打線接合製程技術發展時間已久，可靠度也較其他接合製程高，故現今在封裝製程中，打線接合製程技術仍為主流的製程方法。打線接合目前主要使用金線做為接合的線材，但是金價逐年飆高，在成本與市場的考量下，開始逐漸地以銅線取代金線做為接合的線材。然而現今銅打線接合製程仍有許多問題需要克服，近年來眾多學者皆以材料覆被的方式設法改善銅打線製程的缺點。
本研究主要透過有限元素法建立三維材料覆被於銅球或鋁銲墊，並模擬打線接合製程中的超音波打線接合製程與熱超音波打線接合製程，探討材料覆被後，在超音波打線製程中，對應力-應變場的影響，與材料覆被在熱超音波打線製程中，對溫度場的影響，並分析材料覆被對於超音波打線製程中，打線密度的改善，最後以田口實驗方法分析在不同覆被材料與厚度之組合下，對於銅球與鋁銲墊之影響程度。
由本研究之分析結果可知，材料覆被對於銅打線製程中，鋁擠出之改善相當顯著，不論是在銅球或鋁銲墊做材料覆被最少降低了鋁銲墊48%的塑性應變，而材料覆被會影響熱超音波打線製程中溫度的傳遞。而對於打線密度的影響方面，材料覆被改善了矽晶片層的應力集中現象，並降低了矽晶片層之等效應力，將可提升銅打線製程的打線密度。最後利用田口實驗方法得知，增加覆被材料鈀與鎳的厚度分別對於降低超音波打線製程衝壓階段與超音波震動階段的等效應力效果最為顯著；而當材料覆被層金的厚度達到0.01μm時，最能增加熱超音波打線接合製程中，銅球與鋁銲墊的溫度。

Wire bonding has been used in integrated circuit packaging for many decades because of its high reliability and performance. The most common metal used has been gold, but with the surge in commodity prices of gold in recent years, copper wire is now used to altered gold wire for cost saving. Many challenges have to be solved to meet its application requirement; coating is one of the applications.
In this study, a 3D coated copper wire and coated Al pad is built by finite element method to simulate ultrasonic bonding and thermosonic bonding. To consider the effect of coated material to stress and strain field on ultrasonic bonding and the effect of coated material to temperature field on thermosonic bonding. Then use the Taguchi experiment method to discuss the effect on Cu-Ball and Al pad under different coated material and thickness combination.
The results show that with coated material on Al pad or copper wire could reduce more than 48% of effective plastic strain after the bonding process, it obviously reduce the Al splash phenomenon in copper wire bonding. But the coated material such like palladium and nickel which have lower thermal conductivity would resist the heat transfer. And the Taguchi experiment method shows that the most effective way to reduce the effective stress during impact stage and ultrasonic vibration stage is to increase the thickness of palladium and nickel respectively, and when the thickness of coated material Au reached 0.01μm could increase the temperature of Cu-Ball and Al pad mostly.

摘要 I
Abstract II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 電子封裝與打線接合技術簡介 2
1.3 文獻回顧 4
1.3.1 銅打線製程之優點 4
1.3.2 銅打線製程之缺點 5
1.3.3 銅打線製程之改善 6
1.4 研究目標 8
1.5 論文架構 9
第二章 基礎理論介紹 15
2.1 套裝軟體ANSYS 12.1/LS-DYNA簡介 15
2.2 直接熱固耦合 19
2.3 田口方法介紹 20
第三章 研究方法 29
3.1假設條件 29
3.2 模擬模型之建構與設定 30
3.2.1 元素模型與材料模型選用 30
3.2.2 模擬模型之結構與尺寸 31
3.2.3 材料參數設定 32
3.2.4 網格劃分 32
3.2.5 邊界條件、負載方式與接觸設定 33
3.2.6 編輯熱傳關鍵字文件 34
3.2.7 網格收斂性分析 35
第四章 結果與討論 45
4.1 驗證模擬 45
4.2 銅球鍍膜與銲墊鍍膜之模擬 47
4.2.1 模擬結果分析 48
4.2.2 模擬結果比較 54
4.3 模擬結果之打線密度分析 59
4.4 田口法分析 60
第五章 結論與未來展望 95
5.1 結論 95
5.2 未來展望 96
參考文獻 97

表目錄
表1- 1 金與銅之材料參數比較 10
表2- 1 L8(27)直交表 23
表2- 2 常用之直交表與其因子與水準個數 24
表3- 1 瓷嘴模型之尺寸 37
表3- 2 銲線與銲球之尺寸 37
表3- 3 銲墊模型之尺寸 37
表3- 4 常溫(293K)之材料機械性質表 38
表3- 5 常溫(293K)材料熱參數表 39
表3- 6 不同網格密度之銅球中心溫度誤差分析 40
表3- 7 不同網格密度之銅球中心等效應力誤差分析 40
表4- 1 驗證模擬與文獻之比較 64
表4- 2 各Case銅球接觸中心於持續下壓結束(2.2μs)時之等效應力 64
表4- 3 各Case銅球接觸中心等效應力 64
表4- 4 各Case銅球接觸中心於不同時間點之等效塑性應變 65
表4- 5 各Case銅球接觸中心溫度比較 65
表4- 6 各Case鋁銲墊於超音波震動期間之最大等效應力 65
表4- 7 各Case 鋁銲墊於模擬期間之最大等效應力與其發生時間 66
表4- 8 各Case鋁銲墊於不同階段之最大等效應力 66
表4- 9 各Case鋁銲墊於不同時間點之最大等效塑性應變 66
表4- 10 各Case鋁銲墊之最高溫與模擬結束溫度比較 67
表4- 11 各Case矽晶片層之綜合比較 67
表4- 12 現今製程常見之材料覆被組合與厚度 68
表4- 13 因子與水準對照表 68
表4- 14 L16(43)直交表 69
表4- 15 各應力-應變相關目標函數之模擬結果與S/N比 70
表4- 16 鋁銲墊於持續下壓結束(2.2μs)時之最大等效應力S/N比回應表 71
表4- 17 鋁銲墊於超音波震動期間(2.2 ~ 22μs)之最大等效應力S/N比回應表 71
表4- 18 鋁銲墊於模擬結束時之最大等效塑性應變S/N比回應表 71
表4- 19 各目標函數之模擬結果與S/N比 72
表4- 20 銅球於模擬期間之最高溫度S/N比回應表 73
表4- 21 鋁銲墊於模擬期間之最高溫度S/N比回應表 73

圖目錄
圖1- 1 晶粒與導線架上之引腳 11
圖1- 2 瓷嘴示意圖 11
圖1- 3 打線接合步驟圖 12
圖1- 4 放電結球後之銲球示意圖 13
圖1- 5 球型接合與楔形接合 13
圖1- 6 Kirkendall Voiding現象示意圖 14
圖1- 7 鋁擠出現象示意圖 14
圖1- 8 遮蔽容器示意圖 14
圖2- 1 ANSYS 12.1/LS-DYNA之分析流程 25
圖2- 2 3D Solid 164模型 26
圖2- 3 3D Shell 163模型 26
圖2- 4 與溫度相關之雙線性材料所需輸入之參數 27
圖2- 5 LS-PREPOST操作介面 27
圖2- 6 田口方法設計流程 28
圖3- 1 雙線性等向性材料之應力-應變曲線圖 41
圖3- 2 模擬模型外觀示意圖 41
圖3- 3 瓷嘴幾何模型示意圖 42
圖3- 4 銲墊與基板結構及尺寸示意圖 42
圖3- 5 計劃網格後之元素示意圖 43
圖3- 6 瓷嘴之垂直位移與時間關係圖 43
圖3- 7 瓷嘴水平位移示意圖 44
圖4- 1 驗證模擬之衝擊與超音波震動階段之應力分佈截面圖 74
圖4- 2 參考文獻於衝壓階段之等效應力截面圖 75
圖4- 3 參考文獻[28]於超音波震動階段等效應力分佈截面圖 75
圖4- 4 銅球於模擬期間之等效應力曲線(Case 1) 76
圖4- 5 銅球於模擬期間之等效塑性應變曲線(Case 1) 76
圖4- 6 鋁銲墊於模擬期間之最大等效應力曲線(Case 1) 77
圖4- 7 鋁銲墊於模擬期間之最大等效塑性應變曲線(Case 1) 77
圖4- 8 鋁銲墊於衝壓階段結束之最大等效應力上視圖(Case 1) 78
圖4- 9 鋁銲墊於瓷嘴外推後之等效應力上視圖(Case 1) 78
圖4- 10 鋁銲墊於瓷嘴外推後之等效塑性應變上視圖(Case 1) 79
圖4- 11 鋁銲墊於模擬結束時之等效塑性應變上視圖(Case 1) 79
圖4- 12 銅球於模擬期間之溫度曲線(Case 2) 80
圖4- 13 鋁銲墊於模擬期間之最高溫度曲線(Case 2) 80
圖4- 14 鋁銲墊與下方基板於模擬結束時之溫度分佈截面圖(Case 2) 81
圖4- 15 鈀、鎳薄膜於模擬期間之最大等效應力曲線(Case 3) 81
圖4- 16 鈀、鎳薄膜於模擬期間之最大等效塑性應變曲線(Case 3) 82
圖4- 17 鈀、鎳薄膜與鋁銲墊於模擬期間之溫度曲線(Case 4) 82
圖4- 18 鈀薄膜於模擬期間之等效應力曲線(Case 5) 83
圖4- 19 鈀薄膜於模擬期間之等效塑性應變曲線(Case 5) 83
圖4- 20 鈀薄膜於模擬期間之溫度曲線(Case 6) 84
圖4- 21 銅球接觸中心於模擬期間之等效應力曲線比較 84
圖4- 22 銅球接觸中心於0 ~ 2.64μs期間之等效應力曲線比較 85
圖4- 23 銅球接觸中心於模擬期間之等效塑性應變曲線比較 85
圖4- 24 銅球接觸中心於模擬期間之溫度曲線比較 86
圖4- 25 鋁銲墊於模擬期間之最大等效應力曲線比較 86
圖4- 26 鋁銲墊於0 ~ 2.64μs期間之等效應力曲線比較 87
圖4- 27 各Case鋁銲墊於瓷嘴下壓階段結束(2.2μs)時之等效應力圖 88
圖4- 28 各Case鋁銲墊於瓷嘴外推後(2.62μs)之等效應力圖 89
圖4- 29 鋁銲墊於模擬期間之最大等效塑性應變比較 90
圖4- 30 各Case鋁銲墊於瓷嘴外移後(2.62μs)之等效塑性應變圖 91
圖4- 31 各Case鋁銲墊於模擬結束時之等效塑性應變圖 92
圖4- 32 鋁銲墊於模擬期間之最高溫度曲線比較 93
圖4- 33 矽晶片層之位置與應力關係圖 93
圖4- 34 矽晶片應力集中區域與瓷嘴及銅球相對位置關係圖 94

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