某EBGA器件的失效分析

陸 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

文中針對(duì)某一批次失效率較高的增強(qiáng)型球柵陣列(Enhanced Ball Grid Array, EBGA)器件進(jìn)行了失效分析。根據(jù)產(chǎn)品的失效現(xiàn)象，假設(shè)EBGA器件失效由焊接原因或器件本身的質(zhì)量問(wèn)題引起，進(jìn)行了焊接溫度檢測(cè)、焊點(diǎn)外貌檢查、X射線(xiàn)檢測(cè)、紅墨水浸漬實(shí)驗(yàn)、重回流實(shí)驗(yàn)和重植球再焊實(shí)驗(yàn)。此系列實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果(證明EBGA器件焊接可靠)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)EBGA更換實(shí)驗(yàn)，證明該批次EBGA器件失效是由器件本身的質(zhì)量問(wèn)題引起的。

失效分析；虛焊；混合焊

引 言

增強(qiáng)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(shè)計(jì)的封裝腔可縮短信號(hào)傳輸路徑，同時(shí)電源層與地線(xiàn)層分離的多層基板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了線(xiàn)路對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)母蓴_[1]。EBGA器件的上述良好特性滿(mǎn)足了某信號(hào)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(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某一批次的信號(hào)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(duì)該批次的失效產(chǎn)品進(jìn)行分析，找出問(wèn)題根源。

一般而言，導(dǎo)致器件失效的原因可分為2類(lèi)：焊接原因和來(lái)料器件本身的質(zhì)量問(wèn)題。業(yè)界一般采用金相切片、SEM、EDS等檢測(cè)手段對(duì)焊點(diǎn)、器件進(jìn)行失效分析，從而找出失效原因[2-8]。目前，因缺乏相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備，也無(wú)匹配的EBGA器件測(cè)試座，所以無(wú)法直接對(duì)來(lái)料器件進(jìn)行檢測(cè)，器件的性能須待器件電裝至印制板后才可通過(guò)整板調(diào)試進(jìn)行檢測(cè)。本文針對(duì)上述情況，結(jié)合現(xiàn)有的檢測(cè)手段，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一整套實(shí)驗(yàn)，對(duì)2種失效原因進(jìn)行了假設(shè)驗(yàn)證，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而找出失效原因。

1 失效現(xiàn)象

文中的EBGA器件為無(wú)鉛器件，綜合考慮信號(hào)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(jìn)回流爐再流焊的方式焊接，有鉛焊料與無(wú)鉛元器件焊接形成向后兼容焊點(diǎn)(BWC焊點(diǎn))，該種焊接方式被稱(chēng)為“混合焊”[9-10]。

信號(hào)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(hào)處理板調(diào)試時(shí)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(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

2 失效分析

2.1 理論分析

導(dǎo)致器件失效的原因可歸為2類(lèi)：焊接原因和器件本身的質(zhì)量問(wèn)題。

假設(shè)EBGA器件失效是由焊接原因造成的，則根據(jù)對(duì)失效現(xiàn)象的分析可知，導(dǎo)致器件失效的焊接原因可在于2個(gè)方面：因焊接溫度不足，EBGA器件焊點(diǎn)存在虛焊，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效；“混合焊”的焊接方式使焊點(diǎn)失效。

假設(shè)EBGA器件失效是由器件本身的質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題應(yīng)可得到解決。

針對(duì)上述2種假設(shè)，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 焊接溫度檢測(cè)

信號(hào)處理板的回流溫度曲線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表1，EBGA器件焊接面四腳及中心焊點(diǎn)的實(shí)測(cè)焊接溫度均在217 ℃左右，達(dá)到無(wú)鉛焊料的融化溫度。

表1 回波溫度曲線(xiàn)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(shè)定溫度130150160170175185185220260245設(shè)定溫度公差上限5555555555設(shè)定溫度公差下限5555555555底部溫區(qū)設(shè)定溫度130150160170175185185220260240設(shè)定溫度公差上限5555555555設(shè)定溫度公差下限5555555555

2.2.2 焊點(diǎn)形貌檢查

選取10塊EBGA器件失效的信號(hào)處理板，用焊點(diǎn)檢查儀檢查失效EBGA器件的外層焊點(diǎn)。檢查結(jié)果顯示, EBGA器件外層焊點(diǎn)塌陷良好，并無(wú)明顯虛焊現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)形貌

2.2.3 X射線(xiàn)檢測(cè)

選取10塊EBGA器件失效的信號(hào)處理板，進(jìn)行X射線(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示, 焊點(diǎn)均無(wú)明顯的虛焊現(xiàn)象，但焊點(diǎn)中存在較多空洞，如圖2所示。空洞是由加熱器件焊錫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(wú)鉛焊料焊接后形成的焊點(diǎn)中空洞現(xiàn)象尤為明顯。

圖2 X射線(xiàn)檢測(cè)

2.2.4 紅墨水浸漬實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證失效EBGA器件的焊點(diǎn)是否存在虛焊現(xiàn)象，進(jìn)行了紅墨水浸錫實(shí)驗(yàn)。將EBGA器件失效的信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 紅墨水浸錫實(shí)驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，EBGA器件與PCB板間形成的焊點(diǎn)斷裂層并未被染色，說(shuō)明焊點(diǎn)不存在虛焊。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)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(diǎn)較焊球與EBGA器件芯片間形成的焊點(diǎn)牢固。

2.2.5 重回流實(shí)驗(yàn)

選取10塊EBGA器件失效的信號(hào)處理板，用BGA返修臺(tái)對(duì)EBGA器件重新加熱回流。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了EBGA器件的失效并非由焊點(diǎn)虛焊引起。

2.2.6 重植球再焊實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證EBGA器件失效是否由“混合焊”引起，進(jìn)行了EBGA器件重植球再焊實(shí)驗(yàn)。選取10塊EBGA器件失效的信號(hào)處理板，采用BGA返修臺(tái)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(hào)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(shí)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(hào)處理板中僅有1塊恢復(fù)正常工作，其余依然失效。排除實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，EBGA器件的焊接可靠。在此基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證EBGA器件失效是否由器件本身的質(zhì)量問(wèn)題引起，進(jìn)行了EBGA器件更換實(shí)驗(yàn)。選取10塊EBGA器件失效的信號(hào)處理板，采用BGA返修臺(tái)解焊取下EBGA器件，再將新批次的EBGA器件重新焊接到信號(hào)處理板上(溫度曲線(xiàn)與表1一致，焊接方式仍為“混合焊”)。經(jīng)調(diào)試，10塊信號(hào)處理板中9塊板子均恢復(fù)正常工作，僅1塊板子仍然失效。因EBGA器件在拆、換過(guò)程中對(duì)印制板焊盤(pán)造成了機(jī)械損傷，所以該塊信號(hào)處理板仍然失效。因此，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，EBGA器件失效的原因?yàn)樵撆纹骷旧泶嬖谫|(zhì)量問(wèn)題。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

焊接溫度檢測(cè)、焊點(diǎn)形貌檢查、X射線(xiàn)檢測(cè)、紅墨水浸漬實(shí)驗(yàn)、重回流實(shí)驗(yàn)及重植球再焊實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了焊接原因?qū)е翬BGA器件失效的假設(shè)不成立。在此基礎(chǔ)上展開(kāi)的EBGA更換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了器件本身的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致EBGA器件失效的假設(shè)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(wèn)題引起的。

該批次EBGA器件的庫(kù)房貯存時(shí)間較久，存放時(shí)間較長(zhǎng)、存放方法不當(dāng)?shù)纫蛩鼐赡苁蛊骷霈F(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。因此，后期需借助專(zhuān)門(mén)的失效分析機(jī)構(gòu)對(duì)該批EBGA器件進(jìn)行檢測(cè)分析，找出器件本身質(zhì)量問(wèn)題的起因。

3 結(jié)束語(yǔ)

因缺乏專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，無(wú)法對(duì)失效EBGA器件的焊點(diǎn)和器件本體直接進(jìn)行檢測(cè)，故本文采用了假設(shè)法進(jìn)行分析，假設(shè)EBGA器件失效由焊接引起，通過(guò)焊接溫度檢測(cè)、焊點(diǎn)外貌檢查、X射線(xiàn)檢測(cè)、紅墨水浸漬、重回流、重植球再焊共6個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該假設(shè)不成立。并在此基礎(chǔ)上，假設(shè)EBGA器件失效由其本身的質(zhì)量問(wèn)題引起，通過(guò)EBGA更換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該假設(shè)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(zhuān)業(yè)失效分析檢測(cè)設(shè)備，若在加工、生產(chǎn)中遇到類(lèi)似的失效問(wèn)題，可借助上述實(shí)驗(yàn)思路及方法定位失效原因。

后續(xù)應(yīng)對(duì)失效器件進(jìn)行進(jìn)一步分析，找出器件本身質(zhì)量問(wèn)題的起因，針對(duì)性地改進(jìn)器件的采購(gòu)渠道、庫(kù)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