張玉興，梁堃，何志剛

（1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621999；2.中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，四川 成都 610200）

0 引言

多年來(lái)，電子產(chǎn)品不斷地朝著輕量化、小型化方向發(fā)展，系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP：System in Package）作為產(chǎn)品微小化的發(fā)展形態(tài)之一[1-2]，能夠?qū)⒍鄠€(gè)具有不同功能的有源、無(wú)源電子元件，以及MEMS和光學(xué)器件等其他器件組裝到一起，形成系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。SiP 器件已逐漸地被運(yùn)用于武器系統(tǒng)的電子電路中[3]，作為武器系統(tǒng)電子設(shè)備的重要單元，SiP 產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性必然影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而隨著SiP 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝的不斷復(fù)雜化，在生產(chǎn)、測(cè)試和使用過(guò)程中，失效事件不可避免。失效分析是產(chǎn)品可靠性工程的重要組成部分，可借助各種測(cè)試分析技術(shù)確認(rèn)電子元器件的失效模式、失效原因和失效機(jī)理，并提出改善設(shè)計(jì)和制造工藝的建議[4-6]。SiP產(chǎn)品可靠性保障可借助失效分析[7-8]，對(duì)產(chǎn)品失效過(guò)程進(jìn)行診斷，但需要注意的是，SiP 產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)一定程度上限制了多數(shù)失效分析手段的運(yùn)用[9]，因此，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)對(duì)產(chǎn)品失效原因進(jìn)行快速的定位成為破解問(wèn)題的關(guān)鍵。本文將以某一SiP 失效產(chǎn)品作為分析案例，采用合適的技術(shù)手段和分析策略，快速地查找產(chǎn)品失效原因并針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝給出合理意見(jiàn)和改進(jìn)建議。

開(kāi)展失效分析，一般應(yīng)先調(diào)查產(chǎn)品的失效背景，包括產(chǎn)品工藝、使用環(huán)境和失效現(xiàn)象等[10]。結(jié)合背景信息，對(duì)產(chǎn)品有針對(duì)性地進(jìn)行檢測(cè)分析，檢測(cè)分析的一般原則是由外到內(nèi)，先無(wú)損，后破壞。本次失效分析擬定的分析流程如圖1 所示。

圖1 失效分析流程圖

1 失效背景

樣品為某單位生產(chǎn)的SiP 器件，器件內(nèi)部布局圖如圖2 所示。用戶提供3 只失效樣品，樣品編號(hào)為C1～C3。樣品在接收時(shí)C1仍焊接在測(cè)試PCB 上，C2和C3已由用戶從PCB 上取下且已去除BGA焊球。

圖2 器件內(nèi)部布局圖

委托方提供的具體失效信息如下所述。

C1～C3交付后采用夾具測(cè)試各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，之后采用手工焊焊接到PCB 上后再測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均出現(xiàn)異常。發(fā)現(xiàn)異常后，用戶采用烘槍加熱的方式將C2和C3從PCB 上取下，并采用機(jī)械方式擦除器件BGA 焊球。隨后用夾具對(duì)C2和C3進(jìn)行測(cè)試，器件性能參數(shù)仍異常。為了排除虛焊問(wèn)題，用戶提供兩片采用回流焊焊接器件，編號(hào)CH-1 和C-H-2，其中C-H-1 功能正常，C-H-2 功能異常。器件封裝材料一覽表如表1 所示。

表1 器件封裝材料一覽表

2 失效原因的初步排查

鑒于SiP 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)之前對(duì)失效原因進(jìn)行初步排查，可明確檢測(cè)思路，方便后續(xù)分析工作的開(kāi)展。基于用戶提供的失效信息，可得出以下初步結(jié)論：

1）回流焊器件C-H-2 功能異常，可排除虛焊問(wèn)題導(dǎo)致的性能異常；

2）性能異常出現(xiàn)在焊接之后，而焊接可能出現(xiàn)熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)性失效或過(guò)熱導(dǎo)致的熱失效，前者常伴隨裂紋產(chǎn)生[11]，后者有明顯的燒毀、熔融等跡象[12]；

3）產(chǎn)品無(wú)過(guò)電或長(zhǎng)期電應(yīng)力作用歷史，基本排除電應(yīng)力失效可能性；

4）產(chǎn)品未接觸腐蝕性物質(zhì)（酸堿等），基本排除腐蝕性失效可能性。

經(jīng)過(guò)排查，失效原因可初步鎖定在2）的失效模式中，檢測(cè)分析將重點(diǎn)瞄準(zhǔn)相應(yīng)失效跡象的查找上。

3 檢測(cè)分析

首先，通過(guò)顯微鏡在20～30 倍放大倍數(shù)下對(duì)器件外觀進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果：C1樣品及其PCB 均未見(jiàn)異常；C2和C3外觀未見(jiàn)異常，器件背面焊盤未見(jiàn)短路、脫落等異常情況。

X 射線實(shí)時(shí)成像是利用不同的材料對(duì)X 射線的衰減差異進(jìn)行成像，可用于檢測(cè)器件內(nèi)部缺陷。裂紋、熔融等缺陷通?？赏ㄟ^(guò)X 射線檢測(cè)進(jìn)行查找。檢查發(fā)現(xiàn)C1樣品BGA 焊球形狀規(guī)則，未見(jiàn)焊球內(nèi)部存在空洞、裂紋等缺陷，且焊球無(wú)粘連短路現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)C1～C3器件內(nèi)部電容附近存在焊料熔融并延伸的痕跡，尤其是在U2～U4芯片附近。在C-H-1中未見(jiàn)焊料延伸現(xiàn)象，而C-H-2中U2～U4附近發(fā)現(xiàn)焊料延伸現(xiàn)象。該檢測(cè)結(jié)果印證了熱失效推測(cè)，意味著器件內(nèi)部焊點(diǎn)可能經(jīng)歷了高于其熔點(diǎn)的熱沖擊，而焊料熔化后延伸可能導(dǎo)致元件、器件短路或斷路，進(jìn)而性能參數(shù)出現(xiàn)異常。C1X 光全貌如圖3a 所示，C1內(nèi)部焊料延伸形貌如圖3b 所示；C2X 光全貌如圖3c 所示，C2內(nèi)部焊料延伸形貌如圖3d 所示；C3X光全貌如圖3e 所示，C3內(nèi)部焊料延伸形貌如圖3f 所示。C-H-1 X 光局部形貌如圖3g所示，C-H-2 內(nèi)部焊料延伸形貌如圖3h 所示。

圖3 樣品X 光形貌

但是，考慮到SiP 器件為塑封產(chǎn)品，熔融焊料理論上很難在內(nèi)部進(jìn)行較大面積的延伸。為了進(jìn)一步地查找焊料延伸原因，對(duì)所有的樣品進(jìn)行了超聲掃描顯微鏡檢測(cè)，結(jié)果如圖4 所示。超聲掃描檢測(cè)（反射波模式下）是利用超聲波在分層界面的反射波來(lái)定位分層缺陷，可用于檢測(cè)塑封器件內(nèi)部分層、裂紋或空洞。檢測(cè)結(jié)果顯示，C1～C3樣品塑封料與基板間存在明顯的分層（亮白色區(qū)域，塑封料和基板結(jié)合不緊密，存在空氣間隙）。C1分層主要在U1、U2～U4和U9周邊；C2和C3類似。C-H-1 分層僅存在于U1左側(cè)和上側(cè)有限區(qū)域，C-H-2 分層主要在U1、U2～U4和U9周邊，與C1～C3類似。這些分層的間隙大約為幾微米到數(shù)十微米，對(duì)比X 光檢測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，焊料延伸區(qū)域剛好位于分層區(qū)域內(nèi)，證明分層區(qū)域剛好為二次熔融焊料的延伸提供了通道。

圖4 樣品聲學(xué)形貌

以上檢測(cè)分析均基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段，檢測(cè)結(jié)果符合過(guò)熱導(dǎo)致的熱失效特征。但因失效區(qū)域位于SiP 器件內(nèi)部，無(wú)損檢測(cè)無(wú)法直接觀測(cè)到失效證據(jù)，須對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行開(kāi)封后的內(nèi)部檢查。為了保證器件內(nèi)部的原始形貌，采用激光方式去除環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)C3樣品C19、C41、U2和U4合圍的PCB 板空間（如圖3f 圓圈所示）進(jìn)行開(kāi)帽。開(kāi)帽后，發(fā)現(xiàn)PCB 板表面存在銀白色焊料，且在C19、C41之間延伸。檢測(cè)結(jié)果證實(shí)了焊料熔融的存在，表明器件失效正是焊料二次熔融造成的。開(kāi)封后PCB 表面形貌如圖5a 所示，PCB 表面局部形貌如圖5b 所示。

圖5 開(kāi)封后PCB 形貌

4 失效機(jī)理分析

檢測(cè)結(jié)果符合熱失效模式特征，表明C1～C3在采用手工焊焊接到PCB 上的過(guò)程中，內(nèi)部焊點(diǎn)因過(guò)熱而熔化。經(jīng)與用戶溝通并確認(rèn)手工焊焊接溫度設(shè)置合理，因而可推斷SiP 器件內(nèi)部存在熔點(diǎn)小于或接近BGA 焊球熔點(diǎn)的焊料。最終，用戶提供的器件封裝材料清單證實(shí)，檢測(cè)樣品內(nèi)部無(wú)源器件回流焊料和外部BGA 焊球材料相同。在SiP 器件焊接到PCB 上時(shí)，與BGA 焊球相同熔點(diǎn)的內(nèi)部回流焊料自然也在高于熔點(diǎn)的熱沖擊下開(kāi)始熔化，熔化焊料延伸開(kāi)來(lái)后最終引起器件短路或斷路。

此外，回流焊樣品C-H-1～C-H-2 一方面排除了虛焊問(wèn)題的干擾，另一方面也一定程度地復(fù)現(xiàn)了C1～C3的失效模式。C-H-1～C-H-2 的檢測(cè)分析結(jié)果表明回流焊樣品同樣因?yàn)闊釠_擊出現(xiàn)了部分區(qū)域二次熔融現(xiàn)象，失效分析推論合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

C1～C33 只樣品均存在內(nèi)部元件焊料二次熔融情況，原因?yàn)橥獠亢附訉?dǎo)致內(nèi)部焊料熔化。此外，3 只樣品塑封料存在大面積分層，當(dāng)溫度高于焊料熔點(diǎn)較多或溫度作用時(shí)間較長(zhǎng)，焊料在分層界面內(nèi)自由流動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部可能存在短路或斷路情況，使器件功能異常。

基于以上分析，建議內(nèi)外部采用不同的焊料，且內(nèi)部焊料熔點(diǎn)應(yīng)明顯地高于外部BGA 焊料熔點(diǎn)。批次經(jīng)歷外部焊接或超過(guò)焊料熔點(diǎn)溫度的，不建議繼續(xù)使用。