JP2007073859A - 信頼性解析システムおよび信頼性解析方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 設計した熱負荷条件に適う材料（樹脂）、構造（パッケージ寸法）について製造プロセスで受ける熱履歴を考慮した信頼性解析を多重化して行って最適なものを選択する信頼性解析システムおよび信頼性解析方法を提供する。
【解決手段】 パッケージの信頼性を解析するためにまず製造プロセス解析シミュレーション部１０で製造プロセス解析シミュレーションを実施して解析し、ついで信頼性評価解析シミュレーション部２０で信頼性評価解析シミュレーションを実施して解析する。それぞれのシミュレーション解析結果を、逐次、製造プロセスに反映させてパッケージを製造し、製造したパッケージを出荷判定部３０で出荷可能かを最終的に判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信頼性解析システムおよび信頼性解析方法に関し、特に、設計した熱負荷条件に適う材料（樹脂）、構造（パッケージ寸法）について製造プロセスで受ける熱履歴を考慮した信頼性解析を多重化して行って最適なものを選択する信頼性解析システムおよび信頼性解析方法に関する。
従来、ＩＣパッケージを製造する場合、用いる樹脂の物性値は樹脂メーカが提供するものを使用し樹脂の物性値は変わらない(温度依存性程度)として設計して製造し、製造した種々のＩＣパッケージのサンプルを取り出して製造プロセスの評価および解析を行っていた。また製造した種々のＩＣパッケージのサンプルに対して信頼性評価を行い、信頼性評価の結果をフィードバックして製造プロセスの評価及び解析に繋げるようにしていたため信頼性評価を含めるとＩＣパッケージの設計、製造、評価解析には長い日数（通常、数ケ月〜半年）を要するのが一般的であった。製造したＩＣパッケージの信頼性評価を行う場合に、計算機模擬によって信頼性評価のための試験を実施することも知られている（特許文献１参照）。
図７は、従来から知られたＩＣパッケージ製造プロセスの概要を説明するための工程図である。図７に示したＩＣパッケージの製造プロセスは、ＩＣにＡｕ１次バンプを形成する工程４１および樹脂基板をプラズマ洗浄する工程４２を含み、プラズマ洗浄した樹脂基板をマガジン化してローダ４３を介して搬送供給すると共に搬送供給された樹脂基板に対し特殊トレイに載せたＩＣを供給して超音波(Ultra Sonic：以下、ＵＳと略す)接合する工程４４、ＵＳ接合した樹脂基板とＩＣ間にアンダーフィル(Under Fill）する工程４５、アンダーフィル(Under Fill）した樹脂基板及びＩＣを恒温ストッカ、恒温槽等で１次及び２次キュアする工程４６，４７、２次キュアした樹脂基板及びＩＣに対し樹脂封止する工程４８、樹脂封止されたＩＣをマガジンから切断する工程４９、切断された樹脂封止されたＩＣにＡｕ２次バンプを形成する工程５０を経ることによりＩＣパッケージが製造されていた。そしてＩＣパッケージに対し信頼性評価６０を行い、信頼性評価６０をクリアしたＩＣパッケージを出荷するようにしている。なお、信頼性評価６０における信頼性試験としては、図７左下に示すように冷熱衝撃試験、吸湿試験、機械サイクル試験、落下衝撃試験を行うものとされており、冷熱衝撃試験では、例えば温度条件（−６０℃〜１２５℃）を１０００サイクル実施して熱負荷を与えたりしている。
特開２０００−４６９０５号公報
ＩＣパッケージの製造プロセスでは図７に見られるように、ＵＦ(Under Fill）塗布、１次及び２次キュアなどの工程を含め何度も熱負荷が当該材料（樹脂）に加えられるため、反り、クラックなどが発生し、適材と見込んだ材料（樹脂）であっても２次バンプが形成できない、また製造したＩＣパッケージが反りによりマザーボードに実装できないなどの不具合がしばしば起こっていた。
その原因としては、製造プロセスシミュレーションを実行してからＩＣパッケージを製造するようにしても製造プロセスシミュレーションでは、温度依存のヤング率、耐応力緩和特性、線膨張係数を入力情報とする程度なので、樹脂が焼けて収縮を起すなどＩＣパッケージを製造するまでに熱履歴が繰り返されて樹脂の物性値が変わる現象については製造プロセスシミュレーションに反映されていないことが挙げられる。このように熱履歴が考慮されずに製造プロセスを経てＩＣパッケージが製造されていたために予想していなかった現象が起こって実使用に耐えるものを開発するのに長い月日を必要としていた。
またＩＣパッケージの製造プロセスではＩＣパッケージに外見上の傷などが見受けられなくても出荷前に実施される信頼性を評価する各種試験によってさらに熱負荷を含む負荷が加えられるため不良(ＮＧ)になってしまうという課題があった。
さらにＩＣパッケージの製造プロセスで問題をクリアしたものしか信頼性評価に回らないため、ＩＣパッケージの設計、製造、評価解析には長い日数を要するという課題があった。
上記のような課題を解決するために本発明は、設計した熱負荷条件に適う材料（樹脂）、構造（パッケージ寸法）について製造プロセスで受ける熱履歴を考慮した信頼性解析を多重化して行って最適なものを選択する信頼性解析システムおよび信頼性解析方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、樹脂材料の熱や湿度に対する時間、温度依存の変化を物性データとして格納するデータベースと、設定したパッケージモデル及びプロセス条件を元に製造工程にしたがって前記データベースから物性データを取り込んで前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算しパッケージの熱履歴適性を解析する製造プロセス解析部と、設定した信頼性評価条件を元に前記データベースから物性データを取り込んで前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算しパッケージの熱履歴適性を解析する信頼性評価解析部を備えることを特徴とする。
本発明によれば、設計した熱負荷条件に適う材料（樹脂）、構造（パッケージ寸法）について製造プロセスで受ける熱履歴を考慮した信頼性解析を多重化して行って最適なものを選択することができるとともに試作回数、費用を削減できる。また本発明によれば、パッケージの材料特性にマッチしたパッケージの構造をフィードバックにより決定することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る信頼性解析システムの概略構成を示すブロック図である。図１において本発明の実施形態に係る信頼性解析システムは、製造プロセス解析シミュレーション部１０と信頼性評価解析シミュレーション部２０と出荷判定部３０とから構成される。製造プロセス解析シミュレーション部１０は、熱履歴を考慮した製造プロセス解析シミュレーションを実施し、信頼性評価解析シミュレーション部２０は熱履歴を考慮した信頼性評価解析シミュレーションを実施する。パッケージの信頼性を解析するためにまず製造プロセス解析シミュレーション部１０で製造プロセス解析シミュレーションを実施して解析し、ついで信頼性評価解析シミュレーション部２０で信頼性評価解析シミュレーションを実施して解析する。それぞれのシミュレーション解析結果を、逐次、製造プロセスに反映させてパッケージを製造し、製造したパッケージを出荷判定部３０で出荷可能かを最終的に判定する。出荷判定部３０は上記信頼性評価解析シミュレーションで実施されなかった信頼性評価項目、例えば機械サイクル試験、落下衝撃試験等について実施し出荷可能かを最終判定する。なお、パッケージとしてはＩＣパッケージを例にして説明するが、ＬＳＩパッケージであってもよい。
図２は、図１に示した本発明の実施形態における製造プロセス解析シミュレーション部の構成を示すブロック図である。図２に示すように本発明の実施形態における製造プロセス解析シミュレーション部は、製造プロセス条件などに係る製造プロセスデータを設定する製造プロセスデータ設定手段１１と、材料（樹脂）の熱履歴を考慮した物性値を格納し出力する材料データベース１２と、パッケージの構造（寸法など）をモデルデータとして出力するシミュレーションモデル設定手段１３と、設定したモデルデータ及び製造プロセスデータを元に各温度、時間依存の物性値を材料データベース１２から取り込んで有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位（例えばチップ表面、バンプ界面など）に掛かる反り又は応力（以下、ストレスと称する）などを計算し解析する計算実行解析手段１４と、解析の結果、パッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値（例えば材料の破壊靭性値）を超えるかを判定する結果判定手段１５を備えて構成されている。なお、上記した有限要素法を用いる場合には、パッケージの特定部位（例えばチップ表面、バンプ界面など）を要素番号もしくは節点番号によって指定することができる。そして結果判定手段１５による結果判定でパッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値を超えると判定した場合には、製造プロセスデータ設定手段１１にフィードバックし設定した製造プロセスデータを参考にしてパッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値を超えない物性値を材料データベース１２から得るか或はシミュレーションモデル設定手段１３からモデルデータで使用した構造（寸法など）を変えて製造プロセスシミュレーション解析を再び実行する。なお、材料データベース１２は温度依存のヤング率、耐応力緩和特性、線膨張係数だけでなく吸湿膨張、熱収縮などの樹脂材料の熱履歴に係る物性をデータベース化したものであり、例えば図３Ａ及び図３Ｂに示すように、樹脂材料サンプルが製造プロセスで受けると予測される熱履歴に対応して硬化収縮率を事前に把握し数値データ化して格納するものである。
図３Ａは、樹脂材料サンプルＡ，Ｂの経過時間毎の硬化収縮率（％）を示した表であり、図３Ｂは、樹脂材料サンプルＡ，Ｂの経過時間毎の硬化収縮率（％）を示した折れ線グラフである。図３Ａ及び図３Ｂにおいて樹脂材料サンプルＡ，Ｂについての硬化収縮率（％）は、測定開始（０Ｈ）から４Ｈ、１２Ｈ、２４Ｈ、４８Ｈ、１６８Ｈが経過した各経過時間について硬化収縮率(％)を計測し数値データ（％）を得るとともにそれを折れ線グラフで示したものであり、樹脂材料サンプルＡ，Ｂとも１６８Ｈ後ではほぼ同じ硬化収縮率（％）（約0.11％収縮）となるものの、途中の経過時間、例えば４Ｈ、１２Ｈ、２４Ｈ、４８Ｈでは樹脂材料サンプルＡ，Ｂの硬化収縮率（％）に違いがあること、すなわち一方が膨張なら他方が収縮、を示すものであり、経過時間における収縮率データ（％）を物性値の１ファクタとして温度依存のヤング率、耐応力緩和特性、線膨張係数などに加えて図２に示す材料データベース１２に格納するようにしている。このように、図３Ａ及び図３Ｂの硬化収縮率の表およびグラフは、樹脂材料サンプルが製造プロセス上で焼けて収縮を起こして物性が変わることを示しており、図２に示す材料データベース１２に物性値としてあらかじめ蓄えておくものである。
図４は、図１に示した本発明の実施形態における信頼性評価解析シミュレーション部の構成を示すブロック図である。図４に示すように本発明の実施形態における信頼性評価解析シミュレーション部は、材料（樹脂）の熱履歴を考慮した物性値を格納し出力する材料データベース２１と、信頼性評価試験条件データを設定する信頼性評価試験条件データ設定手段２２と、設定された信頼性評価試験条件データを元に材料データベース２１から材料（樹脂）の熱履歴を考慮した物性データを取り込んで有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位に掛かるストレスなどの信頼性評価に係る計算を実行しパッケージの熱履歴適性を解析する計算実行解析手段２３と、解析の結果、パッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値（例えば樹脂材料の破壊靭性値）を超えるかを判定する結果判定手段２４を備えて構成されている。そして結果判定手段２４による結果判定でパッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値を超えると判定した場合には、信頼性評価試験条件データ設定手段２２にフィードバックして設定した信頼性評価試験条件データを参考にしてパッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値を超えない物性データを材料データベース２１から取り込むとともに信頼性評価試験条件データを再び取り込んで信頼性評価試験解析をやり直す。ここで図４に示した材料データベース２１は、図２に示した材料データベース１２と共用するものであってよいし又は別個に設けるものであってもよい。なお図示していないが、結果判定手段２４による結果判定でパッケージの特定部位に掛かるストレスが閾値を大きく超えると判定した場合には、図２に立ち戻って製造プロセス解析シミュレーションから再度実施しそれを踏まえて図４における信頼性評価解析シミュレーションを再度実施して最適なパッケージを得るようにする。
図５は、本発明の実施形態に係る信頼性解析方法の概要を説明するためのフローチャートである。図５においてステップ（図ではSと略記）１では、図２に示した製造プロセスデータ設定手段１１から製造プロセスに係るプロセス条件(製造プロセスデータ)及びシミュレーションモデル設定手段１３から寸法(モデルデータ)並びに図４に示した信頼性評価試験条件データ設定手段２２に信頼性評価試験条件を設定するとともに設定されたプロセス条件(製造プロセスデータ)、寸法(モデルデータ)並びに材料データベース１２から構成材料に関する吸湿膨張、熱収縮などを含む物性データを取得する。
ステップ２ではステップ１で設定したプロセス条件、寸法(モデルデータ)と、材料データベース１２に格納されている各工程に係る温度、時間依存の物性データを計算機上に取り込んで有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位に掛かるストレスについて計算し解析する製造プロセス解析シミュレーションを実行する。そしてステップ３では製造プロセスにおけるパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値（例えば構成材料の破壊靭性値）以内かを判定しパッケージの熱履歴適性を判定する。ここでパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値を超えている場合にはパッケージの熱履歴適性を欠くことになるのでステップ１に戻り、再度、寸法、構成材料、プロセス条件などを選択的に変更してステップ２および３を実行する。
ステップ３における判定でパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値内に収まっている場合にはパッケージの熱履歴適性があるとしてステップ４に進む。ステップ４では信頼性評価解析シミュレーションを実行する。信頼性評価解析シミュレーションではステップ１で設定した信頼性評価試験条件に基づいて冷熱衝撃試験、吸湿試験等に関して材料データベース２１に格納されている各温度、時間依存の物性データを計算機上に取り込んで有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位に掛かるストレスを計算し解析する信頼性評価解析シミュレーションを実行する。その後、ステップ５において信頼性評価におけるパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値（例えば構成材料の破壊靭性値）以内かを判定する。ここでパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値を大きく超えている場合にはパッケージの熱履歴適性を欠くことになるのでステップ１に戻り、信頼性評価試験条件における信頼性評価解析の結果から再度、寸法、構成材料、プロセス条件などを選択的に変更してステップ２〜４を実行する。ステップ５における判定でパッケージの特定部位に掛かるストレスが所定の閾値内に収まっている場合にはパッケージの熱履歴適性があるとしてステップ６に進み、ここにおいて上記信頼性評価解析シミュレーションで実施されなかった信頼性評価項目、例えば機械サイクル試験、落下衝撃試験などを実施し、これをクリアすることで最適パッケージ（PKG）を得ることができる。
図６は、本発明の実施形態に係る信頼性解析方法を詳しく説明するためのフローチャートである。図６においてパッケージの設計者がパッケージの信頼性解析を実行するためまずステップ（図ではSと略記）１１において図５で説明したように図２に示した製造プロセスデータ設定手段１１から製造プロセスに係る製造プロセスデータ及びシミュレーションモデル設定手段１３からモデルデータ(寸法)並びに図４に示した信頼性評価試験条件データ設定手段２２に信頼性評価試験条件を設定して製造プロセス解析・信頼性評価解析を開始する。ステップ１２では設定された上記製造プロセスデータ及びモデルデータ(寸法)並びに材料データベース１２から構成材料に関する吸湿膨張、熱収縮などを含む物性データを取得する。ついでステップ１３では、製造プロセスの各工程に準拠して材料データベース１２から得た各温度、時間依存の物性データを取り込んで計算機上で有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位に掛かるストレスを計算し解析する。そしてステップ１４ではステップ１３における計算結果が所定の閾値（例えば構成材料の破壊靭性値）以内かを判定し、判定結果がNoである場合にはパッケージの熱履歴適性を欠くことになるのでステップ１２に戻り、再度、上記各種条件を変更しその上で各種条件を選択的に取得してステップ１２および１３を実行する。
ステップ１４における判定結果がYesである場合には製造プロセス解析段階ではパッケージの熱履歴適性があるものとしてステップ１５に進んで信頼性評価解析を開始する。そしてステップ１６においてステップ１１で設定された信頼性評価試験条件データを、また材料データベース２１に納められている各温度、時間依存の物性データを取り込む。次いでステップ１７では冷熱衝撃試験、吸湿試験等について計算機上で有限要素法などの計算法を用いてパッケージの特定部位に掛かるストレスについて計算し解析する。そしてステップ１８ではステップ１７における計算結果が所定の閾値（例えば構成材料の破壊靭性値）以内かを判定し、判定結果がNoである場合にはパッケージの熱履歴適性を欠くことになるのでステップ１１またはステップ１５に戻り、初期設定した信頼性評価試験条件を参考に信頼性評価解析の結果から再度、製造プロセスを含む各種条件を変更しその上で各種条件を選択的に取得してステップ１１以降またはステップ１５以降を実行する。ステップ１８における判定結果がYesである場合にはパッケージの熱履歴適性があるとして次ステップに進む。次ステップでは図示していないが上記信頼性評価解析シミュレーションで実施されなかった信頼性評価項目、例えば機械サイクル試験、落下衝撃試験などを実施し、これをクリアすることで最適パッケージ（PKG）を得ることができる。
本発明の実施形態に係る信頼性解析システムの概略構成を示すブロック図である。 図１に示した本発明の実施形態における製造プロセス解析シミュレーション部の構成を示すブロック図である。 樹脂材料サンプルＡ，Ｂの経過時間毎の硬化収縮率を示す表である。 樹脂材料サンプルＡ，Ｂの経過時間毎の硬化収縮率を示す折れ線グラフである。 図１に示した本発明の実施形態における信頼性評価解析シミュレーション部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る信頼性解析方法の概要を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る信頼性解析方法を詳しく説明するためのフローチャートである。 従来から知られたＩＣパッケージ製造プロセスの概要を説明するための工程図である。
符号の説明
１０ 製造プロセス解析シミュレーション部
１１ 製造プロセスデータ設定手段
１２ 材料データベース
１３ シミュレーションモデル設定手段
１４ 計算実行解析手段
１５ 結果判定手段
２０ 信頼性評価解析シミュレーション部
２１ 材料データベース
２２ 信頼性評価試験条件データ設定手段
２３ 計算実行解析手段
２４ 結果判定手段
３０ 出荷判定部

Claims (5)

  1. 材料の熱や湿度に対する時間、温度依存の変化を物性データとして格納するデータベースと、設定したパッケージモデル及びプロセス条件を元に製造工程にしたがって前記データベースから物性データを取り込んで前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算しパッケージの熱履歴適性を解析する製造プロセス解析部と、設定した信頼性評価条件を元に前記データベースから物性データを取り込んで前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算しパッケージの熱履歴適性を解析する信頼性評価解析部を備えることを特徴とする信頼性解析システム。
  2. 前記製造プロセス解析部は、前記データベースから前記製造工程における時間、温度依存に係る前記物性データを取り出し、所定の計算法で前記モデルの特定部位に掛かるストレスの値を求め、当該ストレスの値によってパッケージの熱履歴適性を解析する機能を有することを請求項１記載の信頼性解析システム。
  3. 前記製造プロセス解析部における前記ストレスの値が所定の閾値を超えた場合には、前記製造プロセス解析部は、前記データベースに格納された材料を変えるか、条件設定した前記パッケージモデルを変えるか、または、設定した前記プロセス条件を変えて前記閾値を下回る物性データを算出するかのいずれかを選択できる機能を有することを特徴とする請求項１記載の信頼性解析システム。
  4. モデルデータ、プロセス条件、信頼性評価試験条件を設定すると共に設定したモデルデータ、プロセス条件並びに製造工程に係る温度、時間依存の物性データを取得するステップと、取得した前記プロセス条件、前記モデルデータ及び前記物性データを計算機上に取り込んで製造プロセスにおける前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算し解析するステップと、製造プロセスにおける前記ストレスが所定の閾値以内かを判定しパッケージの熱履歴適性を判定するステップと、設定した信頼性評価試験条件に係る各温度、時間依存の物性データを計算機上に取り込んで信頼性評価における前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算し解析するステップと、解析した前記ストレスが所定の閾値以内かを判定するステップと、解析した前記ストレスが所定の閾値以内に収まっていた場合にパッケージの熱履歴適性があると判定するステップを含むことを特徴とする信頼性解析方法。
  5. パッケージの信頼性を解析するプログラムであって、コンピュータに、モデルデータ、プロセス条件及び信頼性評価試験条件を入力する手順と、入力したモデルデータ、プロセス条件並びにデータベースから製造工程に係る温度、時間依存の物性データを取得する手順と、取得した前記プロセス条件、前記モデルデータ及び前記物性データを元に製造プロセスにおける前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算し解析する手順と、解析した前記ストレスが所定の閾値以内かを判定しパッケージの熱履歴適性を判定する手順と、入力した信頼性評価試験条件に係る各温度、時間依存の物性データを前記データベースから取得する手順と、信頼性評価における前記モデルの特定部位に掛かるストレスを計算し解析する手順と、解析した前記ストレスが所定の閾値以内かを判定する手順と、解析した前記ストレスが所定の閾値以内に収まっていた場合にパッケージの熱履歴適性があると判定する手順を実行させるための信頼性解析プログラム。
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