第一章 绪论
1.1 半导体产业概况
半导体相关产业在近年来，受到在全球低价计算机旋风、因特网、电子商务兴起、行动电话市场快速成长的促动下，1999 年全球IC 市场规模达1,302 亿美元(WSTS；Dec. 1999)，较1998 年成长近19%，预估未来三年能维持在两位数的成长率。探究成长要因，应是1997~1998 年的不景气造成业者缩减投资，在需求增加下使得市场上出现供需失衡的现象。
1999 年微组件仍属最大宗(占全球半导体市场产值的34.6%)产品，其中以微控制器(MCU)的成长较为可观(16.2%)。逻辑IC 因因特网风潮的带动下，成长幅度达24.7%。DRAM 则因供需已趋平衡，甚至略有供应不足的现象，促使平均价格上扬而成长47.8%之外，Flash 在数字大哥大手机、数字相机、数字Set-Top Box的强劲需求下，亦大幅成长83%。该等因素促使内存拉抬了在半导体市场的贡献度(21.6%)，其规模较前一年成长40.4%(见表1.1)。
我国IC 产业的实力在全球已具备了一定的地位，1999 年是仅次于美、日、韩的全球第四大IC 生产国，全球占有率为4.7%。若将台湾当作一家公司，则“ROC”该公司在全球前十大IC 公司的排名中，将由1998 年的第十名，晋升到1999 年的第六名，仅次于 Intel、NEC、TI、 Samsung、 Motorola。至于细项产品/产业的表现亦不俗。如表1.2 所示，Mask ROM 在日本大厂退出生产行列的影响下，取代向来由日商独占鳌头的排名，登上全球第一的宝座。另外，高占全球六成五的专业代工更是所向无敌。除此之外，国内的IC 设计业的表现也不错，全球排名仅次于美国。
在国内IC 市场需求方面，1999 年全球半导体市场规模为1,493 亿美元，其中87%为IC 部份，而此当中的四分之一则来自亚太地区的贡献。至于台湾地区在1999年的市场值约3457 亿台币(107 亿美元)，较前一年成长了近26%，占整个亚太地区的33%、占全球IC 市场的8.2%及全球半导体市场的7.2%。造成我国IC 市场的份量逐渐加重的原因，与国内有坚强的下游信息产品有着极大的连动关系。
1.2 电子构装技术制程
半导体组件制造过程可概分为晶圆处理制程(wafer fab)、晶圆针测制程(wafer probe)、构装(packaging)、测试制程(initial test and final test)等几个步骤。一般称晶圆处理制程与晶圆针测程为前段(front end)制程，而构装、测试制程为后段(back end)制程。
IC 构装依使用材料可分为陶瓷(ceramic)及塑料(plastic)两种，而目前商业应用上则以塑料构装为主。以塑料构装为例，其步骤依序为芯片切割(die saw)、黏晶(diebond)、焊线(wire bond)、封胶(mold)、剪切/成形(trim/form)、印字(mark)、电镀(plating)及检验(inspection)等，其流程图如图1.1 所示。以下依序对构装制程之各个步骤做一说明[27]：
图1.1 半导体设备后段制程-IC 封装流程
(1)芯片切割(die saw)
芯片切割之目的为将前段制程加工完成之晶圆上一颗颗之晶粒(die)切割分离。欲进行芯片切割，首先必须进行晶圆黏片，而后再送至芯片切割机上进行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于胶带上，而框架的支撑避免了胶带的皱折与晶粒之相互碰撞。
(2)黏晶(die bond)
黏晶之目的将一颗颗之晶粒置于导线架上并以银胶(epoxy)黏着固定。黏晶完成后之导线架则经由传输设备送至弹匣(magazine)内，以送至下一制程进行焊线。
(1)芯片切割(die saw)
(2)黏晶(die mount/die bond)
(3)焊线(wire bond)
(4)封胶(mold)
(5)剪切／成形(trim/form)
(6)印字(mark）
(7) 测试(inspection)
(3)焊线(wire bond)
焊线是将晶粒上的接点以极细的金线连接到导线架之内引脚，进而藉此将IC晶粒之电路讯号传输至外界。
(4)封胶(mold)
封胶主要目的为防止湿气由外部侵入、以机械方式支持导线、内部产生热量之去除及提供能够手持之形体。其过程为将导线架置于框架上并预热，再将框架置于压模机上的构装模上，再以树脂充填并待硬化。其封装程序如图1.2 所示。
图1.2 封胶作业流程
(5)剪切/成形(trim/form)
剪切之目的为将导线架上构装完成之晶粒独立分开，并把不需要的连接用材料及部份出之树脂切除(dejunk)。成形之目的则是将外引脚压成各种预先设计好之形状，以便于装置于电路版上使用。剪切与成形主要是由一部冲压机配上多套不同制程之模具，加上进料及出料机构所组成。
第二章 研究方法说明
本章将研究内容分成CFD(computation fluid dynamics)与模流分析(mold flow analysis)两大部分作探讨。
第一部分 CFD (computational fluid dynamics)
2.1 ANSYS 模拟方法
本文第一部分CFD 所探讨的内容是为了有效地的预测整个构装体热传递方
式，因此使用仿真分析软件ANSYS 和外挂应用分析软件FLOTRAN 分别作为分析
热场和流场的主轴。其计算机辅助分析软件ANSYS 分析程序如图2.1 所示：
图2.1 ANSYS 分析程序
2.1.1 FEM 热场分析-假设条件说明
1.不考虑金线对热传的影响。
2.构装体于不同材料交界处均设为热的连续界面。
3.模型除了PCB 板外所有材质皆假设为均质等向材料。
4.热传模型对称面为绝热面(adiabatic)。
5.不考虑辐射热传的影响。
前处理 (Pre-processor)
1.选定适当分析元素 (Choosing element)
2.建立几何分析模型 (Modeling)
3.定义材料性质 (Material property)
4.建立分析网格 (Meshing)
求解 (Solution)
5.定义边界条件 (Boundary condition)
6.定义负荷条件 (Loading condition)
7.求解 (Solution)
后处理 (Post-processor)
8.显示结果 (Show results)
9.编缉结果和资料 (Editing results)
2.1.2 CFD 流场分析-假设条件
流场模拟分析假设条件与热场模拟分析假设条件一致，此外，加入稳态(steady state)、层流(laminar)和不可压缩(incompressible)等假设条件。
2.2 热场实验风洞介绍
热场实验风洞尺寸皆根据JEDEC 规范所订，下图2.2 为实验风洞。
1.吸气式开回路风洞结构。
2.试验区段 200 x 200 x 800 mml 。
3.风速范围：0.2~5m/ s 。
4.试验段之速度不均匀度：5%以下，试验段90%的区域。以Hot Wire 或皮氏管来量测。
5.Contraction ratio： 9：1。
6.整流段包括导风罩，蜂巢段，网段及Contraction 段。
7.试验段之四面均为可拆卸之结构，由透明压克力板制造。
8.送风机之马达由变频器驱动，该控制可由手动。
9.精密温度计，精确度0.1 °C 。
10 速度量测装置。
2.3 实验环境条件
环境条件的设定可分为两大部分，分别为自然对流(natural convection)及强制对流(forced convection)。其实验相关步骤皆参考JEDEC 规范。
2.3.1 自然对流 (natural convection)
在此部份，测试试件被放在一封闭立方体内，如图2.3 所示。此立方体必须封装不可透气且由低热传导材料做成。若输入之电能大于3Watt 时，可考虑加大立方体之尺寸，但需注明细部尺寸。支撑结构，如图2.4 所示；其热电偶之线径不得大于AWG30，放置点可参考图2.4，热电偶(thermocouple)之精确度应小于1 °C 。室内温度应介于20 °C 到30 °C 之间。
图2.3 密闭空间实验配置图
图2.4 密闭空间内支撑架配置图
2.3.2 强制对流 (forced convection)
低速风洞如图2.5 所示，速度通常低于10m/ s。90%的风洞面速度不得超过±5%，以保持速度场均匀性(flow uniformity)。旋转分量不得大于5%。紊流应小于2%。风洞截面大小如图所示，测试物截面积应小于风洞面积之5%。测试架与热电偶放置如图2.6 和图2.7。
图2.5 风洞配置图
图2.6 风洞内支撑架配置图
图2.7 强迫对流示意图
2.4 实验步骤
所有设备准备组合完成之后，即可进行量测，首先量测每一片PCB 板的K 值，在分别量测natural convection 及forced convection 时的热阻值。
2.4.1 自然对流(natural convection)之热阻量测
1.将待测PCB 插入插槽，放置室内达到温度平衡，盖上立方体。
2.设定电源供应器，开始输入电能。
3.监看PCB 板上方及下方的热电偶温度，是否稳定。
4.达到稳定之后，输入0.3mA 定电流到二极管，量测二极管之顺向偏压。
5.间隔五分钟，重复步骤4，确定顺向偏压，已达到稳定。
6.测量此时输入加热电阻的电压及电流，计算电能。(因为加热电阻会随着温度改变，电阻大小亦会改变)
7.改变不同输入电流，重复步骤1-6。
2.4.2 强迫对流(forced convection)之热阻量测1.将待测PCB 板插入插槽，放入风洞。
2.设定风洞流速，开始送风，直到PCB 板与室温相同。
3.设定电源供应器，开始输入电能。
4.监看PCB 板上方及下方的热电偶温度，是否稳定。
5.达到稳定之后，输入0.3mA 定电流到二极管，量测二极管之顺向偏压。
6.间隔五分钟，重复步骤4，确定顺向偏压，已达到稳定。
7.测量此时输入加热电阻的电压及电流，计算电能。(因为加热电阻会随温着温度改变，电阻大小亦会改变)
8.改变不同输入电流，重复步骤1-7。
9.改变风洞的速度，重复步骤1-8。
2.5 建立仿真分析风洞模型-流场分析
为了能够精准预测模拟热阻值与实验热阻值一致，所以建立的分析模型尺寸将与实验风洞设备尺寸一致，但为了减少分析元素数目和计算机求解时间，所以在自然对流分析时只建立四分之一对称模型，而在强迫对流分析时只建立二分之一对称模型。而实验风洞设备尺寸与JEDEC 规范中热场实验风洞尺寸一致，为了能够观察流场在自然对流和强迫对流下的差异与减少求解时间，故在package 附近的
网格大小尽可能地缩小，以方便观察流场在package 表面的变化。X 方向设为强迫对流时风的流动方向，其分析模型示意图如下图2.8 所示。
图2.8 仿真分析风洞之半模型示意图
2.6 构装体(package)模型简化
有鉴于建立分析模型时间过长和分析元素的数量过多，针对以上两大问题，必须适当简化package 模型和风洞(wind tunnel)尺寸，并以简单形状组合代替原先复杂的几何形状，以方便建立规则的四方形元素并减少元素数目。以下针对各结构部分给予模型简化。以下将针对各部分模型简化设计和设定热传导系数作说明。简化方法参考Rosten 等[5]在1995 年提出将PQFP 内部各结构模型简化。
2.6.1 芯片座(pad)简化设计
LQFP208 芯片座简化的过程中可分为二大部分。在几何形状方面，将原先支撑芯片座的4 只内脚导线架由对角排列改为垂直和水平方向的排列，如下图2.9 所示。而在down-set 位置方面并未作省略，将这些支撑芯片座的内脚与芯片座简化同一平面，再由整个芯片座往下移down-set 深度，下图2.10 为简化之示意图。图2.9 和图2.10 中左图为未更改设计的芯片座，而右图为作适当简化设计的芯片座。
而芯片座之热传导系数设定则是以原先导线架之热传导系数为主，不需作任何的修正。
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