陸 偉
(中國電子科技集團公司第三十六研究所, 浙江 嘉興 314033)
某EBGA器件的失效分析
陸 偉
(中國電子科技集團公司第三十六研究所, 浙江 嘉興 314033)
文中針對某一批次失效率較高的增強型球柵陣列(Enhanced Ball Grid Array, EBGA)器件進行了失效分析。根據(jù)產(chǎn)品的失效現(xiàn)象,假設EBGA器件失效由焊接原因或器件本身的質(zhì)量問題引起,進行了焊接溫度檢測、焊點外貌檢查、X射線檢測、紅墨水浸漬實驗、重回流實驗和重植球再焊實驗。此系列實驗證明該批次EBGA器件的失效并非由虛焊和“混合焊”等焊接原因引起。在上述實驗結(jié)果(證明EBGA器件焊接可靠)基礎上,進一步通過EBGA更換實驗,證明該批次EBGA器件失效是由器件本身的質(zhì)量問題引起的。
失效分析;虛焊;混合焊
增強型球柵陣列(Enhanced Ball Grid Array, EBGA)是一種特殊結(jié)構(gòu)形式的封裝技術(shù),它直接將芯片粘結(jié)在金屬散熱層上,熱量經(jīng)粘結(jié)層直接傳輸?shù)酵饨?,向下設計的封裝腔可縮短信號傳輸路徑,同時電源層與地線層分離的多層基板結(jié)構(gòu)進一步減小了線路對高頻信號傳輸?shù)母蓴_[1]。EBGA器件的上述良好特性滿足了某信號處理板高功率、高頻的要求,因此被選為其核心器件DSP。
在生產(chǎn)調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)某一批次的信號處理板失效率明顯高于其他批次,且失效主要集中在EBGA器件上。因此,為保證產(chǎn)品質(zhì)量,確保產(chǎn)品的可靠性,需對該批次的失效產(chǎn)品進行分析,找出問題根源。
一般而言,導致器件失效的原因可分為2類:焊接原因和來料器件本身的質(zhì)量問題。業(yè)界一般采用金相切片、SEM、EDS等檢測手段對焊點、器件進行失效分析,從而找出失效原因[2-8]。目前,因缺乏相應的專業(yè)檢測設備,也無匹配的EBGA器件測試座,所以無法直接對來料器件進行檢測,器件的性能須待器件電裝至印制板后才可通過整板調(diào)試進行檢測。本文針對上述情況,結(jié)合現(xiàn)有的檢測手段,設計并進行了一整套實驗,對2種失效原因進行了假設驗證,對實驗結(jié)果進行分析,從而找出失效原因。
文中的EBGA器件為無鉛器件,綜合考慮信號處理板上其他有鉛元器件的耐溫等因素,采用印制板絲印有鉛焊膏(63Sn/37Pb),并采用貼裝器件后進回流爐再流焊的方式焊接,有鉛焊料與無鉛元器件焊接形成向后兼容焊點(BWC焊點),該種焊接方式被稱為“混合焊”[9-10]。
信號處理板的調(diào)試結(jié)果顯示,某一批次EBGA器件失效率較高,失效現(xiàn)象主要有2種: EBGA器件“掛不上”,即信號處理板調(diào)試時在程序里找不到該器件; EBGA器件可以“掛上”,但調(diào)試“跑”程序時,經(jīng)常出現(xiàn)死機現(xiàn)象。
2.1 理論分析
導致器件失效的原因可歸為2類:焊接原因和器件本身的質(zhì)量問題。
假設EBGA器件失效是由焊接原因造成的,則根據(jù)對失效現(xiàn)象的分析可知,導致器件失效的焊接原因可在于2個方面:因焊接溫度不足,EBGA器件焊點存在虛焊,導致焊點失效;“混合焊”的焊接方式使焊點失效。
假設EBGA器件失效是由器件本身的質(zhì)量問題造成的,則在確定焊接可靠的條件下,更換另一批次的質(zhì)量合格器件,該失效問題應可得到解決。
針對上述2種假設,設計了以下實驗對其進行驗證。
2.2 實驗驗證
2.2.1 焊接溫度檢測
信號處理板的回流溫度曲線參數(shù)見表1,EBGA器件焊接面四腳及中心焊點的實測焊接溫度均在217 ℃左右,達到無鉛焊料的融化溫度。
表1 回波溫度曲線參數(shù) ℃
溫度參數(shù)溫區(qū)1溫區(qū)2溫區(qū)3溫區(qū)4溫區(qū)5溫區(qū)6溫區(qū)7溫區(qū)8溫區(qū)9溫區(qū)10頂部溫區(qū)設定溫度130150160170175185185220260245設定溫度公差上限5555555555設定溫度公差下限5555555555底部溫區(qū)設定溫度130150160170175185185220260240設定溫度公差上限5555555555設定溫度公差下限5555555555
2.2.2 焊點形貌檢查
選取10塊EBGA器件失效的信號處理板,用焊點檢查儀檢查失效EBGA器件的外層焊點。檢查結(jié)果顯示, EBGA器件外層焊點塌陷良好,并無明顯虛焊現(xiàn)象,如圖1所示。
圖1 焊點形貌
2.2.3 X射線檢測
選取10塊EBGA器件失效的信號處理板,進行X射線檢測。檢測結(jié)果顯示, 焊點均無明顯的虛焊現(xiàn)象,但焊點中存在較多空洞,如圖2所示??斩词怯杉訜崞骷稿a中夾雜的空氣或助焊劑等化合物的膨化引起的[11-12]。因材料本身的特性,無鉛焊料焊接后形成的焊點中空洞現(xiàn)象尤為明顯。
圖2 X射線檢測
2.2.4 紅墨水浸漬實驗
為進一步驗證失效EBGA器件的焊點是否存在虛焊現(xiàn)象,進行了紅墨水浸錫實驗。將EBGA器件失效的信號處理板用清洗液清洗干凈后完全浸漬于紅墨水中,待紅墨水干涸后垂直分離EBGA器件與PCB板,實驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 紅墨水浸錫實驗
由實驗結(jié)果可知,EBGA器件與PCB板間形成的焊點斷裂層并未被染色,說明焊點不存在虛焊。同時,實驗發(fā)現(xiàn),焊點斷裂絕大部分發(fā)生在焊球與EBGA器件之間,焊球與PCB板間形成的焊點較焊球與EBGA器件芯片間形成的焊點牢固。
2.2.5 重回流實驗
選取10塊EBGA器件失效的信號處理板,用BGA返修臺對EBGA器件重新加熱回流。實驗樣本分為2組:樣本1,5塊為一組,焊接溫度比表1中的焊接溫度高5 ℃;樣本2,另5塊為一組,焊接溫度比表1中的焊接溫度高10 ℃。由實驗結(jié)果可知,2組樣本重回流后,其EBGA器件均依然失效。重回流實驗結(jié)果再次驗證了EBGA器件的失效并非由焊點虛焊引起。
2.2.6 重植球再焊實驗
為驗證EBGA器件失效是否由“混合焊”引起,進行了EBGA器件重植球再焊實驗。選取10塊EBGA器件失效的信號處理板,采用BGA返修臺解焊取下EBGA器件。將EBGA器件上原有的焊料清理干凈,并重新植上有鉛焊球(63Sn/37Pb),將重植球的EBGA器件焊接到信號處理板上。因EBGA器件焊球材料與焊膏材料一致(均為有鉛焊料),此時的焊接方式即為傳統(tǒng)的有鉛焊接方式。經(jīng)調(diào)試,10塊信號處理板中僅有1塊恢復正常工作,其余依然失效。排除實驗的偶然性,可以確定EBGA器件的失效并非由“混合焊”引起。
2.2.7 EBGA更換實驗
由上述實驗結(jié)果可知,EBGA器件的焊接可靠。在此基礎上,為驗證EBGA器件失效是否由器件本身的質(zhì)量問題引起,進行了EBGA器件更換實驗。選取10塊EBGA器件失效的信號處理板,采用BGA返修臺解焊取下EBGA器件,再將新批次的EBGA器件重新焊接到信號處理板上(溫度曲線與表1一致,焊接方式仍為“混合焊”)。經(jīng)調(diào)試,10塊信號處理板中9塊板子均恢復正常工作,僅1塊板子仍然失效。因EBGA器件在拆、換過程中對印制板焊盤造成了機械損傷,所以該塊信號處理板仍然失效。因此,由實驗結(jié)果可知,EBGA器件失效的原因為該批次器件本身存在質(zhì)量問題。
2.3 實驗結(jié)論
焊接溫度檢測、焊點形貌檢查、X射線檢測、紅墨水浸漬實驗、重回流實驗及重植球再焊實驗均驗證了焊接原因?qū)е翬BGA器件失效的假設不成立。在此基礎上展開的EBGA更換實驗驗證了器件本身的質(zhì)量問題導致EBGA器件失效的假設成立。因此,該批次EBGA器件的失效并非由焊接原因引起,而是由器件本身的質(zhì)量問題引起的。
該批次EBGA器件的庫房貯存時間較久,存放時間較長、存放方法不當?shù)纫蛩鼐赡苁蛊骷霈F(xiàn)質(zhì)量問題。因此,后期需借助專門的失效分析機構(gòu)對該批EBGA器件進行檢測分析,找出器件本身質(zhì)量問題的起因。
因缺乏專業(yè)的檢測設備,無法對失效EBGA器件的焊點和器件本體直接進行檢測,故本文采用了假設法進行分析,假設EBGA器件失效由焊接引起,通過焊接溫度檢測、焊點外貌檢查、X射線檢測、紅墨水浸漬、重回流、重植球再焊共6個實驗驗證了該假設不成立。并在此基礎上,假設EBGA器件失效由其本身的質(zhì)量問題引起,通過EBGA更換實驗驗證了該假設成立,從而找到了EBGA器件失效的原因。一般科研、生產(chǎn)單位并不具備如金相切片、SEM、EDS等昂貴的專業(yè)失效分析檢測設備,若在加工、生產(chǎn)中遇到類似的失效問題,可借助上述實驗思路及方法定位失效原因。
后續(xù)應對失效器件進行進一步分析,找出器件本身質(zhì)量問題的起因,針對性地改進器件的采購渠道、庫存及管理的方式、方法,從而降低器件失效率,保證產(chǎn)品的可靠性。
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陸 偉(1986-),男,碩士,主要從事電路工藝研究工作。
Failure Analysis for Some EBGA Devices
LU Wei
(The36thResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033,China)
Some batch of enhanced ball grid array (EBGA) devices with a high failure rate is analyzed in this paper. According to the failure phenomena of the products, it is assumed that the failures are caused by the welding problems or the quality problems of EBGA devices. The assumption that the product failures are caused by the welding problems of pseudo soldering and mixed soldering is proved unestablished by six experiments (the welding temperature detection, the solder joint appearance inspection, the X-ray detection, the red ink dipping experiment, the re-reflow experiment and the reball EBGA re-welding experiment). The experiment results show the EBGA device welding is reliable. Then the EBGA replacement experiment is carried out, which proves that the product failures are caused by the quality problems of EBGA devices.
failure analysis; pseudo soldering; mixed soldering
2013-11-23
TN61
A
1008-5300(2014)01-0048-04