第一章 緒論
1.1 半導體產業概況
半導體相關產業在近年來，受到在全球低價計算機旋風、因特網、電子商務興起、行動電話市場快速成長的促動下，1999 年全球IC 市場規模達1,302 億美元(WSTS；Dec. 1999)，較1998 年成長近19%，預估未來三年能維持在兩位數的成長率。探究成長要因，應是1997~1998 年的不景氣造成業者縮減投資，在需求增加下使得市場上出現供需失衡的現象。
1999 年微組件仍屬最大宗(占全球半導體市場產值的34.6%)產品，其中以微控制器(MCU)的成長較為可觀(16.2%)。邏輯IC 因因特網風潮的帶動下，成長幅度達24.7%。DRAM 則因供需已趨平衡，甚至略有供應不足的現象，促使平均價格上揚而成長47.8%之外，Flash 在數字大哥大手機、數字相機、數字Set-Top Box的強勁需求下，亦大幅成長83%。該等因素促使內存拉抬了在半導體市場的貢獻度(21.6%)，其規模較前一年成長40.4%(見表1.1)。
我國IC 產業的實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 生產國，全球占有率為4.7%。若將臺灣當作一家公司，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。至于細項產品/產業的表現亦不俗。如表1.2 所示，Mask ROM 在日本大廠退出生產行列的影響下，取代向來由日商獨占鰲頭的排名，登上全球第一的寶座。另外，高占全球六成五的專業代工更是所向無敵。除此之外，國內的IC 設計業的表現也不錯，全球排名僅次于美國。
在國內IC 市場需求方面，1999 年全球半導體市場規模為1,493 億美元，其中87%為IC 部份，而此當中的四分之一則來自亞太地區的貢獻。至于臺灣地區在1999年的市場值約3457 億臺幣(107 億美元)，較前一年成長了近26%，占整個亞太地區的33%、占全球IC 市場的8.2%及全球半導體市場的7.2%。造成我國IC 市場的份量逐漸加重的原因，與國內有堅強的下游信息產品有著極大的連動關系。
1.2 電子構裝技術制程
半導體組件制造過程可概分為晶圓處理制程(wafer fab)、晶圓針測制程(wafer probe)、構裝(packaging)、測試制程(initial test and final test)等幾個步驟。一般稱晶圓處理制程與晶圓針測程為前段(front end)制程，而構裝、測試制程為后段(back end)制程。
IC 構裝依使用材料可分為陶瓷(ceramic)及塑料(plastic)兩種，而目前商業應用上則以塑料構裝為主。以塑料構裝為例，其步驟依序為芯片切割(die saw)、黏晶(diebond)、焊線(wire bond)、封膠(mold)、剪切/成形(trim/form)、印字(mark)、電鍍(plating)及檢驗(inspection)等，其流程圖如圖1.1 所示。以下依序對構裝制程之各個步驟做一說明[27]：
圖1.1 半導體設備后段制程-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。欲進行芯片切割，首先必須進行晶圓黏片，而后再送至芯片切割機上進行切割。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線架上并以銀膠(epoxy)黏著固定。黏晶完成后之導線架則經由傳輸設備送至彈匣(magazine)內，以送至下一制程進行焊線。
(1)芯片切割(die saw)
(2)黏晶(die mount/die bond)
(3)焊線(wire bond)
(4)封膠(mold)
(5)剪切／成形(trim/form)
(6)印字(mark）
(7) 測試(inspection)
(3)焊線(wire bond)
焊線是將晶粒上的接點以極細的金線連接到導線架之內引腳，進而藉此將IC晶粒之電路訊號傳輸至外界。
(4)封膠(mold)
封膠主要目的為防止濕氣由外部侵入、以機械方式支持導線、內部產生熱量之去除及提供能夠手持之形體。其過程為將導線架置于框架上并預熱，再將框架置于壓模機上的構裝模上，再以樹脂充填并待硬化。其封裝程序如圖1.2 所示。
圖1.2 封膠作業流程
(5)剪切/成形(trim/form)
剪切之目的為將導線架上構裝完成之晶粒獨立分開，并把不需要的連接用材料及部份出之樹脂切除(dejunk)。成形之目的則是將外引腳壓成各種預先設計好之形狀，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配上多套不同制程之模具，加上進料及出料機構所組成。
第二章 研究方法說明
本章將研究內容分成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 所探討的內容是為了有效地的預測整個構裝體熱傳遞方
式，因此使用仿真分析軟件ANSYS 和外掛應用分析軟件FLOTRAN 分別作為分析
熱場和流場的主軸。其計算機輔助分析軟件ANSYS 分析程序如圖2.1 所示：
圖2.1 ANSYS 分析程序
2.1.1 FEM 熱場分析-假設條件說明
1.不考慮金線對熱傳的影響。
2.構裝體于不同材料交界處均設為熱的連續界面。
3.模型除了PCB 板外所有材質皆假設為均質等向材料。
4.熱傳模型對稱面為絕熱面(adiabatic)。
5.不考慮輻射熱傳的影響。
前處理 (Pre-processor)
1.選定適當分析元素 (Choosing element)
2.建立幾何分析模型 (Modeling)
3.定義材料性質 (Material property)
4.建立分析網格 (Meshing)
求解 (Solution)
5.定義邊界條件 (Boundary condition)
6.定義負荷條件 (Loading condition)
7.求解 (Solution)
后處理 (Post-processor)
8.顯示結果 (Show results)
9.編緝結果和資料 (Editing results)
2.1.2 CFD 流場分析-假設條件
流場模擬分析假設條件與熱場模擬分析假設條件一致，此外，加入穩態(steady state)、層流(laminar)和不可壓縮(incompressible)等假設條件。
2.2 熱場實驗風洞介紹
熱場實驗風洞尺寸皆根據JEDEC 規范所訂，下圖2.2 為實驗風洞。
1.吸氣式開回路風洞結構。
2.試驗區段 200 x 200 x 800 mml 。
3.風速范圍：0.2~5m/ s 。
4.試驗段之速度不均勻度：5%以下，試驗段90%的區域。以Hot Wire 或皮氏管來量測。
5.Contraction ratio： 9：1。
6.整流段包括導風罩，蜂巢段，網段及Contraction 段。
7.試驗段之四面均為可拆卸之結構，由透明壓克力板制造。
8.送風機之馬達由變頻器驅動，該控制可由手動。
9.精密溫度計，精確度0.1 °C 。
10 速度量測裝置。
2.3 實驗環境條件
環境條件的設定可分為兩大部分，分別為自然對流(natural convection)及強制對流(forced convection)。其實驗相關步驟皆參考JEDEC 規范。
2.3.1 自然對流 (natural convection)
在此部份，測試試件被放在一封閉立方體內，如圖2.3 所示。此立方體必須封裝不可透氣且由低熱傳導材料做成。若輸入之電能大于3Watt 時，可考慮加大立方體之尺寸，但需注明細部尺寸。支撐結構，如圖2.4 所示；其熱電偶之線徑不得大于AWG30，放置點可參考圖2.4，熱電偶(thermocouple)之精確度應小于1 °C 。室內溫度應介于20 °C 到30 °C 之間。
圖2.3 密閉空間實驗配置圖
圖2.4 密閉空間內支撐架配置圖
2.3.2 強制對流 (forced convection)
低速風洞如圖2.5 所示，速度通常低于10m/ s。90%的風洞面速度不得超過±5%，以保持速度場均勻性(flow uniformity)。旋轉分量不得大于5%。紊流應小于2%。風洞截面大小如圖所示，測試物截面積應小于風洞面積之5%。測試架與熱電偶放置如圖2.6 和圖2.7。
圖2.5 風洞配置圖
圖2.6 風洞內支撐架配置圖
圖2.7 強迫對流示意圖
2.4 實驗步驟
所有設備準備組合完成之后，即可進行量測，首先量測每一片PCB 板的K 值，在分別量測natural convection 及forced convection 時的熱阻值。
2.4.1 自然對流(natural convection)之熱阻量測
1.將待測PCB 插入插槽，放置室內達到溫度平衡，蓋上立方體。
2.設定電源供應器，開始輸入電能。
3.監看PCB 板上方及下方的熱電偶溫度，是否穩定。
4.達到穩定之后，輸入0.3mA 定電流到二極管，量測二極管之順向偏壓。
5.間隔五分鐘，重復步驟4，確定順向偏壓，已達到穩定。
6.測量此時輸入加熱電阻的電壓及電流，計算電能。(因為加熱電阻會隨著溫度改變，電阻大小亦會改變)
7.改變不同輸入電流，重復步驟1-6。
2.4.2 強迫對流(forced convection)之熱阻量測1.將待測PCB 板插入插槽，放入風洞。
2.設定風洞流速，開始送風，直到PCB 板與室溫相同。
3.設定電源供應器，開始輸入電能。
4.監看PCB 板上方及下方的熱電偶溫度，是否穩定。
5.達到穩定之后，輸入0.3mA 定電流到二極管，量測二極管之順向偏壓。
6.間隔五分鐘，重復步驟4，確定順向偏壓，已達到穩定。
7.測量此時輸入加熱電阻的電壓及電流，計算電能。(因為加熱電阻會隨溫著溫度改變，電阻大小亦會改變)
8.改變不同輸入電流，重復步驟1-7。
9.改變風洞的速度，重復步驟1-8。
2.5 建立仿真分析風洞模型-流場分析
為了能夠精準預測模擬熱阻值與實驗熱阻值一致，所以建立的分析模型尺寸將與實驗風洞設備尺寸一致，但為了減少分析元素數目和計算機求解時間，所以在自然對流分析時只建立四分之一對稱模型，而在強迫對流分析時只建立二分之一對稱模型。而實驗風洞設備尺寸與JEDEC 規范中熱場實驗風洞尺寸一致，為了能夠觀察流場在自然對流和強迫對流下的差異與減少求解時間，故在package 附近的
網格大小盡可能地縮小，以方便觀察流場在package 表面的變化。X 方向設為強迫對流時風的流動方向，其分析模型示意圖如下圖2.8 所示。
圖2.8 仿真分析風洞之半模型示意圖
2.6 構裝體(package)模型簡化
有鑒于建立分析模型時間過長和分析元素的數量過多，針對以上兩大問題，必須適當簡化package 模型和風洞(wind tunnel)尺寸，并以簡單形狀組合代替原先復雜的幾何形狀，以方便建立規則的四方形元素并減少元素數目。以下針對各結構部分給予模型簡化。以下將針對各部分模型簡化設計和設定熱傳導系數作說明。簡化方法參考Rosten 等[5]在1995 年提出將PQFP 內部各結構模型簡化。
2.6.1 芯片座(pad)簡化設計
LQFP208 芯片座簡化的過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 只內腳導線架由對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腳與芯片座簡化同一平面，再由整個芯片座往下移down-set 深度，下圖2.10 為簡化之示意圖。圖2.9 和圖2.10 中左圖為未更改設計的芯片座，而右圖為作適當簡化設計的芯片座。
而芯片座之熱傳導系數設定則是以原先導線架之熱傳導系數為主，不需作任何的修正。
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