl Cresol Novolac OCN填 充 劑 (wt%) 87 89.5 88玻 璃 轉 化 温 度 (℃) 110 115 110熱 膨脹 係數α 1 (ppm/℃) 15 7 8α 2 (ppm/℃) 55 30 37OR 1OHCOR 2On圖 2-1 EMC-A(MAR) 化 學 結 構H 3 CCH 3OOH 3 CCH 3OO圖 2-2EMC-B(Biphenyl) 化 學 結 構

536林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲OOOH 3 COH 3 COH 3 COH 2CH 2Cn圖 2-3 EMC-C(OCN) 化 學 結 構(2) 晶 片 (Chip)(3) 導 線 架 (Lead Frame)構 裝 SOP8(150mil) 材 料 如 Table 2-2Table 2-2 Package SOP8(150mil) 構 裝 材 料Item PackageLead Frame/Die sizedie pad(mm)(mm)Glue EMCA Glue-A EMC-AB SOP8 2.4mmx3.3mm 1.45x1.67mm Glue-B EMC-BC (150mil)Glue-C EMC-B

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 5372.2 實 驗 流 程2.2.1 實 驗 流 程 ( 一 ):EMCDSCCuringSEM圖 2-4 構 裝 材 料 性 質 鑑 定2.2.2 實 驗 流 程 ( 二 ):PackageDe-sorptionAbsorptionReliability TestIR ReflowLevel I Level II Level III SAT Check SAT Check圖 2-5 吸 濕 、 去 濕 、 可 靠 度 流 程 及 迴 焊 試 驗

538林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲2.2.3 可 靠 度 實 驗 流 程 (Reliability test flow):Reliability TestVisual CheckSAT Inspection〈I〉TCT -65℃~+150 ℃/5cycleBaking 125℃/24hrsLevel III 30 ℃/60%/192hrsIR260℃*3timesSAT Inspection〈II〉Cross-SectionF/TSEMTCTTSTPCTHTSLHAST-65℃~+150℃-65℃~+150℃121℃150℃130℃1000cycle200cycle/100%R.H.1000hrs/85%R.H.Cross-SectionSAT Inspection〈III〉SEM圖 2-6 可 靠 度 流 程

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 5392.3 實 驗 步 驟2.3.1 封 裝 樹 脂 性 質 測 試SEM 結 構 觀 察 : 先 將 三 種 封 裝 樹 脂 (EMC) 在 室 温 回 温 24 hours, 再 將 EMC 放 置 烤 箱 由 室 温 升 至 175℃ 烘 烤 5hours、 試 片 灌 模 封 膠 後 固 化 , 再 進 行 切 割 、 研 磨 、 抛 光 完 成 後 以 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 檢 視 EMC之 SiO 2 結 構 。2.3.2 構 裝 產 品 可 靠 性 之 鑑 定( 一 ) 吸 濕 及 去 濕 之 測 試Table2-3 為 吸 濕 之 條 件 , 分 別 為 Level I(85 o C/85%)、Level II(85 o C/60%) 及 Level III(30 o C/60%) 等 級 不 同 溫度 、 濕 度 及 時 間 500 小 時 , 依 照 IPO/JEDEC J-STD-020D 為 依 據 :1. 吸 濕 率 :將 三 種 封 膠 後 產 品 SOP8(150mil) 各 取 10pcs, 按 照 以 下 步 驟 :a. 先 行 做 烘 烤 (125 o C/24hours)b. 稱 重 (W 0 )c. 置 入 吸 濕 槽 中 、 依 照 以 下 時 間 0/2/4/8/16/24/48/72/96/120/144/168/192/300/400/500 小 時 測 其 重 量 (W t ),再 以 下 公 式 求 得 吸 濕 率 :吸 濕 率 =[(W t )-(W 0 )/(W 0 )] x 100 % (2.1)W t : 產 品 吸 濕 t 時 間 的 重 量W 0 : 產 品 烘 烤 時 的 重 量Table 2-3 吸 濕 之 條 件Level Temperature ( o C) Humidity (%) Time (Hour)I 85 85 500II 85 60 500III 30 60 5002. 去 濕 率 :將 Table 2-3 吸 濕 三 個 Level 之 等 級 不 同 條 件 之 樣 品 置 入 烤 箱 中 進 行 烘 烤 125 ℃、 依 照 以 下 時 間 0 / 2 / 4 / 8/ 16 / 24 小 時 測 其 重 量 。( 二 ) 可 靠 度 試 驗將 這 三 種 EMC 之 環 保 材 料 封 裝 成 Package SOP8(150mil) 進 行 可 靠 度 試 驗 (Reliability test), 可 靠 度 試 驗 先進 行 環 境 壽 命 試 驗 前 處 理 然 後 再 進 行 環 境 壽 命 試 驗 。加 速 老 化 試 驗 ( 環 境 壽 命 試 驗 前 處 理 ):1. 將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 以 40 倍 顯 微 鏡 檢 查 外 觀 , 須 無 任 何 損 傷 。2. 將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 使 用 超 音 波 探 傷 儀 (Scanning Acoustic Tomography,SAT), 依 sample 特 性 選用 75MHz 探 頭 檢 測 Compound 與 chip、inner lead and die pad 各 界 面 間 有 無 脫 層 現 象 。3. 取 不 鏽 鋼 鐵 盤 置 具 將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 平 均 分 散 擺 放 其 上 , 將 其 放 入 温 度 循 環 試 驗 (TCT) 機 台 中 , 試驗 條 件 低 温 -65 ℃ /15min ~ 高 温 +150 ℃ /15min,-65℃ 停 留 10 分 鐘 在 5 分 鐘 內 升 温 到 150℃, 在 150℃ 停 留10 分 鐘 在 5 分 鐘 內 降 温 到 -65℃, 每 cycle 需 要 30 分 鐘 , 如 此 這 樣 循 環 5cycles。

540林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲4. 將 上 一 個 步 驟 完 成 樣 品 取 出 , 放 入 烤 箱 中 , 烘 烤 試 驗 條 件 125+5/-0℃、24hrs。5. 將 上 一 個 步 驟 完 成 樣 品 取 出 放 入 吸 濕 槽 中 , 依 照 國 際 規 範 Level III 測 試 條 件 設 定 溫 度 30℃、 溼 度 60%、192hrs 進 行 實 驗 , 時 間 到 取 出 將 其 置 放 在 室 溫 下 15 分 鐘 後 、4 小 時 內 進 行 下 一 步 驟 。6. 參 照 國 際 規 範 JESD22-A113-F 設 定 IR 條 件 for 260 ℃ +2/ -0℃, 將 承 載 樣 品 不 鏽 鋼 置 具 放 於 紅 外 線 迴 焊 爐機 台 內 , 執 行 IR260℃ 三 次 。7. 將 上 一 個 步 驟 完 成 , 使 用 超 音 波 探 傷 儀 SAT 依 樣 品 特 性 選 用 75MHz Transducer 再 次 檢 測 Compound 與chip、inner leadand die pad 各 界 面 間 有 無 脫 層 現 象 , 並 執 行 Cross-section 及 SEM 觀 察 其 變 化 。 將 完 成加 速 老 化 實 驗 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 , 分 組 執 行 環 境 壽 命 試 驗 温 度 循 環 試 驗 (TCT)、 冷 熱 衝 擊 試 驗(TST)、 壓 力 鍋 試 驗 (PCT)、 高 温 儲 存 壽 命 測 試 (HTSL)、 高 加 速 應 力 試 驗 (HAST)。將 完 成 加 速 老 化 實 驗 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 , 分 組 執 行 環 境 壽 命 試 驗 温 度 循 環 試 驗 (TCT)、 冷 熱 衝 擊試 驗 (TST)、 壓 力 鍋 試 驗 (PCT)、 高 温 儲 存 壽 命 測 試 (HTSL)、 高 加 速 應 力 試 驗 (HAST)。( 三 ) 環 境 壽 命 試 驗1. 溫 度 循 環 試 驗 (Temperature Cycling Tester, TCT)(Air to Air)將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 置 於 溫 度 循 環 試 驗 機 內 , 以 低 溫 、 高 溫 空 氣 對 流 方 式 之 循 環 進 行 試 驗 。設 定 條 件 為 低 溫 -65 ℃ /15min ~ 高 溫 +150 ℃ /15min、-65℃ 停 留 10 分 鐘 在 5 分 鐘 內 升 温 到 150℃, 在 150℃ 停留 10 分 鐘 在 5 分 鐘 內 降 温 到 -65℃, 每 cycle 需 要 30 分 鐘 , 完 成 1000cycle 用 SAT 檢 查 。2. 冷 熱 衝 擊 試 驗 (Thermal Cycling Tester, TST) (Liquid to Liquid)將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 置 於 溫 度 循 環 試 驗 機 內 , 以 低 溫 、 高 溫 液 體 傳 導 方 式 之 循 環 進 行 試 驗 。設 定 條 件 為 低 溫 -65 ℃ /5min ~ 高 溫 +150 ℃ /5min、 每 cycle 需 要 10 分 鐘 , 完 成 200cycle 用 SAT 檢 查 。3. 壓 力 鍋 試 驗 ( Pressure Cook Test, PCT)將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 置 於 壓 力 鍋 試 驗 機 內 , 以 高 溫 、 定 壓 方 式 進 行 試 驗 。 設 定 條 件 為 溫 度121+/-1℃、 溼 度 100%、2atm、168 小 時 , 完 成 PCT 168 小 時 用 SAT 檢 查 並 執 行 Cross-section 及 SEM 觀察 其 變 化 。4. 高 温 儲 存 壽 命 測 試 (High Temperature Storage Life, HTSL)將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 置 於 高 溫 儲 存 試 驗 機 內 進 行 高 溫 儲 存 試 驗 。 設 定 條 件 為 溫 度 150℃、1000小 時 , 完 成 1000 小 時 用 SAT 檢 查 。5. 高 加 速 應 力 試 驗 (High Accelerated Stress Tester, HAST)將 三 種 封 膠 SOP8(150mil) 樣 品 置 於 高 温 高 濕 試 驗 機 內 進 行 吸 濕 試 驗 。 設 定 條 件 為 溫 度 130℃、 溼 度85%、96 小 時 , 完 成 96 小 時 用 SAT 檢 查 。( 四 ) 構 裝 產 品 迴 焊 升 温 斜 率 試 驗 之 SAT 檢 測由 可 靠 度 試 驗 之 SAT 結 果 脫 層 最 輕 微 樣 品 , 將 樣 品 依 JEDEC J-STD 020D 規 範 進 行 precondition LevelIII(30 ℃ /60%/192 小 時 ) 後 , 再 依 如 Table 2-4 迴 焊 升 温 斜 率 0.5~1.0 ℃ /sec、1.0~1.5 ℃ /sec、1.5~2.0 ℃ /sec 及2.0~2.5 ℃ /sec 四 種 不 同 迴 焊 升 温 斜 率 作 實 驗 , 將 這 四 種 不 同 迴 焊 升 温 斜 率 實 驗 樣 品 再 進 行 SAT 檢 測 。

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 541Table 2-4 迴 焊 升 温 斜 率Type 升 溫 斜 率 ( ℃ /Sec)0.5~1.0SOP8-A1.0~1.51.5~2.02.0~2.53. 結 果 與 討 論3.1 環 保 材 料 性 質 鑑 定封 裝 樹 脂 SEM 結 構 觀 察將 三 種 EMC 先 烘 烤 再 進 行 切 片 、 研 磨 及 拋 光 , 然 後 使 用 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 觀 察 , 如 圖 3-1~3-3, 三 種 EMC之 SiO 2 主 要 形 狀 為 圓 球 形 (Spherical), 形 狀 為 圓 球 形 流 動 性 佳 但 強 度 較 弱 , 且 大 小 粒 徑 不 均 一 能 使 充 填 密 度增 大 進 而 降 低 CTE, 但 不 規 則 形 狀 則 強 度 高 但 流 動 性 差 。圖 3-1 SEM photo of EMC-A SiO 2 形 狀 為 圓 球 形圖 3-2 SEM photo of EMC-B SiO 2 形 狀 為 圓 球 形圖 3-3 SEM photo EMC-C SiO 2 形 狀 為 圓 球 形

542林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲3.2 構 裝 產 品 可 靠 性 之 鑑 定3.2.1 吸 濕 性 試 驗IC 元 件 失 效 之 原 因 與 內 部 濕 氣 有 極 大 關 係 , 所 以 將 這 些 SOP8 樣 品 放 置 在 這 三 種 吸 濕 槽 吸 濕 , 條 件 分 別為 85 o C/85%/500 小 時 、85 o C/60%/500 小 時 及 30 o C/60%/500 小 時 , 圖 3-4~3-6 之 吸 濕 結 果 以 MAR 系 列 之 環 氧樹 脂 SOP8-A 具 有 較 低 吸 濕 性 ,OCN 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-C 具 有 較 高 吸 濕 性 。圖 3-4 85 o C/85% 吸 濕 曲 線圖 3-5 85 o C/60% 吸 濕 曲 線圖 3-6 30 o C/60% 吸 濕 曲 線

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 5433.2.2 去 濕 試 驗IC 元 件 吸 濕 後 容 易 發 生 失 效 , 為 了 防 治 元 件 壽 命 的 減 少 將 這 些 吸 濕 三 種 條 件 SOP8 樣 品 進 行 烘 烤 , 去 濕條 件 125 ℃ /24hrs, 由 圖 3-7~3-9 去 濕 結 果 所 示 前 4hrs 水 氣 去 濕 效 果 最 佳 , 烘 烤 24hrs 可 以 將 大 部 份 水 除 去 除 ,以 MAR 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-A 具 有 較 佳 去 濕 性 。圖 3-7 85 o C/85% 去 濕 曲 線圖 3-8 85 o C/60% 去 濕 曲 線圖 3-9 30 o C/60% 去 濕 曲 線

544林 益 生 、 許 蓁 容 、 何 宗 漢 、 伍 玉 真 、 鄧 希 哲3.2.3 可 靠 度 試 驗 (Reliability Test)由 可 靠 度 SOP8 SAT result,MAR 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-A 可 靠 度 佳 它 是 pass precondition level III, 如 Table3-1 因 具 有 較 佳 黏 著 性 , 從 吸 濕 實 驗 數 據 得 知 MAR 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-A 具 有 較 低 吸 濕 量 是 來 自 於 有 較 低的 填 充 劑 含 量 而 產 生 較 高 CTE 產 品 有 較 柔 曲 彈 性 的 性 質 , 使 Reliability test 中 以 不 致 與 晶 舟 (die pad) 的 CTE差 異 太 大 ; 主 要 是 高 結 合 力 、 低 內 應 力 及 耐 高 温 特 性 。 但 發 現 在 耐 沖 擊 實 驗 有 些 樣 品 有 晶 舟 脫 層 (die paddelamination), 將 這 些 晶 舟 脫 層 樣 品 cross-section 發 現 銀 膠 厚 度 約 4.5μm 左 右 , 低 於 廠 內 設 定 之 規 格 15~50μm而 導 致 此 die pad delamination 之 主 因 。 其 它 Biphenyl 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-B 和 OCN 系 列 之 環 氧 樹 脂 SOP8-C它 們 是 沒 有 通 precondition level III, 主 要 發 現 鍍 銀 腳 (inner lead) 而 導 致 second bond crack, 及 glue layer、compound 和 lead frame 之 間 有 gap; 在 JEDEC-020D 規 定 在 打 線 區 是 不 能 有 任 何 脫 層 ; 主 要 是 這 兩 種 EMC 結合 較 差 而 導 致 無 法 通 過 耐 溼 、 耐 沖 擊 及 耐 熱 性 等 實 驗 。TypeSOP8-ASOP8-BSOP8-CTable 3-1 三 種 SOP8 可 靠 度 SAT result Unit:(pc)Before After TCT TST PCT HTSL HASTMSL3 MSL3 1000cycle 200cycle 168hrs 1000hrs 96hrsChip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20Lead 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20Die Pad 0/20 0/20 10/20 7/20 6/20 0/20 0/20Chip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20Lead 0/20 6/20 13/20 16/20 14/20 7/20 12/20Die Pad 0/20 0/20 16/20 14/20 16/20 8/20 11/20Chip 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20 0/20Lead 0/20 18/20 11/20 15/20 12/20 14/20 17/20Die Pad 0/20 18/20 20/20 20/20 19/20 20/20 20/203.3 構 裝 產 品 之 迴 焊 斜 率 試 驗在 JEDEC-020D 規 範 中 , 迴 焊 升 温 僅 定 義 最 高 温 〈Peak Temp.〉、 停 留 時 間 及 室 温 升 温 到 最 高 温 時 間 ,並 未 規 定 升 温 斜 率 , 本 實 驗 由 不 同 的 升 温 斜 率 對 封 裝 結 構 之 影 響 , 由 實 驗 結 果 可 得 知 迴 焊 温 度 曲 線 斜 率 愈 高則 構 裝 內 所 含 濕 氣 因 受 熱 急 速 膨 脹 而 導 致 構 裝 脫 層 愈 多 , 如 Table 3-2。Table 3-2 SOP8-A 不 同 迴 焊 升 温 斜 率 SAT 結 果Unit:(pc)升 溫 斜 率( ℃ /Sec.)SAT Results( Reject Sizes / Sample Sizes)0.5~1.0 0 / 201.0~1.5 4 / 201.5~2.0 9 / 202.0~2.5 17 / 20

環 氧 成 型 模 料 對 構 裝 後 晶 片 可 靠 度 的 影 響 5454. 結 論本 研 究 選 擇 三 種 綠 色 環 保 材 料 之 封 裝 樹 脂 (EMC) 用 來 構 裝 SOP8(150mil) 產 品 , 構 裝 後 的 半 導 體 元 件 進 行吸 濕 及 去 濕 能 力 、 環 境 壽 命 可 靠 度 及 迴 焊 等 試 驗 , 藉 以 找 尋 最 佳 的 封 裝 樹 脂 及 銀 膠 , 並 符 合 綠 色 環 保 的 要 求 。MAR 系 列 之 環 氧 樹 脂 及 Glue-A 銀 膠 構 裝 SOP8-A 抗 濕 性 及 去 濕 性 較 佳 , 水 份 亦 使 封 裝 材 料 中 的 微 量 離子 性 雜 質 解 離 , 導 致 線 路 腐 蝕 , 故 吸 濕 率 愈 低 愈 好 。 所 以 IC 元 件 必 須 在 168 小 時 內 完 成 SMT 焊 接 程 序 如 未在 168 小 時 內 使 用 完 時 ,IC 元 件 須 重 新 烘 烤 , 以 防 治 元 件 壽 命 的 減 少 。 同 時 也 通 過 可 靠 性 Precondition LevelIII(30 ℃ /60%/192hrs), 因 具 有 較 好 黏 著 性 是 來 自 有 較 低 的 填 充 劑 含 量 而 產 生 較 高 CTE, 使 產 品 有 較 柔 曲 彈 性 。在 環 境 測 試 中 , 發 現 SOP8-A 晶 舟 脫 層 主 要 是 銀 膠 厚 度 不 足 造 成 , 經 重 新 驗 證 銀 膠 厚 度 控 制 在 15~50μm, 經環 境 測 試 TCT 1000cycle 無 發 現 任 何 脫 層 。也 針 對 SOP8-A 構 裝 在 不 同 迴 焊 升 温 斜 率 試 驗 , 實 驗 結 果 顯 示 迴 焊 温 度 昇 温 斜 率 愈 高 則 構 裝 內 所 含 濕 氣因 受 熱 膨 脹 體 積 變 大 而 導 致 脫 層 數 量 愈 多 , 主 要 是 經 過 IR260 ℃ 材 料 變 軟 , 銀 膠 、 封 裝 樹 脂 及 導 線 架 之 間 介面 結 合 力 變 弱 且 吸 濕 水 氣 會 變 成 水 蒸 氣 而 導 致 脫 層 , 如 半 導 體 封 裝 材 料 常 因 吸 收 空 氣 中 些 微 的 水 份 , 在 高 温迴 焊 下 迅 速 汽 化 而 使 元 件 脫 層 、 及 水 份 蒸 發 產 生 壓 力 使 封 裝 材 變 形 而 後 裂 開 及 爆 米 花 等 現 象 。參 考 文 獻[1] 柳 璐 明 ,「IC 製 程 簡 介 」, 工 業 材 料 雜 誌 ,109 期 ,83-88 頁 ,1996。[2] 陳 信 文 、 金 惟 國 ,「 電 子 構 裝 材 料 介 紹 」, 工 業 材 料 ,102 期 ,75-80 頁 ,1995。[3] 呂 宗 興 ,「 電 子 構 裝 技 術 的 發 展 歷 程 」, 工 業 材 料 115 期 ,49-53 頁 ,1996。[4] 謝 文 樂 ,「 塑 膠 IC 封 裝 製 程 」 , 工 業 材 料 ,117 期 ,121-125 頁 ,1996。[5] 林 秀 玲 ,「 半 導 體 封 裝 製 程 參 數 設 計 之 研 究 」, 逢 甲 大 學 工 業 工 程 學 系 碩 士 論 文 ,2000。[6] 黃 淑 禎 、 李 巡 天 、 陳 凱 琪 ,「 新 世 代 半 導 體 封 裝 材 料 技 術 與 發 展 趨 勢 」, 工 業 材 料 雜 誌 ,170 期 ,64-77 頁 ,2001。[7] 曾 清 輝 ,「 半 導 體 BGA 封 裝 受 溫 度 疲 勞 影 響 的 使 用 壽 命 預 測 」, 正 修 科 技 大 學 電 機 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 ,2005。[8] 劉 世 量 ,「 提 升 氮 化 鋁 / 環 氧 樹 脂 複 合 材 料 熱 傳 導 性 質 之 研 究 」, 國 立 成 功 大 學 化 學 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 ,2003。[9] 王 春 山 、 何 宗 漢 ,「 低 應 力 半 導 體 封 裝 材 料 之 簡 介 」, 工 程 月 刊 ,72(11), 19-28 頁 ,1999。[10] 楊 時 韋 ,「 新 型 含 矽 氧 烷 與 亞 醯 胺 之 氰 酸 酯 特 性 之 研 究 」, 國 立 交 通 大 學 應 用 化 學 研 究 所 碩 士 論 文 ,2007。[11] 馮 克 林 ,「 封 裝 元 件 可 靠 度 加 速 測 試 及 失 效 評 估 」, 工 業 材 料 ,158 期 ,90-98 頁 ,2000。[12] 洪 維 懋 ,「 系 統 及 封 裝 (SIP) 塑 膠 構 裝 之 熱 設 計 與 可 靠 度 分 析 」, 義 守 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學 系 碩 士 論 文 ,2005。[13] Fan,X.J., “Moisture related reliability in electronic packaging“, Electronic Component Technology Conference short coursenotes, 2008.[14] Fan,X.J., Zhang ,G.Q., Van Driel, W.D. and Ernst, L.J., “Interfacial Delamination Mechacisms During Reflow withPreconditioning“, IEEE Trans Component Package Technology, pp.252-259, 2008.[15] 邱 以 泰 ,「 半 導 體 封 裝 體 之 爆 米 花 現 象 電 腦 模 擬 」, 工 業 材 料 ,139 期 ,136-140 頁 ,1998。[16] 陳 慶 宗 ,「 半 導 體 封 裝 可 靠 度 需 求 」 , 工 業 材 料 ,127 期 ,160-167 頁 ,1997。[17] 李 宗 銘 ,「 半 導 體 封 裝 材 料 發 展 趨 勢 」, 工 業 材 料 ,139 期 ,108-116 頁 ,1998。[18] 賴 玄 金 ,「 現 有 塑 膠 微 電 子 產 品 構 裝 (PEM) 可 靠 度 模 式 探 索 」, 工 業 材 料 ,122 期 ,90-94 頁 ,1997。[19] 伍 玉 真 ,「 環 保 型 半 導 體 封 裝 材 料 之 可 靠 度 研 究 」, 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系 碩 士 論 文 ,2009。