第一章 緒論
1.1 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)概況
半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)在近年來(lái)，受到在全球低價(jià)計(jì)算機(jī)旋風(fēng)、因特網(wǎng)、電子商務(wù)興起、行動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)快速成長(zhǎng)的促動(dòng)下，1999 年全球IC 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1,302 億美元(WSTS；Dec. 1999)，較1998 年成長(zhǎng)近19%，預(yù)估未來(lái)三年能維持在兩位數(shù)的成長(zhǎng)率。探究成長(zhǎng)要因，應(yīng)是1997~1998 年的不景氣造成業(yè)者縮減投資，在需求增加下使得市場(chǎng)上出現(xiàn)供需失衡的現(xiàn)象。
1999 年微組件仍屬最大宗(占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)產(chǎn)值的34.6%)產(chǎn)品，其中以微控制器(MCU)的成長(zhǎng)較為可觀(16.2%)。邏輯IC 因因特網(wǎng)風(fēng)潮的帶動(dòng)下，成長(zhǎng)幅度達(dá)24.7%。DRAM 則因供需已趨平衡，甚至略有供應(yīng)不足的現(xiàn)象，促使平均價(jià)格上揚(yáng)而成長(zhǎng)47.8%之外，F(xiàn)lash 在數(shù)字大哥大手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、數(shù)字Set-Top Box的強(qiáng)勁需求下，亦大幅成長(zhǎng)83%。該等因素促使內(nèi)存拉抬了在半導(dǎo)體市場(chǎng)的貢獻(xiàn)度(21.6%)，其規(guī)模較前一年成長(zhǎng)40.4%(見(jiàn)表1.1)。
我國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)的實(shí)力在全球已具備了一定的地位，1999 年是僅次于美、日、韓的全球第四大IC 生產(chǎn)國(guó)，全球占有率為4.7%。若將臺(tái)灣當(dāng)作一家公司，則“ROC”該公司在全球前十大IC 公司的排名中，將由1998 年的第十名，晉升到1999 年的第六名，僅次于 Intel、NEC、TI、 Samsung、 Motorola。至于細(xì)項(xiàng)產(chǎn)品/產(chǎn)業(yè)的表現(xiàn)亦不俗。如表1.2 所示，Mask ROM 在日本大廠退出生產(chǎn)行列的影響下，取代向來(lái)由日商獨(dú)占鰲頭的排名，登上全球第一的寶座。另外，高占全球六成五的專(zhuān)業(yè)代工更是所向無(wú)敵。除此之外，國(guó)內(nèi)的IC 設(shè)計(jì)業(yè)的表現(xiàn)也不錯(cuò)，全球排名僅次于美國(guó)。
在國(guó)內(nèi)IC 市場(chǎng)需求方面，1999 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為1,493 億美元，其中87%為IC 部份，而此當(dāng)中的四分之一則來(lái)自亞太地區(qū)的貢獻(xiàn)。至于臺(tái)灣地區(qū)在1999年的市場(chǎng)值約3457 億臺(tái)幣(107 億美元)，較前一年成長(zhǎng)了近26%，占整個(gè)亞太地區(qū)的33%、占全球IC 市場(chǎng)的8.2%及全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的7.2%。造成我國(guó)IC 市場(chǎng)的份量逐漸加重的原因，與國(guó)內(nèi)有堅(jiān)強(qiáng)的下游信息產(chǎn)品有著極大的連動(dòng)關(guān)系。
1.2 電子構(gòu)裝技術(shù)制程
半導(dǎo)體組件制造過(guò)程可概分為晶圓處理制程(wafer fab)、晶圓針測(cè)制程(wafer probe)、構(gòu)裝(packaging)、測(cè)試制程(initial test and final test)等幾個(gè)步驟。一般稱(chēng)晶圓處理制程與晶圓針測(cè)程為前段(front end)制程，而構(gòu)裝、測(cè)試制程為后段(back end)制程。
IC 構(gòu)裝依使用材料可分為陶瓷(ceramic)及塑料(plastic)兩種，而目前商業(yè)應(yīng)用上則以塑料構(gòu)裝為主。以塑料構(gòu)裝為例，其步驟依序?yàn)樾酒懈?die saw)、黏晶(diebond)、焊線(xiàn)(wire bond)、封膠(mold)、剪切/成形(trim/form)、印字(mark)、電鍍(plating)及檢驗(yàn)(inspection)等，其流程圖如圖1.1 所示。以下依序?qū)?gòu)裝制程之各個(gè)步驟做一說(shuō)明[27]：
圖1.1 半導(dǎo)體設(shè)備后段制程-IC 封裝流程
(1)芯片切割(die saw)
芯片切割之目的為將前段制程加工完成之晶圓上一顆顆之晶粒(die)切割分離。欲進(jìn)行芯片切割，首先必須進(jìn)行晶圓黏片，而后再送至芯片切割機(jī)上進(jìn)行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于膠帶上，而框架的支撐避免了膠帶的皺折與晶粒之相互碰撞。
(2)黏晶(die bond)
黏晶之目的將一顆顆之晶粒置于導(dǎo)線(xiàn)架上并以銀膠(epoxy)黏著固定。黏晶完成后之導(dǎo)線(xiàn)架則經(jīng)由傳輸設(shè)備送至彈匣(magazine)內(nèi)，以送至下一制程進(jìn)行焊線(xiàn)。
(1)芯片切割(die saw)
(2)黏晶(die mount/die bond)
(3)焊線(xiàn)(wire bond)
(4)封膠(mold)
(5)剪切／成形(trim/form)
(6)印字(mark）
(7) 測(cè)試(inspection)
(3)焊線(xiàn)(wire bond)
焊線(xiàn)是將晶粒上的接點(diǎn)以極細(xì)的金線(xiàn)連接到導(dǎo)線(xiàn)架之內(nèi)引腳，進(jìn)而藉此將IC晶粒之電路訊號(hào)傳輸至外界。
(4)封膠(mold)
封膠主要目的為防止?jié)駳庥赏獠壳秩?、以機(jī)械方式支持導(dǎo)線(xiàn)、內(nèi)部產(chǎn)生熱量之去除及提供能夠手持之形體。其過(guò)程為將導(dǎo)線(xiàn)架置于框架上并預(yù)熱，再將框架置于壓模機(jī)上的構(gòu)裝模上，再以樹(shù)脂充填并待硬化。其封裝程序如圖1.2 所示。
圖1.2 封膠作業(yè)流程
(5)剪切/成形(trim/form)
剪切之目的為將導(dǎo)線(xiàn)架上構(gòu)裝完成之晶粒獨(dú)立分開(kāi)，并把不需要的連接用材料及部份出之樹(shù)脂切除(dejunk)。成形之目的則是將外引腳壓成各種預(yù)先設(shè)計(jì)好之形狀，以便于裝置于電路版上使用。剪切與成形主要是由一部沖壓機(jī)配上多套不同制程之模具，加上進(jìn)料及出料機(jī)構(gòu)所組成。
第二章 研究方法說(shuō)明
本章將研究?jī)?nèi)容分成CFD(computation fluid dynamics)與模流分析(mold flow analysis)兩大部分作探討。
第一部分 CFD (computational fluid dynamics)
2.1 ANSYS 模擬方法
本文第一部分CFD 所探討的內(nèi)容是為了有效地的預(yù)測(cè)整個(gè)構(gòu)裝體熱傳遞方
式，因此使用仿真分析軟件ANSYS 和外掛應(yīng)用分析軟件FLOTRAN 分別作為分析
熱場(chǎng)和流場(chǎng)的主軸。其計(jì)算機(jī)輔助分析軟件ANSYS 分析程序如圖2.1 所示：
圖2.1 ANSYS 分析程序
2.1.1 FEM 熱場(chǎng)分析-假設(shè)條件說(shuō)明
1.不考慮金線(xiàn)對(duì)熱傳的影響。
2.構(gòu)裝體于不同材料交界處均設(shè)為熱的連續(xù)界面。
3.模型除了PCB 板外所有材質(zhì)皆假設(shè)為均質(zhì)等向材料。
4.熱傳模型對(duì)稱(chēng)面為絕熱面(adiabatic)。
5.不考慮輻射熱傳的影響。
前處理 (Pre-processor)
1.選定適當(dāng)分析元素 (Choosing element)
2.建立幾何分析模型 (Modeling)
3.定義材料性質(zhì) (Material property)
4.建立分析網(wǎng)格 (Meshing)
求解 (Solution)
5.定義邊界條件 (Boundary condition)
6.定義負(fù)荷條件 (Loading condition)
7.求解 (Solution)
后處理 (Post-processor)
8.顯示結(jié)果 (Show results)
9.編緝結(jié)果和資料 (Editing results)
2.1.2 CFD 流場(chǎng)分析-假設(shè)條件
流場(chǎng)模擬分析假設(shè)條件與熱場(chǎng)模擬分析假設(shè)條件一致，此外，加入穩(wěn)態(tài)(steady state)、層流(laminar)和不可壓縮(incompressible)等假設(shè)條件。
2.2 熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞介紹
熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞尺寸皆根據(jù)JEDEC 規(guī)范所訂，下圖2.2 為實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞。
1.吸氣式開(kāi)回路風(fēng)洞結(jié)構(gòu)。
2.試驗(yàn)區(qū)段 200 x 200 x 800 mml 。
3.風(fēng)速范圍：0.2~5m/ s 。
4.試驗(yàn)段之速度不均勻度：5%以下，試驗(yàn)段90%的區(qū)域。以Hot Wire 或皮氏管來(lái)量測(cè)。
5.Contraction ratio： 9：1。
6.整流段包括導(dǎo)風(fēng)罩，蜂巢段，網(wǎng)段及Contraction 段。
7.試驗(yàn)段之四面均為可拆卸之結(jié)構(gòu)，由透明壓克力板制造。
8.送風(fēng)機(jī)之馬達(dá)由變頻器驅(qū)動(dòng)，該控制可由手動(dòng)。
9.精密溫度計(jì)，精確度0.1 °C 。
10 速度量測(cè)裝置。
2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件
環(huán)境條件的設(shè)定可分為兩大部分，分別為自然對(duì)流(natural convection)及強(qiáng)制對(duì)流(forced convection)。其實(shí)驗(yàn)相關(guān)步驟皆參考JEDEC 規(guī)范。
2.3.1 自然對(duì)流 (natural convection)
在此部份，測(cè)試試件被放在一封閉立方體內(nèi)，如圖2.3 所示。此立方體必須封裝不可透氣且由低熱傳導(dǎo)材料做成。若輸入之電能大于3Watt 時(shí)，可考慮加大立方體之尺寸，但需注明細(xì)部尺寸。支撐結(jié)構(gòu)，如圖2.4 所示；其熱電偶之線(xiàn)徑不得大于AWG30，放置點(diǎn)可參考圖2.4，熱電偶(thermocouple)之精確度應(yīng)小于1 °C 。室內(nèi)溫度應(yīng)介于20 °C 到30 °C 之間。
圖2.3 密閉空間實(shí)驗(yàn)配置圖
圖2.4 密閉空間內(nèi)支撐架配置圖
2.3.2 強(qiáng)制對(duì)流 (forced convection)
低速風(fēng)洞如圖2.5 所示，速度通常低于10m/ s。90%的風(fēng)洞面速度不得超過(guò)±5%，以保持速度場(chǎng)均勻性(flow uniformity)。旋轉(zhuǎn)分量不得大于5%。紊流應(yīng)小于2%。風(fēng)洞截面大小如圖所示，測(cè)試物截面積應(yīng)小于風(fēng)洞面積之5%。測(cè)試架與熱電偶放置如圖2.6 和圖2.7。
圖2.5 風(fēng)洞配置圖
圖2.6 風(fēng)洞內(nèi)支撐架配置圖
圖2.7 強(qiáng)迫對(duì)流示意圖
2.4 實(shí)驗(yàn)步驟
所有設(shè)備準(zhǔn)備組合完成之后，即可進(jìn)行量測(cè)，首先量測(cè)每一片PCB 板的K 值，在分別量測(cè)natural convection 及forced convection 時(shí)的熱阻值。
2.4.1 自然對(duì)流(natural convection)之熱阻量測(cè)
1.將待測(cè)PCB 插入插槽，放置室內(nèi)達(dá)到溫度平衡，蓋上立方體。
2.設(shè)定電源供應(yīng)器，開(kāi)始輸入電能。
3.監(jiān)看PCB 板上方及下方的熱電偶溫度，是否穩(wěn)定。
4.達(dá)到穩(wěn)定之后，輸入0.3mA 定電流到二極管，量測(cè)二極管之順向偏壓。
5.間隔五分鐘，重復(fù)步驟4，確定順向偏壓，已達(dá)到穩(wěn)定。
6.測(cè)量此時(shí)輸入加熱電阻的電壓及電流，計(jì)算電能。(因?yàn)榧訜犭娮钑?huì)隨著溫度改變，電阻大小亦會(huì)改變)
7.改變不同輸入電流，重復(fù)步驟1-6。
2.4.2 強(qiáng)迫對(duì)流(forced convection)之熱阻量測(cè)1.將待測(cè)PCB 板插入插槽，放入風(fēng)洞。
2.設(shè)定風(fēng)洞流速，開(kāi)始送風(fēng)，直到PCB 板與室溫相同。
3.設(shè)定電源供應(yīng)器，開(kāi)始輸入電能。
4.監(jiān)看PCB 板上方及下方的熱電偶溫度，是否穩(wěn)定。
5.達(dá)到穩(wěn)定之后，輸入0.3mA 定電流到二極管，量測(cè)二極管之順向偏壓。
6.間隔五分鐘，重復(fù)步驟4，確定順向偏壓，已達(dá)到穩(wěn)定。
7.測(cè)量此時(shí)輸入加熱電阻的電壓及電流，計(jì)算電能。(因?yàn)榧訜犭娮钑?huì)隨溫著溫度改變，電阻大小亦會(huì)改變)
8.改變不同輸入電流，重復(fù)步驟1-7。
9.改變風(fēng)洞的速度，重復(fù)步驟1-8。
2.5 建立仿真分析風(fēng)洞模型-流場(chǎng)分析
為了能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模擬熱阻值與實(shí)驗(yàn)熱阻值一致，所以建立的分析模型尺寸將與實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)備尺寸一致，但為了減少分析元素?cái)?shù)目和計(jì)算機(jī)求解時(shí)間，所以在自然對(duì)流分析時(shí)只建立四分之一對(duì)稱(chēng)模型，而在強(qiáng)迫對(duì)流分析時(shí)只建立二分之一對(duì)稱(chēng)模型。而實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)備尺寸與JEDEC 規(guī)范中熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞尺寸一致，為了能夠觀察流場(chǎng)在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流下的差異與減少求解時(shí)間，故在package 附近的
網(wǎng)格大小盡可能地縮小，以方便觀察流場(chǎng)在package 表面的變化。X 方向設(shè)為強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)風(fēng)的流動(dòng)方向，其分析模型示意圖如下圖2.8 所示。
圖2.8 仿真分析風(fēng)洞之半模型示意圖
2.6 構(gòu)裝體(package)模型簡(jiǎn)化
有鑒于建立分析模型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和分析元素的數(shù)量過(guò)多，針對(duì)以上兩大問(wèn)題，必須適當(dāng)簡(jiǎn)化package 模型和風(fēng)洞(wind tunnel)尺寸，并以簡(jiǎn)單形狀組合代替原先復(fù)雜的幾何形狀，以方便建立規(guī)則的四方形元素并減少元素?cái)?shù)目。以下針對(duì)各結(jié)構(gòu)部分給予模型簡(jiǎn)化。以下將針對(duì)各部分模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和設(shè)定熱傳導(dǎo)系數(shù)作說(shuō)明。簡(jiǎn)化方法參考Rosten 等[5]在1995 年提出將PQFP 內(nèi)部各結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化。
2.6.1 芯片座(pad)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
LQFP208 芯片座簡(jiǎn)化的過(guò)程中可分為二大部分。在幾何形狀方面，將原先支撐芯片座的4 只內(nèi)腳導(dǎo)線(xiàn)架由對(duì)角排列改為垂直和水平方向的排列，如下圖2.9 所示。而在down-set 位置方面并未作省略，將這些支撐芯片座的內(nèi)腳與芯片座簡(jiǎn)化同一平面，再由整個(gè)芯片座往下移down-set 深度，下圖2.10 為簡(jiǎn)化之示意圖。圖2.9 和圖2.10 中左圖為未更改設(shè)計(jì)的芯片座，而右圖為作適當(dāng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的芯片座。
而芯片座之熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)定則是以原先導(dǎo)線(xiàn)架之熱傳導(dǎo)系數(shù)為主，不需作任何的修正。
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