球頴陣列構裝體翹曲及應力分析 - ir.lib.kuas...

工程科技與教育學刊第四卷第四期民國九十六年十二月第 475～497 頁

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

球格陣列構裝體翹曲及應力分析球格陣列構裝體翹曲及應力分析球格陣列構裝體翹曲及應力分析球格陣列構裝體翹曲及應力分析

吳瑞文吳瑞文吳瑞文吳瑞文*、、、、林谷鴻林谷鴻林谷鴻林谷鴻**

*國立高雄應用科技大學工業工程與管理系研究生

**國立高雄應用科技大學工業工程與管理系教授

摘摘摘摘要要要要

本研究以有限元素方法分別建立連續合成模型，探討球格陣列 LFBGA 型式構裝在封模

（post mold curing）及回焊（reflow）後所衍生的構裝翹曲及晶片應力，輔以表面輪廓儀（TDM）

量測構裝表面翹曲，驗證模擬模型之正確性，並比較不同模型所預測構裝翹曲及晶片應力的

差異。研究以 LFBGA 型式構裝範例，討論基板內不同比例之銅線面積、構裝體之不同環氧

樹酯材料及環氧樹酯不同厚度之下的組合，之後安排八組的實驗計劃，討論基板、膠體材料

及膠體厚度之間對構裝翹曲、晶片應力的影響。最後利用統計軟體（Minitab）分析出影響構

裝翹曲、晶片應力最大的因子。

關鍵詞關鍵詞關鍵詞關鍵詞：：：：熱膨脹係數熱膨脹係數熱膨脹係數熱膨脹係數、、、、翹曲量翹曲量翹曲量翹曲量、、、、晶片應力晶片應力晶片應力晶片應力、、、、晶片破裂晶片破裂晶片破裂晶片破裂

1. 前前前前言言言言

近年來半導體相關科技隨著電腦與網路通訊等產品功能的急遽提昇，其多元化、可攜帶

性以及高容量、高速度的需求，使晶片封裝製程業已脫離了傳統的技術而朝高功率、高密度、

輕、薄與微小化等高精密度製程發展。由 1980 年代以前的通孔插裝（PTH）型態，主流產品

為 DIP（Dual I-Line Package），進展至 SMT（Surface Mount Technonlogy）技術衍生出的 SOP

（Small Out-Line Package）、QFP（Quad Flat Package）封裝方式。而傳統的 SOP、QFP 的接

腳數由於是長在封裝體的周圍，因此數量有一定限制，不符合現今間距小數量多的需求，而

由於晶片上的電路設計越來越複雜，使的晶片尺寸也相對增大，導致接腳間距（pitch）要小

而接腳數（I/O）要多的需求。在 IC 功能及 I/O 腳數逐漸增加後，1997 年 Intel 率先由 QFP

封裝方式更新為 BGA（Ball Grid Array），球腳陣列矩陣封裝（如圖 1）封裝方式。

吳瑞文、林谷鴻

476

圖 1 球腳陣列矩陣封裝

當一個多結構的半導體封裝，當其溫度升高時，各結構間的材料性質（如楊氏模數

（Young’s Modulus）E、浦松比（Poisson’s Ratio）ν、熱膨脹係數（Coefficient of Ther- mal

Expansion）CTE、熱傳導係數（Conductivity）K、降伏強度（Yielding Stress）σy…等各異，

所以當 LFBGA 經過封模烘烤（post mold curing）及加熱回焊（Reflow），就是構裝體受溫度

循環從室溫加熱至 225℃，甚至更高。由於 CTE 會形成一熱應變，導致各結構間的變形量也

不同，所以會導致翹曲變形的發生。此外，翹曲也會發生於應力集中的區域。若是翹曲量過

大則使半導體構裝內部晶片產生變形或斷裂，因而影響到半導體封裝體的可靠度甚至使構裝

體不能使用。由於 BGA 本身的材料係數有很多項，有些係數甚至會有隨溫度變化現象，彼此

間在經過溫升後會有相互間的交互作用，因而影響到整個變形機制。

本研究主要從基板（Substrate）內部銅線的分佈密度、環氧樹酯（Compound）材料選擇

以及封模時環氧樹酯的不同封模高度對產品的影響，這三個主要的影響因子，藉由電腦模擬

分析（MARC），探討上述設計參數對構裝翹曲及晶片應力的影響，期望減小構裝翹曲及晶片

應力，增進構裝之良率。在有限元素模擬分析中，建立連續合成模型，使模擬分析的構裝翹

曲結果更合理，並以外觀量測儀器（TDM），來量測模型，並驗證其模擬的正確性。另一方

面，本研究利用 Minitab 統計分析軟體，分析影響產品構裝的強相關因子，針對強相關因子，

進行改善，來達到構裝體的最佳化設計及減少開發產品的時間。

2. 熱應力及熱應變理論分析熱應力及熱應變理論分析熱應力及熱應變理論分析熱應力及熱應變理論分析

材料具有熱漲冷縮特性，在溫度作用下會產生體積變化，產生熱應變。當結構的熱應變

受到拘束而不能自由發展時，就會產生熱應力。例如 IC 封裝元件內，各個材料層間的熱膨脹

係數不同，在溫度上下變化的加工製程中引起的相互作用，就會產生熱應變，進而產生熱應

力。材料機械特性如楊氏模數（Young’s Modulus ）E、浦松比（Poisson’s Ratio）ν、熱膨脹

係數（Coefficient of Thermal Expansion）CTE、降伏強度（Yielding Stress）σy 等往往隨溫度

變化，也會影響到結構應力分析的結果。這種分析稱之為熱彈塑性分析（Thermo elasticity）。

球格陣列構裝體翹曲及應力分析 477

2.1 熱應變及熱應力原理熱應變及熱應力原理熱應變及熱應力原理熱應變及熱應力原理

假設材料為等向性，則等向的熱應力統御方程式可用以下方程式表示；

Wt

TC

x

T

xk

ji

ijij −∂

∂=

∂

∂

∂

∂νρδ

(2-1)

( )i

iiix

TXGGu

∂

∂+−=++ βµλ µµµµ ,,

(2-2)

其中

( )

( )( )

( )ν

νν

νλ

ν

αβ

βδεδλεσ µµ

+=

−+=

−=

−−+=

12

211

21

2 0

EG

E

E

TTG ijijijij

(2-3)

α 為材料的熱膨脹係數（CTE）；k 為熱傳導率（heat conductivity）；E 為楊氏係數（Young’s

module）；ν 為浦松比（Poisson’s ratio）；λ 為 Lame’s 常數；G 為剪力模數（Shear module）；δ

為 Kronecker delta。對於特殊穩態熱流的情況如（ 0=∂

∂

t

T）；則(2-25)可寫成：

k

W

x

T

x ji

ij −=

∂

∂

∂

∂δ

若無熱源分布，則 0=W (2-4)

( )i

iiix

TXGGu

∂

∂+−=++ βµλ µµµµ ,,

(2-5)

將(2-25)(2-26)(2-27)改寫成以下方程式，以方便工程上的計算及應用；

k

W

t

T

k

CT −

∂

∂=∇ νρ2

(2-6)


478

( )( )

( )

( )( )

( )

( )( )

( )z

T

G

Xu

zyzx

u

z

w

y

T

G

Xu

zy

w

yx

u

y

x

T

G

Xu

zx

w

yxx

u

z

y

x

∂

∂+=

++∇−+

∂∂

∂+

∂∂

∂+

∂

∂

∂

∂+=

++∇−+

∂∂

∂+

∂∂

∂+

∂

∂

∂

∂+=

++∇−+

∂∂

∂+

∂∂

∂+

∂

∂

ανλ

νν

ανλ

νν

ανλ

νν

1221

1221

1221

222

2

2

222

2

2

222

2

2

(2-7)

熱應力（Thermal stress）： ( )zxyzxyzyx τττσσσ ,,,,,

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂+

∂

∂=

−−

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂−=

−−

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂−=

−−

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂−=

z

u

x

wG

y

w

zG

xy

uG

TTyx

u

z

w

TTx

u

z

w

y

TTz

w

yx

u

xy

yz

xy

x

y

x

τ

ντ

ντ

βν

ννν

λσ

βνν

νν

λσ

βν

ννν

λσ

0

0

0

1

1

1

(2-8)

其中

2

2

2

2

2

22

zyx ∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=∇

熱應變（Thermal strain）： ( )zxyzxyzyx γγγεεε ,,,,,


x

w

z

w

xzx

u

z

u

z

u

x

w

z

w

y

w

zyz

u

y

u

y

w

z

y

w

x

w

yxy

u

x

u

xy

u

z

w

zz

u

x

u

y

w

yy

u

y

x

w

xx

u

x

u

xy

yz

xy

x

y

x

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

ννγ

νννγ

νννγ

νε

ννε

νε

222

222

222

2

1

2

1

2

1

(2-9)

3. 模擬實驗模擬實驗模擬實驗模擬實驗

本文以有限元素軟體模擬 LFBGA 經過 Substrate Pre-baking、Die bond curing、Molding

及 Reflow 後的變形機制（如圖 2）。首先利用繪圖軟體繪出 Model 的 2D 外觀，之後 IMPORT

圖形到分析軟體中（MENTAT），建構出有限元素的 3D Model（如圖 3），而後再將材料性質

（如表 1）、邊界條件、與負載加入此 Model 中分析。本篇論文利用的有限元素套裝軟體為

MARC，其中 MENTAT 為其前置與後續處理軟體，如建構 2D 或 3D 的 Model，切割元素

（MESH），再加入初始條件（Initial condition）、材料性質（Material properties）與邊界條件

（Boundary condition）。其後介紹本次實驗所要用的量測設備，其中包含熱機械分析儀

（TMA）、動態機械分析儀（DMA）及產品外觀量測機（TDM）。

Thermal Loading Procedure

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 2922 5844 8766 11688 14610 17532 20454 23376 26298 29220 32142 35064 37986

Time (Secs)

Temperature (Deg C)

LFBGA296 Thermal Loading Procedure

Substrate pre-curingD/B baking

Post mold curing

Reflow


480

圖 2 LFBGA 熱處理循環圖

圖 3 LFBGA 1/4 模型立體圖

表 1 (僅供參考)

Material Constitutive Relation E(Mpa) ν(-) CTE(ppm/℃)

Tg(℃)

Si Anisotropic 150-169(main direction) 0.23-0.25 2.5-3.5

Die attach Visco-elastic 1-6 (25℃)

0.8-2(>200℃) 0.2-0.3

50-100<Tg

100-200>Tg

Tg:30-80

Compound Visco-elastic 10-25 (25℃)

0.1-0.8(>200℃) 0.2-0.3

6-50<Tg

50-100>Tg

Tg:80-200

Substrate Orthotropic 0.15-0.2

Solder Mask Out-plane 4-5 (25℃)

1-2(>200℃)

50-60< Tg

200-250>Tg

Tg:180-250

Copper Elasto-plastic 120-130 0.30-0.35 16-18

BT In-plane 15-20 (25℃)

8-10(>200℃)

50-60< Tg

200-250>Tg

Tg:180-250

Marc 是功能齊全的高級非線性有限元素分析軟體，具有極強的結構分析能力。可以處理

各種線性和非線性結構分析包括：線性/非線性靜力分析、模態分析、簡諧回應分析、頻譜分

析、隨機振動分析、動態分析、自動的靜/動態接觸、挫曲/失穩、失效和破壞分析等。

本文主旨為利用有限元素法，搭配佈銅量不同的電路基板（K 及 P）、不同配方的環氧樹

酯（zhf10k 及 hf10f）、封膠時環氧樹酯的厚度（0.7mm 及 0.5mm）；共有三個因子兩個水準，


共安排八次的實驗模擬，均模擬一次，其實驗計劃表如表 2.所示；

表 2 實驗計畫表

Full Factorial Design

Factors: 3 Base Design: 3, 8

Runs: 8 Replicates: 1

Blocks: 1 Center pts (total): 0

Supplier C ompound mater ial C ompound thickness

K hf10f 0.5

P hf10f 0.5

K zhf10k 0.5

P zhf10k 0.5

K hf10f 0.7

P hf10f 0.7

K zhf10k 0.7

P zhf10k 0.7

Factor 1: K 92% 1st Cu layer，P 89% 1

st Cu layer

Factor 2: Compound material

Factor 3: Compound mold thickness

根據實驗計畫的需求，建構出構裝體的三維外觀及材料的內容。圖 4 為因子一，P 基板

的銅層分佈圖，圖 5 為 K 基板的銅層分佈圖，依基板上的第一層分佈銅量的多寡來區分。

圖 4 P 基板的銅層分佈圖

Copper layer No.1


482

圖 5 K 基板的銅層分佈圖

接下來是以不同環氧樹酯所建構出的模型為因子二，其模型如圖 6 其環氧樹酯為 zhf10k，

圖 7 其環氧樹酯為 hf10f。

圖 6 環氧樹酯 zhf10k 分佈圖

Compound is zhf10k

Copper layer No.1


圖 7 環氧樹酯 hf10f 分佈圖

因子三為進行封模製程時，其環氧樹酯封模的高度，本文選 0.7mm 及 0.5mm 高度；其模

型如圖 8 模高為 0.5mm，圖 9 模高為 0.7mm。

圖 8 環氧樹酯模高為 0.5mm

Compound is hf10f

0.5 mm


484

圖 9 環氧樹酯模高為 0.7mm

依照實驗計畫所規劃的模擬模型，輸入 Marc 中進行模擬，模擬結束後依序觀看模擬的結

果為；1.封膠完成之後的烘烤（post mold curing）2. 最後回焊的熱模擬（Reflow），找出影響

最大的因子，進而找到構裝體最佳的配方，即經過一連串的製程後，構裝體所產生翹曲最小，

晶體表面拉應力最小的最佳組合。

4.結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論

比較模擬過後的翹曲結果，經過封膠烘烤 post mold curing 之後， P_zhf10k_0.7mm（如

圖 10(a)），對產品的翹曲影響程度為最小;而 K_zhf10k_0.5mm 的組合（如圖 10(b)），對產品

的翹曲影響程度為最大。

P_zhf10k_0.7mm

(Max 4.819 mm)

K_zhf10k_0.5mm

(Max 5.787 mm)

圖 10 (a) P_zhf10k_0.7mm 及 10(b) K_zhf10k_0.5mm 翹曲情形

0.7 mm


觀察經過 Reflow 回焊製程後，構裝體翹曲的情形。此階段受熱的材料有基板、晶體、膠

帶、環氧樹酯；錫球在因為是附著在基板底下，對構裝體的翹曲及應力幾乎沒有影響，沒有

將它加入模擬。模擬過後的翹曲結果，經過回焊製程（reflow）之後， P_zhf10k_0.7mm（如

圖 11(a)），對產品的翹曲影響程度為最小;而 K_zhf10k_0.5mm 的組合（如圖 11(b)），對產品

的翹曲影響程度為最大。

P_zhf10k_0.7mm

(Max warpage 5.914 mm)

K_zhf10k_0.5mm

(Max warpage 7.043 mm)

圖 11 (a) P_zhf10k_0.7mm 及 11(b) K_zhf10k_0.5mm 翹曲情形

封模烘烤及回焊後對構裝體的翹曲程度比較，如下圖 12 所示：

Warpage after post mold curing & reflow process

4.819

5.7745.52

5.313

4.833

5.7875.521

5.309

6.94 6.94

6.515

6.003

7.0436.7 6.591

4.819

1.2821.1791.2561.171.2021.421.1661.095

0

1

2

3

4

5

6

7

8

PPt.9750zhf10k-

0.7mm

PPt.9750zhf10k-

0.5mm

PPt.9750hf10f-

0.7mm

PPt.9750hf10f-

0.5mm

Kis.9750zhf10k-

0.7mm

Kis.9750zhf10k-

0.5mm

Kis.9750hf10f-

0.7mm

Kis.9750hf10f-

0.5mm

Package recipe

Dis

pla

cem

en

t Z

(m

m)

Afetr post mold curing After Reflow Warpage variation

圖 12 封模烘烤及回焊後對構裝體的翹曲程度比較圖


486

利用 Minitab 來進行資料的整彙，分析哪一個因子所佔的影響度為最大。由圖 13 的圖形

可知環氧樹酯的材料與環氧樹酯封模高度的交互作用是對產品的翹曲有很大的影響。

圖 13 Normal probability plot of the effects

利用 Two-way ANOVA（表 3）來分析環氧樹酯的材料與環氧樹酯封模高度，其 p 值小於

0.05，且 R2 值為 99.97%。

表 3 Two-way ANOVA(Warpage versus Compound material & Compound thickness)

Two-way ANOVA: Warpage versus Compound material, Compound

thickness

Source DF SS MS F

P

Compound material 1 0.08946 0.089465 8.74 0.042

Compound thickness 1 0.29338 0.293378 28.66 0.006

Interaction 1 0.84500 0.845000 82.53 0.001

Error 4 0.04095 0.010238

Total 7 1.26880

S = 0.1012 R-Sq = 96.77% R-Sq(adj) = 94.35%

EEEEffffffffeeeecccctttt

PP PPee ee rr rr

cc cc ee eenn nn

tt tt

0.40.20.0-0.2-0.4-0.6

99

95

90

80

70

60

50

40

30

20

10

5

1

Factor Name

A Subatratr design

B Compound material

C Compound thickness

Effect Type

Not Significant

Significant

ABC

BC

AC

AB

C

B

A

NNNNoooorrrrmmmmaaaallll PPPPrrrroooobbbbaaaabbbbiiii llll iiii ttttyyyy PPPPllllooootttt ooooffff tttthhhheeee EEEEffff ffff eeeecccctttt ssss(response is Warpage, Alpha = .05)

Lenth's PSE = 0.12375


圖 4.4 Main effect plot for Warpage

由圖 4-4 得到環氧樹酯封模高度（compound thickness）因子，對構裝體翹曲的影響的程

度仍較其他因子高。其中使用 0.7mm 的封模高度可得到較小的翹曲結果。

封模烘烤後，晶體表面最大拉應力分佈以 P_hf10f_0.5mm 有最小拉應力，如圖 14(b)，約

為 43.134MPa。以 K_hf10f_0.7mm 圖 14(a)為最大，約為 59.427MPa。

K_hf10f_0.7mm

(Max.59.427MPa)

P_hf10f_0.5mm

(Max 43.134MPa)

圖 14 (a) K_hf10f_0.7mm 及圖 14 (b) P_hf10f_0.5mm 烘烤後晶體表面最大拉應力分佈圖

在封模烘烤後階段，應力部分主要是觀察最大拉應力，因為封模後會造成晶體斷裂，主

要是因為拉應力的關係。比較模擬結果後，K_hf10k-0.7mm 有最大拉應力值，觀察其應力分

MM MMee ee aa aa

nn nn oo oo

ff ff WW WW

aa aa rr rrpp pp

aa aa gg ggee ee

PPtKinsus

6.8

6.7

6.6

6.5

6.4

9750zhf10k9750hf10f

0.70.5

6.8

6.7

6.6

6.5

6.4

Subatratr design Compound material

Compound thickness

MMMMaaaaiiiinnnn EEEEffff ffffeeeecccctttt ssss PPPPllllooootttt ((((ddddaaaattttaaaa mmmmeeeeaaaannnnssss)))) ffffoooorrrr WWWWaaaarrrrppppaaaaggggeeee


488

佈情形(圖 15(a)、(b))，結果發現其最大拉應力，是分布在晶體的底部和膠帶連接的部分，在

這裡會有最大拉應力存在，可能是因為基板在降溫時和環狀樹酯間因為膨脹係數不同，彼此

產生拉扯，而晶片又剛好位於兩者的介面，所以在晶體底部有較大的拉應力。

圖 15 (a) K_hf10k-0.7mm 晶體表面拉應力分佈圖(20MPa~60MPa)

圖 15 (b) K_hf10k-0.7mm 晶體表面拉應力放大分佈圖

經過回焊後，晶體表面最大拉應力分佈以 K_hf10f_0.7mm 圖 16(a) 為最大，約為

59.806MPa；以 P_hf10f_0.5mm 為最小圖 16(b)，約為 45.783MPa。


K_hf10f-0.7mm

(Max.59.806 MPa)

P_hf10f_0.5mm

(Max 45.783 MPa)

圖 16 (a) K_hf10f_0.7mm 及圖 16 (b) P_hf10f_0.5mm 回焊後晶體表面最大拉應力分佈圖

觀察 K_hf10f_0.7mm 其最大拉應力分佈情形；如圖 17(a)及 17(b)，其最大拉應力仍發生

在晶體的底部和膠帶連接的位置。比較八種模擬的條件，其封模烘烤及回焊後對構裝體的晶

體表面最大拉應力值，如下圖 4-9 所示；其中發現 P 系列的基板，其拉應力的差值都明顯的

比 K 系列的基板高；推測基板上佈銅量的多寡，仍會影響到經體表面拉應力的大小。

圖 17 (a) K_hf10k-0.7mm 晶體表面拉應力放大分佈圖


490

圖 17 (b) K_hf10k-0.7mm 晶體表面拉應力局部放大分佈圖

Die surface stress

47.499 48.334

54.359

43.134

53.105

48.075

59.427

49.76950.784 51.014

57.31

45.783

50.47 48.833

59.806

53.519

0.9360.3792.3950.414

2.6492.9512.683.285

0

10

20

30

40

50

60

70

PPt.9750zhf10k-

0.7mm

PPt.9750zhf10k-

0.5mm

PPt.9750hf10f-

0.7mm

PPt.9750hf10f-

0.5mm

Kis.9750zhf10k-

0.7mm

Kis.9750zhf10k-

0.5mm

Kis.9750hf10f-

0.7mm

Kis.9750hf10f-

0.5mm

package recipe

Str

ess

(M

Pa)

After post mold curing After reflow Stress variation

圖 18 封模烘烤及回焊後對構裝體的晶體表面最大拉應力值

利用 Minitab 來進行資料的整彙及分析，由圖 19(a)的圖形發現因子 C（Compound

thickness）有顯著的影響，晶體表面之拉應力。由圖 19(b)亦可得到，C 因子的斜率為最大，

與是否產生晶體表面最大拉應力，有最直接關係，由圖 4.10(b)分析結果可得，用 0.5mm 的封

模高度可以得到最小拉應力值。


圖 19 (a) Normal probability Plot of the effects

圖 19 (b) Main effects plot for die stress

將回焊過後晶體上最大拉應力減掉烘烤過後的最大拉應力，可以得到經過回焊製程後，

所提高的拉應力值。將這些數值以 MiniTab 進行分析，分析結果如圖 20(a)，發現 A 因子（基

板上佈銅量的差異）有明顯的差異，用 One way ANOVA 進行分析，如表 4.2 One-Way ANOVA，

得到 P 值大約是 0.009<0.05，對晶體表面的拉應力，應有明顯的影響。圖 20(b)可得 A 因子斜

率高，影響拉應力的效果顯著。即佈銅量越高的基板（K 系列基板），晶體經回焊製程，所產

生的拉應力增加較少。


492

圖 20 (a) Normal probability Plot of the effects(Die tension variation)

表 4 One Way ANOVA (Die stress versus Substrate design)

One-way ANOVA: Die stress versus Substrate design

Source DF SS MS F P

Subatratr design 1 6.921 6.921 14.14 0.009

Error 6 2.937 0.490

Total 7 9.858

圖 20 (b) Main effects plot for die stress (Die tension variation)


實驗量測值實驗量測值實驗量測值實驗量測值與模擬值與模擬值與模擬值與模擬值

經模擬過後，以 P_zhf10k_0.7mm 的搭配參數，經過基板預熱、植晶烘烤、封模烘烤及回

焊等一連串的模擬製程後，所得到的構裝體翹曲量為最小；反之，K_zhf10k_0.5mm 的參數，

經過一連串的模擬製程後，所得到的翹曲量為最大。撘配實際的材料及製程參數方，以實際

的生產製程進行實驗，最後利用產品外觀量測機（TDM）對產品的外觀進行量測翹曲量。圖

21(a)、(b)為 P_zhf10k_0.7mm 構裝體經過實際生產過程，在回焊之後的翹曲情形。

圖 21 (a) P_zhf10k_0.7mm 構裝體實際翹曲情形 (側視圖)

圖 21 (b) P_zhf10k_0.7mm 構裝體實際翹曲情形 (前視圖)


494

回焊後模擬值和實際產品翹曲值之比較，如圖 4.12 所示。比較後，實際的翹曲量比模擬

的翹曲量大，平均誤差為 13.9%。但翹曲變形的趨勢是一致的。

接下來，利用產品外觀量測機(TDM)對 K_zhf10k_0.5mm 產品的進行外觀量測翹曲量。

圖 22(a)、(b)為 K_zhf10k_0.5mm 構裝體經過實際生產過程，在回焊之後的翹曲情形。

比較 K_zhf10k_0.5mm 回焊後模擬值和實際產品翹曲值，如圖 4.14 所示。比較後，實際的翹

曲量比模擬的翹曲量較大，平均誤差為 11.3%。

比較圖 4-11(a)、(b)和圖 4-13(a)、(b)，可發現照片中 K_zhf10k_0.5mm 產品的翹曲情形較

P_zhf10k_0.7mm 大，這和模擬的趨勢是一致的。至於模擬數值和實際產品之間的誤差，可以

從模擬輸入的材料性質差異來解釋，基本上輸入的材料性質是實驗室的數據，其數值會和工

廠實際量產的材料特性會有些差異，畢竟模擬的資料是實驗室的資料，真正生產的時候，工

廠對材料的允收標準，生產的環境如濕氣、機台參數等…的影響，這些都會造成模擬和實際

產品的誤差。

圖 22 P_zhf10k_0.7m 構裝體回焊後模擬值和實際產品翹曲值之比較


圖 23 (a) K_zhf10k_0.5mm 構裝體實際翹曲情形 (側視圖)

圖 23 (b) K_zhf10k_0.5mm 構裝體實際翹曲情形 (前視圖)


496

圖 24 K_zhf10k_0.5mm 構裝體回焊後模擬值和實際產品翹曲值之比較

5. 結結結結論論論論

構裝體的破壞和翹曲其實可以視為一體兩面的事情，破壞和翹曲都是由於構裝體變形所

致，當變形所導致的應力超過構裝體內部材料間的接合力時，便會產生脫層現象，而變形表

現在外部的就是構裝體的翹曲現象。本文目的主要是要利用有限元素法搭配 MiniTab 統計軟

體，將影響 LFBGA 翹曲和產生最大拉應力的主要因子找出來。

經由先前數據的收集，找出有三個主要影響因子，會影響 LFBGA 構裝體的翹曲量及晶

體表面的拉應力分佈，分別為基板第一層佈銅線密度的差異、環氧樹酯的材料以及產品封模

的高度。經過模擬後，所得的結果如下：

(1) 當產品還未進行到封模的製程時，即純粹是基板在進行預烤的階段，此時，基板內的佈

銅量密度，會和翹曲有顯著的影響；即在進行基板烘烤後，基板內佈銅量密度越高，則

翹曲的現象會越小。銅的熱膨脹係數和基板內的其他材料比較起來，相差是最大的，照

道理說，銅在基板內佔的面積越多，應該翹曲越嚴重；但由於基板內的銅分布相當的薄，

當它和其他材料，因溫度降低或升溫而造成拉扯的效果，低於銅材料所能提供對基板的

強度時，此時，基板的翹曲程度就會因為銅在基板內分佈越多，翹曲程度就越小。

(2) 當封模製程模擬後，原本基板內的佈銅量密度，會從主要影響因子，變為次要因子，因

為環氧樹酯材料及在構裝體上的封模高度，對構裝體的翹曲有很大的影響；換句話說，

其構影響裝體翹曲的程度遠比基板內的佈銅量密度還要大。所以，環氧樹酯的材料選


擇，及構裝體上的封模高度設計，都會直接影響到構裝體翹曲程度。

(3) 晶體表面最大拉應力值，會晶體封裝完成後，是否會存在晶體斷裂的風險有關。如果有

相當大的拉應力值發生於晶體的表面或邊緣，則發生晶體斷裂的機率就相對提高。本次

的模擬，最大拉應力皆發生在晶體底部，其原因可能為基板在降溫時和環氧樹酯間因為

熱膨脹係數不同，彼此產生拉扯，而晶片的熱膨脹係數和其它兩者也不同，且又剛好位

於基板和環氧樹酯兩者的間，所以在晶體底部產生較大的拉應力。

(4) 基板內佈銅量密度，在加入在環氧樹酯後，對構裝體翹曲影響變小，但是對晶體表面的

拉應力，仍有影響。即基板內的佈銅量密度越高，其拉應力在回焊製程時，較不易增加。

(5) 以本次模擬的結果，選擇以 P_zhf10k_0.7mm 的搭配參數，經過基板預熱、植晶烘烤、

封模烘烤及回焊等一連串的模擬製程後，所得到的構裝體翹曲量為最小。且趨勢是和實

際生產的趨勢是一樣的。

(6) 利用有限元素法來開發新的產品，在經過模擬值及實際產品值校正後，會有可靠度高的

模擬值。若再配合統計軟體，進行產品模擬的實驗計畫，則能再短時間內，利用實驗計

畫的模擬結果，找出影響度最大的因子，進行改善，再還沒正式投料前，來預測實際產

品的趨勢，這樣可以節省生產的成本及縮短開發的時間。

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