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內嵌穿晶片導線三維晶片模組之熱應力分析及最佳化

利用系統整合的技術，如系統級封裝(System in Package, SiP)及系統單晶片(System on Chip, SoC)技術，可將不同功能之元件整合於單一晶片中，成為可提供多功能之封裝元件，然而微小化晶片使得散熱與結構之應力問題更為嚴重。本文主要探討三維影像處理晶片模組之熱應力問題，此晶片為採用穿晶片導線(Through-Silicon Via)佈線結構，由於在晶片內部因熱膨脹係數不匹配而產生應力集中現象。由於此晶片結構較為複雜，因此本文先針對晶片中影像感測模組部份，利用有限單元法進行熱-結構分析與幾何參數研究，以作為分析三維多晶片模組之參考依據，並利用紅外線熱像儀量測晶片表面溫度場，以驗證數值模型之正確性；接著本文以有限單元法模擬受熱負載之三維多晶片模組之結構穩態溫度與應力分佈。為減低結構之熱應力，本文以反應曲面法與田口法探討能有效提昇整體結構可靠度之最佳化設計，並比較兩種最佳化設計方法之差異性。

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構件在高頻諧和力作用下之數位光黏彈探討

在工程應用上光彈法已經被廣泛應用於求取工程構件內部應力及應變，本研究主要是以數位光彈法為基礎，運用光彈法的非接觸性、全域性及即時性量測的特質，針對一矩形構件在高頻諧和力作用下隨時間及溫度變化的應力分佈及應力波做一完整的研究。 由於光彈法是只適用於彈性理論及彈性範圍內，如果加入時間和溫度的效應勢必會有黏彈的效應發生，因此希望能利用拉伸試驗將拉伸機取得之實驗數據和光彈儀同步取得之實驗影像，藉由交叉比對的方式發展出一套數位光黏彈實驗及量測系統，再運用數位光黏彈系統分析矩形構件在高頻諧和力作用下隨時間及溫度變化的應力分佈及應力波。

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微波處理對多壁奈米碳管/環氧樹脂複合材料機械性質之影響

微波(microwave)是一種頻率介於300 MHz至300 GHz之間，波長範圍從1 m至1 mm之電磁波。與傳統加熱方式相比，微波加熱具備高速加熱、高熱效率、均勻加熱及選擇性加熱等優點。本研究以田口法L9(34)直交表規劃設計實驗，探討奈米碳管含量、預熱時間、微波功率及微波時間等因子對於微波硬化製程所製備奈米碳管/環氧樹脂複合材料的機械特性之影響，以拉伸試驗所獲得之楊氏模數及拉伸強度作為奈米碳管/環氧樹脂複合材料之品質特性，所找出最佳化的微波硬化製程參數為0.5 wt%之奈米碳管含量、90分鐘之預熱時間、90 W之微波功率及短(short)微波時間，在95%信心水準下所得之最佳預測值與驗證之實驗值信心區間有重疊；本研究並以微波後處理熱壓硬化製程所製備之複合材料，發現對於碳管含量1.0 wt%之複合材料而言，與未微波後處理比較，以微波功率270 W後處理10秒可提升楊氏模數達8.51%。本研究並以場發射掃描式電子顯微鏡觀察奈米碳管/環氧樹脂複合材料之拉伸斷面，發現拉伸強度較高之複合材料在拉伸斷面上其奈米碳管被拉出的長度較長。

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張開型裂縫成長方向的統計預測

金屬材料在承受張裂型負載之下，就材料破壞可能因素，在材料未破壞前推估其裂紋成長概率。 在本文中，所考慮的是塑性區的範圍以及塑性應變量對裂紋成長的影響，以此兩者為材料破壞因素推導概率公式。當材料承受張裂型(Mode I)負載，由有限元素法所提供關於裂縫尖端處附近之塑性應變範圍及此塑性區內的塑性應變量，加以累計求取各角度von Mises等效應變量，據此推導出合理之概率形式，並統計其裂縫可能發生成長角度之相對概率。 在忽略塑性應變量的影響下，塑性範圍相對較大之角度，其可能存在缺陷孔洞的可能亦相對較大，因此相對概率最大值會是在塑性區範圍最大之角度發生。若將塑性區內塑性應變量的變化列入考慮，則塑性應變較集中之方向其相對概率會相對提高，因此裂縫成長的方向必須同時考慮這二個因素。

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高功率氮化鎵發光二極體於雷射剝離後之晶圓翹曲分析

由於磊晶條件之限制，目前氮化鎵發光二極體(GaN light emitting diode, GaN LED)使用藍寶石(sapphire)做為基板材料，然藍寶石其導熱性極差，嚴重影響發光二極體之發光效率。為了改善此問題，將藍寶石移除並使用其他導熱性較佳之材料做為基板，為較常見之解決方法。藍寶石基板移除方法中，雷射剝離(laser lift-off)方法為最方便且最有效率之方法。雷射高溫使氮化鎵產生熱分解(thermal decomposition)進而使藍寶石與氮化鎵分離。 發光二極體晶圓由材料磊晶或沉積而成，若各材料間生長溫度差異過大，回到室溫之後，會因材料間熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion, CTE)不匹配而導致晶圓產生翹曲現象，將造成後段製程的困難。另外，雷射剝離時因藍寶石與氮化鎵間之應力受到釋放，不同的剝離方法將產生不同的力學行為，進而影響晶圓翹曲量。本論文利用有限元素法(finite element method, FEM)套裝軟體ANSYS®進行雷射熱傳以及晶圓翹曲之分析。 首先將建立兩吋晶圓之熱傳模型以模擬雷射剝離後之溫度場。藉由等效之熱通量載荷模擬雷射，並以雷射剝離實驗量測之溫度場結果，與有限元素之數值結果相對照，證明雷射等效熱通量之正確性。 本研究進一步為了解晶圓翹曲的力學特性，研究雷射剝離過程及材料厚度，對氮化鎵發光二極體晶圓翹曲之影響。利用製程模擬使模型具有製程後因熱膨脹係數不匹配所造成之應力，並分別以二維及三維模型，分析不同剝離方法對翹曲量之影響。以ANSYS®內溫度-熱應力耦合系統將熱傳模型之溫度結果帶入結構分析進行計算，結果顯示雷射所造成之內部高溫對剝離後翹曲值影響甚小。利用晶圓翹曲為二次多項式曲線之關係，兩吋晶圓之翹曲可由較小半徑模型之翹曲求得，以節省計算時間。由三維模型可觀察不同剝離路徑對翹曲量之影響，使用螺旋線剝離路徑約可使翹曲量下降7.7%。最後，根據本論文的研究，希望找出減少發光二極體晶圓翹曲之最佳製程方法，作為後續研究之依據。

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大型軸承剛性鑑別及一般軸承剛性計算

軸承為機械工業中常見的固定元件，用以承受軸的回轉與往復運動荷重，支撐軸的相對運動並降低摩擦的一項重要元件。而軸承在承受負載時，其中滾珠與內外環的接觸面間必然會互相接觸，因接觸所產生的應力與變形都將會影響軸承在運轉時的精度。隨著科技的發展，我們對於機械元件的精度要求也愈趨提高，為了改善軸承的精度與動態特性，因此本文的目的在於研究如何鑑別滾珠軸承的剛性，以期能夠掌握軸承的變形量與其動態特性。 　　首先本文以赫茲接觸理論（Hertz contact theory）為基礎推導滾珠接觸變形，再求取軸承受力與變形量的關係曲線，接著以靜態的實驗方式對軸承施加壓力以量測滾珠的變形量，由力量與變形量的關係求取剛性，並以動態的敲擊實驗藉由自然頻率位置計算軸承剛性以驗證靜態實驗的結果，以期能夠正確鑑別出滾珠軸承的剛性參數，提供軸承將來在設計與使用上的參考依據。 　　而由於滾珠無法為理論所假設的半無窮空間，因此在邊界拘束效應的影響下會使得理論值剛性被高估，而導致實驗值比理論值的變形量來得更高。由實驗的結果可以發現在定性上實驗值的變形量都會較理論值為高，而隨著滾珠尺寸的增大，其受力產生的變形相對較小，受壓所產生的接觸面積相對滾珠尺寸也較小，較為符合理論所假設的條件。因此在滾珠半徑較大與施加壓力較小的情況下，實驗值與理論值的差異則相對較小。

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LED構裝溫度量測與熱傳分析

發光二極體(Lighting Emitting Diode, LED) 具有體積小、耗電量小、壽命長及色彩豐富等優點，主要應用於液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)背光源、指示燈、汽車儀表版、煞車燈與交通號誌等，當功率及效率提升後，將很有機會取代傳統之照明設備。在此情形下，LED構裝之散熱效能將更為重要，而需予以深入研究。 本論文旨在提出一方法來分析LED構裝之散熱效能。首先利用紅外線熱像儀進行LED構裝表面溫度之量測，其結果並以熱電偶之量測結果予以驗證，而LED構裝表面之發射率係數並得藉以校正。接著建立了LED溫度敏感參數(temperature sensitive parameters, TSP)曲線之量測技術，並藉之可間接量得晶片接面溫度Tj。 本論文並利用有限單元分析軟體ANSYS®建立一精確之LED構裝三維有限單元熱傳分析模型，並採用了適當之發射率係數及熱對流/熱輻射邊界條件。由LED構裝晶片接面溫度及表面溫度分佈之比較，顯示本論文之模擬及實驗結果頗為脗合。 最後，本論文並利用發展之有限單元模型探討不同參數對於LED構裝散熱效能之影響，其中包括輸入功率、模封材料/引線框架之熱傳導係數及引線框架之幾何尺寸等。結果顯示若選擇LED構裝內適當之各項參數，將可有效降低晶片接面溫度，增加其使用壽命。

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靜磁力驅動單晶矽微掃描面鏡之扭矩強化設計

本論文藉由單晶矽具有高品質因子(Quality Factor)、高剛性及矽晶圓之拋光(Polish)面之特點，利用微機電製程技術製作一個以單晶矽為結構之雙軸微掃描面鏡，提出以靜磁力方式驅動元件；無須複雜導線分佈、電性連接、額外的磁鐵及軛鐵，僅需要提供磁超距力的載具即可。研究內容包含掃描面鏡設計準則的整理、靜磁力的理論介紹及動態系統推導，配合模擬與實驗來驗證其致動概念。除了藉由結構設計提高剛性與質量慣性矩比，以達成循序掃描之目的；亦調變矽基材上磁性材料的形狀來提升磁化量，以增加靜磁力輸出。元件特性量測方面，包含靜態方面的面鏡曲率半徑、鎳電鑄厚度、面鏡粗操度以及磁性材料不同形狀對扭矩之影響。動態方面則包含元件頻率響應、驅動功率與光學掃描角關係、磁化方向的影響以及掃描畫面的展示，以驗證此元件應用於投影顯示的可行性。

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光繞射於微結構黏著檢測之應用

現有的檢測黏著方法，如液體接觸角、粗糙度或懸臂樑陣列測試，皆必須間接依賴電子顯微鏡、三次元干涉儀等儀器記錄結構狀態，才能做判斷，固難以自動化。本論文提出一種可利用光學檢測黏著的機械結構，由懸浮與固定高度結構穿插構成。當黏著產生時，因懸浮結構貼於表面，致使結構間距較原間距大，其繞射光點間距會隨之變小；反之若無黏著時，結構間距則維持原設定，其光點間距較大。用此光學效果作黏著檢測，可由簡易的光學變化，直接判斷其黏著情形，實現快速檢測的目的，也提高機械自動量測的可行性。

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應用數位影像相關法探討人工網膜與動物筋膜之變形與機械性質

本研究應用數位影像相關 (Digital Image Correlation，DIC) 法，透過單軸向拉伸試驗，檢測Gynemesh、Marlex和Mersilene三種人工網膜(Artificial Mesh)的變形和機械性質，並與醫生合作進行活體動物實驗，將三種人工網膜植入兔子體內，於不同時期犧牲兔子，取出與兔子腹部筋膜結合的人工網膜進行拉伸試驗，且導入數位影像相關法分析試片之應變值，探討人工網膜植入兔子體內後機械性質的變化，期望有助於人工網膜在醫學臨床上的使用。 本研究將DIC法系統應用於多孔性結構之人工網膜與生物組織之兔子筋膜的變形量測，並由二維影像相關法進展到三維影像相關法，獲得較準確的分析結果。