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研究生： 許中興
Xu, Zhong-xing
論文名稱： 有限元素模擬探針參數之分析
A Simulation Study using Finite Element Method on Probe parametric Analysis
指導教授： 潘文峰
Pan, Wen-feng
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 69
中文關鍵詞： 模擬 、探針
外文關鍵詞： simulation, probe
相關次數： 點閱：96  下載：2 
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    • 探針和晶元的接觸問題，是晶圓測試的失敗關鍵之一，在測試較薄的銲墊時，是有可能下壓過深破壞晶元的現象，特別是在脆性材質低電性的銲墊測試時。因此，用3D的模型來模擬銲墊的受力與探針的力學行為，從以往到現在就一直是被工業界視為重要的研究主題，模擬分析出來的結果是用來當成探針與銲墊設計的重要前置作業。
    本論文是研究主要是探討銲墊的刮痕長度、銲墊的刮痕深度與銲墊所受到的最大應力，而改變的邊界條件有針測行徑、探針的彎曲角度、探針的直徑、探針的針長。本研究成果希望有助於探針卡中探針幾何形狀的設計並提供針測條件之選擇參考。

    One of the key failure in wafer testing is the contact problem between the probe and wafer. When the thinner probe pad is tested, the damage of the wafer is found for pressing the probe too deep. Especially, the brittle and low-conductivity material is tested. Therefore, up to now, the 3D model for simulating the mechanical behavior of the probe and probe pad is an important subject for industry. The result from the simulation analysis is used as the pre-operation for the design of the probe and probe pad.
    The major purpose of this thesis is to investigate the over-drive, probe angle, probe diameter and probe tip length of the probe pad subjected to maximum stress condition. The changeable boundary conditions are probe paths, probe bending angles, probe diameters and probe tip lengths of the probe pad. The analysis result can hopefully provide the design choice of condition of the probe geometrical shape.

    摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥I 英文摘要 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥II 目錄‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥III 表目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥V 圖目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥VI 第一章 緒論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1 1-1 研究動機‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1 1-2 簡介‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2 1-3 文獻回顧‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥5 1-4 研究目的‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7 第二章 塑性基本理論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 2-1 前言‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 2-2 非線性材料模型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 2-2-1 彈性-理想塑性材料模型(elastic perfectly-plastic mode)‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 2-2-2 分段線性材料模型（bilinear-hardening model）‥‥‥10 2-2-3 真應力應變曲線 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 2-3 von Mises 降伏準則 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13 2-4 彈塑性材料的應力應變關係 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16 第三章 有限元素法概論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18 3-1 有限元素法源起 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18 3-2 統御方式 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥19 3-3 ANSYS有限元素非線性基本演算法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥23 3-4 有限元素法於接觸問題之分析 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 第四章 針測過程的模擬數值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥29 4-1 介紹有限元素模型尺寸與材料性質(一) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥29 4-2 改變模型針測行程與探針的彎曲角度 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥33 4-3 介紹有限元素模型尺寸與材料性質(二) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥44 4-4 改變模型針測行程與探針直徑並與實驗對照 ‥‥‥‥‥‥‥47 4-5 介紹有限元素模型尺寸與材料性質(三) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥56 4-6 改變模型針測行程與探針針長 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥58 第五章 結論與未來的研究方向 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥65 5-1 結論 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥65 5-2 未來的研究方向 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥66 參考文獻 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥67 表目錄 表4-1 探針尺寸表格 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30 表4-2 模型各部位份組合 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31 表4-3 機械材料性質 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32 表4-4 應力vs.塑性變化 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32 表4-5 探針尺寸表格 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥45 表4-6 模型各部位份組合 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥45 表4-7 探針尺寸表格 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥56 表4-8 模型各部位份組合 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥57 圖目錄 圖1-1 探針卡產品定位說明圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2 圖1-2 探針卡技術發展趨勢圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3 圖1-3 全球及台灣探針卡產值圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4 圖2-1 彈性-理想塑性材料模型之應力-應變關係圖 ‥‥‥‥‥‥10 圖2-2 等向性硬化材料模型之應力-應變關係圖‥‥‥‥‥‥‥‥11 圖2-3 動態性硬化材料模型之應力-應變關係圖‥‥‥‥‥‥‥‥12 圖3-1 物體位移示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 圖3-2 線性F及x關係圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥23 圖3-3 非線性F及x關係圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥23 圖3-4 Newton-Raphson Method 疊代示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥24 圖3-5 複雜行為疊代示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 圖3-6 節點對節點（node to node）接觸示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥27 圖3-7 節點對面（surface to surface）接觸示意圖 ‥‥‥‥‥28 圖3-8 接觸剛性接觸示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥28 圖4-1 探針模型尺寸圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30 圖4-2 探針、銲墊網格圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31 圖4-3 銲墊材料多線性運動硬化示意圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥33 圖4-4 為探針的彎曲角度102°，銲墊上升25 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35 圖4-5 為探針的彎曲角度102°，銲墊上升50 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35 圖4-6 為探針的彎曲角度102°，銲墊上升75 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥36 圖4-7 為探針的彎曲角度104°，銲墊上升25 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥36 圖4-8 為探針的彎曲角度104°，銲墊上升50 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥37 圖4-9 為探針的彎曲角度104°，銲墊上升75 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥37 圖4-10 為探針的彎曲角度106°，銲墊上升25 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥38 圖4-11 為探針的彎曲角度106°，銲墊上升50 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥38 圖4-12 為探針的彎曲角度106°，銲墊上升75 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥39 圖4-13 為探針的彎曲角度102°、104°及106°，銲墊上升25 、50 、75 對銲墊刮痕長度的影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40 圖4-14 為探針的彎曲角度102°、104°及106°，銲墊上升25 、50 、75 對銲墊刮痕深度的影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40 圖4-15 為探針的彎曲角度102°、104°及106°，銲墊上升25 、50 、75 對銲墊最大壓力影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41 圖4-16 為銲墊上升25 、50 及75 ，探針的彎曲角度為102°、104°、106°對銲墊刮痕長度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41 圖4-17 為銲墊上升25 、50 及75 ，探針的彎曲角度為102°、104°、106°對銲墊刮痕深度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42 圖4-18 為銲墊上升25 、50 及75 ，探針的彎曲角度為102°、104°、106°對銲墊最大壓力影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42 圖4-19 銲墊上升行徑增加，探針的應力變化ANSYS分析圖 ‥‥43 圖4-20 實驗的探針模型尺寸圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46 圖4-21 實驗數據圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46 圖4-22 探針模型圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46 圖4-23 為探針直徑100 ，銲墊上升30 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥48 圖4-24 為探針直徑100 ，銲墊上升55 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥49 圖4-25 為探針直徑100 ，銲墊上升80 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥49 圖4-26 為探針直徑125 ，銲墊上升30 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥50 圖4-27 為探針直徑125 ，銲墊上升55 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥50 圖4-28 為探針直徑125 ，銲墊上升80 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥51 圖4-29 為探針直徑150 ，銲墊上升30 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥51 圖4-30 為探針直徑150 ，銲墊上升55 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52 圖4-31 為探針直徑150 ，銲墊上升80 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52 圖4-32 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針直徑為100 、125 、150 對刮痕長度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥53 圖4-33 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針直徑為100 、125 、150 對銲墊刮痕深度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54 圖4-34 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針直徑為100 、125 、150 對銲墊最大壓力影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54 圖4-35 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針直徑為100 、125 、150 實際探針測試與模擬數據之銲墊刮痕長度比較圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55 圖4-36 探針模型尺寸圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥57 圖4-37 為探針針長225 ，銲墊上升30 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥59 圖4-38 為探針針長225 ，銲墊上升55 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥59 圖4-39 為探針針長225 ，銲墊上升80 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥60 圖4-40 為探針針長275 ，銲墊上升30 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥60 圖4-41 為探針針長275 ，銲墊上升55 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥61 圖4-42 為探針針長275 ，銲墊上升80 、刮痕與銲墊應力之ANSYS分析圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥61 圖4-43 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針針長為225 、250 、275 對刮痕長度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥62 圖4-44 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針針長為225 、250 、275 對銲墊刮痕深度影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥63 圖4-45 為銲墊上升30 、55 及80 ，探針針長為225 、250 、275 對銲墊最大壓力影響圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥63

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    下載圖示 校內：2010-01-22公開
    校外：2010-01-22公開
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