中文摘要
若直接處理顆粒強化與纖維強化的複合材料，使用傳統有限元
素法有其限制在。無限元素法已經使用去預測異質性材料機械行
為，但到目前為止其方法仍然有不足之處。本研究將針對混入多
數粒子且粒子隨機分佈的異質性複合材料與其所組成的結構，提
出以微觀力學為基礎的數值模型，分析其因外力環境所引起的機
濕熱相關問題。首先，藉由濕熱效應的引入與三維異質性的發展，
無限元素法的架構將更完善且應用性更廣。其次，創新的無限元
素法應用與複合濕元素法的提出也順利解決介面應力與暫態濕氣
擴散在求解上的困難。最後，使用套裝軟體ABAQUS 結合有限元
素法所建立的整合模型也提升了所提出的數值方法的可用性與能
力。所發展的數值計算模型，可大量的節省前處理的建模時間、
運算的自由度以及電腦的記憶容量。本研究也進一步探討一系列
有關二維構裝體中異質性接合膠層結構與三維顆粒強化複合材料
因材料異質性對其所組成結構的影響。由分析結果可以印證所提
出的計算模型為一個簡易且有效率的數值分析工具。經由本研究
的進行，建立異質性材料的分析方法，以提供相關研究人員作為
參考使用。
關鍵字：有限元素法、無限元素法、複合濕元素法、異質性接合
膠層、顆粒強化的複合材料、多數粒子的模擬
Abstract
The direct application of the conventional finite element method (FEM) to
modeling of the particulate-reinforced and fiber-reinforced composites has
limitations. The infinite element method (IEM) has been used in predicting the
mechanical behaviors of heterogeneous materials, but so far is still not in
maturity. In this thesis, a micro-mechanics based computational model for
hygro-thermo-mechanical analysis of heterogeneous materials reinforced with
arbitrarily distributed multiple particles is proposed. First, the infinite element
method not only is enhanced by taking the temperature and moisture effects into
account but also is extended to deal with three-dimensional elastostatic problems
in which the constituent material properties are heterogeneous. Next, an
innovative IEM application for studying material interface problems and a novel
numerical technique, hybrid moisture element method (HMEM), for modeling
and analyzing the moisture diffusion in heterogeneous epoxy resin filled with
multiple randomly distributed particles are also both well presented. Finally, the
IE-FE and HME-FE coupling scheme are addressed and their implementation are
accomplished by employing the commercial software ABAQUS to greatly
enhance the convenience and capability of our proposed methods. With the
proposed approach, the execution time in the modeling stage, the number of
DOFs, and PC memory storage were significantly reduced. A series of problems
relating to the two-dimensional packaging structure containing heterogeneous
adhesive bonding layer and three-dimensional particulate-reinforced composites
are investigated. The proposed approach provides another simple and efficient
numerical analysis tool for related problems of heterogeneous material, as
demonstrated in the analysis result presented in this dissertation.
Keywords: finite element method (FEM); infinite element method (IEM); hybrid
moisture element method (HMEM); heterogeneous adhesive bonding layer;
particulate-reinforced composites; modeling of multiple particles
一、 緒論
1-1 接合膠層結構
應用在構裝上的接合膠層結構（adhesive bonding layer）主要
以環氧樹脂（epoxy resin）為主。由於其在固化前為液體狀態，在
本身的加工混合、改質等程序上較為方便容易；而固化後具有尺
寸安定、高機械強度、高耐熱性、高接著性、良好的電絕緣性等
優良特性，所以大量使用在電子構裝與光電封裝領域。
最常見的接合膠層結構為覆晶底膠（underfill）、異方性導電膜
（anisotropic conductive film）以及紫外光固化膠（UV-curing epoxy
adhesives）。絕大部分的功用在於保護內部元件以及元件的黏著接
合，故於樹脂配方中常添加相當量的填充物（filler），如二氧化矽
粉、氧化鋁粉、氮化硼粉、石墨纖維或其他無機化合物粉粒等。
除一些特定功用外，調節膠體本身的材料特性是主要的目的之一。
1-1-1 覆晶底膠
如圖1-1 所示，覆晶底膠是覆晶構裝體（flip-chip package）不
可或缺的部分。由於基板之熱膨脹係數（約為12-17 ppm/ oC）與
矽晶片之熱膨脹係數（約為3 ppm/ oC）差距過大，因此在熱脹冷
縮之際， 熱膨脹係數不匹配所引發之應力很容易導致錫鉛球
（solder ball）接點損壞。因此，為了可靠度的考量，通常需要在
基板與晶片之間隙內填膠，以分散其應力至膠體本身，藉以降低接點所受到的應力。同時，為了使覆晶底膠的材料特性與構裝體
匹配，常於膠體裡加入玻璃粒子（silica particle），如圖1-2，以減
低膠體本身的高熱膨脹係數和增加其剛性。此外，覆晶底膠亦可
防止錫鉛球間有雜質造成漏電流的傳遞及抑制破裂之延伸而延長
錫鉛球接點之疲勞壽命。由於覆晶底膠可有效的提昇接合之可靠
性，因此填膠為覆晶組裝製程中，重要的製程之一。
1-1-2 導電膠膜
適用於構裝元件接合黏著的材料選擇，除了非電導性之黏著劑
（nonconductive adhesive；NCA），還包括以膏狀形式或薄膜形式
存在的異向性導電膠（anisotropic conductive adhesive；ACA）與
異方性導電膜（anisotropic conductive film；ACF）等，主要由黏
著膠體（epoxy resin）與導電粒子（conductive particle）所組成。
導電膠及導電膜的導電粒子含量在5-25wt%之間，粒子各別
懸浮於膠體中，彼此間並不形成連續接觸，整體表現為絕緣體。
異向性導電膠以注射或網版印刷方式塗佈，再進行熱壓接合，膠
體受壓往四周流動，留下的導電粒子經加壓變形，與上下接點緊
密連接，提供電流訊號傳遞的通路，膠體受熱與上下介面形成強
力鍵結，凝固後即構裝接合完成。而導電膜的上膠方式較導電膠
簡單，也是目前所有構裝方式中最簡單、最乾淨的製程，如圖1-3。
而導電粒子的加入，除了提供電路的導通外，也調整了膠體本身
的材料特性。
在覆晶構裝技術（flip-chip technology）中，使用異方性導電
膜在晶片與玻璃基板或是塑膠基板的接合，取代傳統的錫球和覆
晶底膠。最近幾年，更是廣泛應用在以TCP（tape carrier package）、
COF（chip on flex）和COG（chip on glass）為主的平面顯示器封
裝，達到高接合密度、高精度、產品短小輕薄等目的。
1-1-3 紫外光固型環氧樹脂
紫外光固型環氧樹脂，大量使用在顯示器的封裝上，如圖1-4。
延緩水氧氣侵入內部是最主要的目的，其封膠的要求通常是厚度
越小、面積越大，此對水氧氣之穿透路徑能相對拉長，也可藉由
無機物的添加增加水氧氣的穿透路徑，延長發光元件的壽命。
因為熱固化之膠體其固化溫度通常必須達到150 oC，不僅會對
發光元件造成損壞，且因各元件間熱膨脹係數的差異，高溫下更
容易引起封裝結構的破壞。反觀，紫外光硬化可室溫下操作、硬
化速度快，亦不會傷害LCD 基板、ITO 玻璃及其他材料與元件，
因此紫外光光硬化樹脂已成為顯示面板最主要的封裝材料。
1-2 接合膠層結構對構裝可靠度的影響
接合膠層大量使用在電子構裝與光電封裝領域，瞭解其對構裝
體可靠度的影響是非常重要的。
1-2-1 新型CMOS 影像感測構裝體
新型CMOS 影像感測構裝體如圖1-5 所示，晶片與光學玻璃
基板的接合，捨棄傳統的晶片接合（die bonding）與焊接線法（wire
bonding），使用ACF 覆晶接合技術，以達到縮小尺寸的設計。如
圖1-6，藉由熱壓頭使得影像感測晶片直接接合在玻璃基板上。整
個構裝體溫度提高到ACF 的反應溫度（200 oC），同時在熱壓頭壓
力的作用下，使晶片與基板緊密的接合，之後整體溫度降到室溫，
完成整個接合過程。
由於各元件之間熱膨脹係數的不同，構裝體翹曲的現象將無可
避免。但因構裝體主要作用為影像感測，翹曲現象會使光線傳遞
出現偏差，所以更需嚴格要求與注意。除外，也發現用以連接的
金凸塊（gold bump）在結合過程後，在最外圍的地方常常會產生
破壞而導致電訊傳遞的失敗。因此，各元件之間由於熱膨脹係數
不同而產生的熱匹配問題與翹曲現象將是構裝體設計上非常重要
的考量，同時也關係著構裝體可靠度的表現。
藉由有限元素分析軟體模擬實際的接合過程，分析構裝體從
200 oC冷卻到室溫（25 oC）所產生的翹曲現象以及所造成的元件
損壞，並配合23 因子設計（ 23 factorial design），找出影響構裝體
可靠度的關鍵因素。結果發現，對於翹曲現象的抑制，建議使用
較大厚度的玻璃基板與感測晶片；較小厚度的玻璃基板以及CTE
較小的ACF 能幫助降低金凸塊的等效塑應應變。對於整個構裝體
而言，ACF 對於金凸塊的等效塑應應變有極大的影響，也是影響
整個構裝體可靠度的最重要因子。所有的研究報告整理於[3]。
藉由統計方法的引入，在影響構裝體可靠度的眾多因子中，發
現混入多粒子填充物的膠體是最主要的關鍵，有更深入研究探討
的必要。然而，如果想要更深入的瞭解內部粒子對膠體以及金凸
塊所造成的影響，以目前大多數的分析只假設ACF 為一均質
（homogeneous）的彈性材料，有其不足之處。因此，需要有更適
當或更有效率的方法或模型。
1-2-2 電子構裝與光電封裝之構裝體
在以ACF 覆晶接合為主的構裝體中，除了在接合後所發生的
熱匹配問題與翹曲現象外，之後在各種可靠度的測試條件之下，
包括溫度循環測試（ temperature cycle test）、高溫水蒸氣壓測試
（pressure cook test）、高壓測試（autoclave test）等，絕大部分的
構裝體破壞模式都是因為ACF 的脫層。熱膨脹係數不匹配所引起
的熱應力是一個關鍵。此外，Mercado[4]等人指出濕氣也是導致
ACF 脫層破壞的一個重要因素。然而，ACF 內部的熱應力集中現
象、脫層、吸濕以及濕氣入侵的時效，導電粒子有絕對性的影響。
Frisk 及Ristolainen[5]探討晶片使用ACF 覆晶接合在可撓性基
板（flexible substrate）的構裝體，在溫度循環測試與恆濕測試
（ constant humidity test）下，ACF 內部導電粒子（conductive
particle）的不同對其可靠度的影響。實驗結果發現，在恆濕的測
試環境下，兩種分別加入不同粒子的ACF 皆沒有脫層現象產生；
在溫度循環測試下，雖然都產生脫層現象，但加入鍍金聚合物粒
子（gold-plated polymer particle）的ACF 表現明顯優於加入鎳粒子
（nickel particle）的ACF。由於不同粒子的添加對於膠體表現有不
同程度的影響，因此，具有含粒子填充物膠層的構裝結構，在其
可靠度分析中，合理的模擬多粒子效應有其必要性。
Yeung[6]等人利用有限元素法研究ACF 內有空孔（void）對於
構裝體的影響。文中指出晶片經由ACF 接合在基板之後，經由錫
球再與較大的配接件相連，因此必須經過迴焊（reflow）的動作，
此時ACF 內有空孔的話，將對構裝體有一定程度的影響。其研究
中假設不同位置出現的空孔，一個空孔出現在金凸塊與銅墊片之
間；另一個出現在兩個金凸塊之間。分析後發現出現在兩金凸塊
之間的空孔，其應力等級遠小於空孔出現在金凸塊與銅墊片之
間。分析結果也指出當空孔越小，在ACF 中間會有較大的應力集
中現象。當空孔大於導電粒子的大小時，應力集中將分佈在空孔
四角處，這些地方也是最初裂紋發生的地方。然而，這也僅限於
少數空孔與導電粒子的模擬，一旦想探討多數空孔對ACF 內部造
成的影響時，使用有限元素法模擬會有一定的困難性。因此發展
合適的微機械力學模型（micromechanics model）是必須的。
除了ACF 外，覆晶底膠也面臨同樣的問題。晶片與基板間的
接合情況影響了覆晶構裝體可靠度的表現。Vincent[7]等人藉由剪
力測試（shear test）研究兩種各加入不同粒子的覆晶底膠對接合表
現的影響。Park[8]等人利用數值模擬去探討含多粒子覆晶底膠與
晶片之介面的應力表現（interfacial stress）與破壞機制（fracture）。
其研究指出，對於一般均質覆晶底膠的假設，在分析上會有較保
守的結果，特別是在高應力集中的構裝體接合邊緣更必須考慮到
粒子的影響。
再者，錸寶科技份有限公司[9]也提出一種可以有效延緩水氣
以及氧氣入侵的有機電激發光顯示面板之封膠，目前已經申請專
利。專利中提到，於封膠中加入數個固狀物可以延長外界水氣與
氧氣於封膠中擴散路徑以及擴散時間，藉以提升面版的使用壽命
以及穩定度。此外，固狀物更可以避免封裝壓合時損壞了有機電
激發光元件（有機官能層），使有機電激發光元件能獲得一定程度
的保護。因此，更需要一個有效的分析模型與方法去描述固狀物
對於產品所產生的相關可靠度問題。
1-3 研究目的
藉由新型CMOS 影像感測構裝體的數值分析模擬結果與構裝
可靠度相關文獻報告，可以知道混入多粒子的異質性膠體在構裝
體可靠度的表現上扮演著非常重要的角色。然而，目前在構裝體
相關問題的分析上，最常使用的CAE 數值模擬對膠體的均質假設
並不能有效的反映出粒子填充物與膠體間的相互關係與對構裝體
可靠度的影響；粒子填充物的加入對於膠體的材料特性也不能清
楚的描述。因此，本研究希望以微觀力學計算模型為基礎，針對
混入多粒子的異質性膠體提出有效且實用的模擬方法。
在本研究中將發展可以有效探討異質性膠體相關力學特性的
數值模型；同時也提出能有效模擬與分析異質性膠體吸濕現象的
方法。藉由數值方法與數值模型的發展，可以深入研究混入的粒
子填充物本身的大小、分佈、排列、包覆薄層對膠體本身相關特
性的影響，更可以探討混入多粒子的異質性膠體在電子構裝與光
電封裝應用上因外力環境所引起的機濕熱相關問題。
本論文研究方法流程圖如圖1-7。
Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！
BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
ようこそＢｅｗｉｓｅ Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな
情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。
弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、
豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。
弊社は各領域に供給できる内容は：
（３）鎢鋼エンド・ミル設計
（４）航空エンド・ミル設計
（５）超高硬度エンド・ミル
（７）医療用品エンド・ミル設計
弊社の製品の供給調達機能は：
（４）オートメーション整備調達
弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。
Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.
BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.
BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.
留言列表
