顏紅

摘要：FCBGA封裝器件作為現(xiàn)代復(fù)雜電子產(chǎn)品重要功能元器件，對(duì)電子產(chǎn)品小型化、低功耗、高性能等特性發(fā)揮主要作用！然而由于FCBGA封裝器件采用了特殊倒扣封裝工藝，其封裝體易吸附一定水分，導(dǎo)致如果保存、焊接工藝不規(guī)范時(shí)可能出現(xiàn)器件分層短路等現(xiàn)象。本文通過(guò)分析提出了關(guān)于這類(lèi)器件的保存、焊接、使用等建議，希望能對(duì)提高該類(lèi)器件使用效能提供幫助。

關(guān)鍵詞：FCBGA;倒扣封裝工藝;故障機(jī)理分析

概述

集成電路（IC）經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力等發(fā)揮了巨大作用。如果沒(méi)有良好的封裝技術(shù)，芯片的使用、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)仁欠浅＠щy的。

芯片的封裝技術(shù)也經(jīng)歷好幾代的發(fā)展，從DIP、QFP、PGA、BGA、CSP再到MCM，技術(shù)指標(biāo)不斷提升，頻率越來(lái)越高、耐溫性能越來(lái)越好。引腳增多、重量減輕、可靠性提高，使用更方便。在眾多封裝技術(shù)中，塑料類(lèi)封裝在市場(chǎng)中具有很高的市場(chǎng)份額。

塑封器件是指集成電路芯片經(jīng)過(guò)塑料封裝，起到安放、固定、密封和保護(hù)芯片的作用，還將芯片內(nèi)部各種信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到塑料封裝外殼引腳上，方便設(shè)計(jì)、使用和生產(chǎn)。尤其是大規(guī)模的FCBGA（FilpChipBGA）封裝器件在電裝焊接后，容易因內(nèi)部受潮出現(xiàn)焊料重熔短路問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行問(wèn)題定位、機(jī)理分析、改進(jìn)建議及措施，對(duì)該類(lèi)器件正確使用、裝配和保存有一定指導(dǎo)作用。

1、故障情況

某批次FCBGA封裝的DSP芯片經(jīng)過(guò)焊接后，發(fā)現(xiàn)有6塊DSP芯片無(wú)法使用仿真器進(jìn)行程序仿真調(diào)試或GPIO管腳功能不正常。常規(guī)檢查是否存在虛焊、短路等現(xiàn)象排除后，故障現(xiàn)象無(wú)法恢復(fù)。為了徹底查明故障原因，請(qǐng)某可靠性分析機(jī)構(gòu)技術(shù)人員對(duì)存在故障的DSP芯片去除散熱蓋后進(jìn)行聲學(xué)掃描顯微檢查，發(fā)現(xiàn)塑封器件內(nèi)部存在有分層的故障現(xiàn)象，如圖1所示。

進(jìn)一步對(duì)DSP芯片進(jìn)行開(kāi)封過(guò)程中，電路芯片與PCB層斷裂脫離，經(jīng)顯微鏡觀察，該DSP芯片PCB印制板中多個(gè)凸點(diǎn)存在熔融擴(kuò)散而導(dǎo)致橋連的現(xiàn)象。初步判定可能是電路開(kāi)封后受到空氣潮氣的侵蝕，導(dǎo)致器件在焊接受熱過(guò)程中凸點(diǎn)的焊料熔融并向周?chē)鷶U(kuò)散，引起PCB基板與芯片出現(xiàn)分層及凸點(diǎn)橋連，最終出現(xiàn)端口開(kāi)路或短路失效故障。

2、故障機(jī)理研究與分析

一般FCBGA封裝集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2，由上而下包括散熱蓋、帶倒扣凸點(diǎn)的主芯片、主芯片與基板間的底部填充劑、基板、BGA球，芯片與封裝的電氣連接是通過(guò)倒扣凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。芯片倒扣凸點(diǎn)材質(zhì)組成及比例為97.7%Sn、2.3%Ag，熔點(diǎn)為217℃，有鉛BGA球材質(zhì)組成及比例為63%Sn、37%Pb，熔點(diǎn)為183℃，由此可看出焊接溫度不能長(zhǎng)時(shí)間高于217℃。

芯片與基板間底部填充劑主要材質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂，多層封裝基板主要材質(zhì)為有機(jī)物（一般為FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板）。散熱蓋與基板的結(jié)合采用高結(jié)合力的粘接膠，粘接膠主要成分也為有機(jī)物。同時(shí)，由于該塑料封裝內(nèi)部有空腔，基于有機(jī)物吸潮的特點(diǎn)，在器件暴露在外部環(huán)境下，空氣中的潮氣將通過(guò)芯片下方的基板、水平方向粘接膠及通氣口進(jìn)入到底部填充膠[1]。

FCBGA封裝類(lèi)型器件采用較為特殊的倒扣焊工藝，在外部環(huán)境條件下，由于倒裝焊基板、底部填充膠、粘接膠等均為環(huán)氧樹(shù)脂這類(lèi)有機(jī)材料，有一定的吸附水分的能力，器件封裝體在封裝過(guò)程中存在一定概率吸附一些潮氣。

吸附有潮氣器件在進(jìn)行板級(jí)回流焊接時(shí)，在較高的回流溫度下，填充在芯片凸點(diǎn)間隙中、起到增強(qiáng)芯片與基板結(jié)合的底部填充膠中的水汽將會(huì)膨脹，并使得底部填充膠與芯片結(jié)合界面處發(fā)生了脫離分層。由于整個(gè)封裝經(jīng)歷了高溫，尤其當(dāng)用戶(hù)采用有鉛無(wú)鉛混裝工藝時(shí)，高溫達(dá)到235℃，超過(guò)了芯片倒扣凸點(diǎn)熔點(diǎn)217℃，芯片倒扣凸點(diǎn)將發(fā)生重新熔化。熔融的凸點(diǎn)焊料在毛細(xì)現(xiàn)象作用下，將滲入到底部填充膠與芯片的分層區(qū)域，使得凸點(diǎn)消失導(dǎo)致凸點(diǎn)開(kāi)路、或者相鄰?fù)裹c(diǎn)焊料橋連導(dǎo)致凸點(diǎn)短路。這與專(zhuān)業(yè)可靠性分析機(jī)構(gòu)分析的芯片與底部填充膠之間存在明顯分層、并有多個(gè)凸點(diǎn)存在橋連的現(xiàn)象一致[2]。然而傳統(tǒng)的引線(xiàn)鍵合工藝封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，芯片與封裝的電氣連接是通過(guò)金絲實(shí)現(xiàn)，由于金絲熔點(diǎn)較高，在板級(jí)回流焊接時(shí)金絲不會(huì)重熔。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理研究與分析，由于FCBGA器件封裝體受到空氣潮氣的侵蝕，導(dǎo)致器件在焊接受熱過(guò)程中凸點(diǎn)的焊料熔融并向周?chē)鷶U(kuò)散，引起PCB基板與芯片出現(xiàn)分層及倒扣凸點(diǎn)橋連，最終出現(xiàn)電路開(kāi)路或短路失效故障。

3、改進(jìn)建議及完善措施

目前有/無(wú)鉛器件混合裝配使用在軍用電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域仍然較為普遍存在，有鉛和無(wú)鉛的熔點(diǎn)相差近40℃，所以混合裝配要得到可靠的焊接質(zhì)量，就不能只關(guān)注焊接環(huán)節(jié)，而應(yīng)在裝配前、中及后端加強(qiáng)整個(gè)過(guò)程控制。針對(duì)該類(lèi)型FCBGA器件封裝結(jié)構(gòu)特殊性，為確保FCBGA器件使用可靠性，避免出現(xiàn)類(lèi)似上述故障，提出以下的建議及改善措施。

3.1存儲(chǔ)與包裝

對(duì)于FCBGA類(lèi)型的非氣密性器件，建議使用防靜電袋真空包裝，包裝袋內(nèi)加入干燥劑和濕度指示卡，器件非使用時(shí)，請(qǐng)勿拆開(kāi)封裝。如使用時(shí)未領(lǐng)取完，需對(duì)未領(lǐng)取的器件拆包后1h內(nèi)重新采用防靜電袋、加干燥劑進(jìn)行真空包裝。

3.2烘烤

依據(jù)IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)《J-STD-033B：SMD溫濕度敏感元件作業(yè)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、包裝標(biāo)準(zhǔn)》，F(xiàn)CGBA封裝器件焊接前需在125℃下烘烤至少24h。烘烤后立即使用，停留時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1h，否則應(yīng)存放在充氮?dú)釴2的干燥箱中，干燥箱要求環(huán)境溫度25±5℃、濕度<10%RH。

3.3焊接

PCB印刷錫膏建議采用Sn63-Pb37焊料，考慮到回流條件控制存在一定波動(dòng)、并為了BGA球與PCB板充分焊接，建議參照?qǐng)D4所示回流焊接曲線(xiàn)進(jìn)行焊接，其中峰值溫度為220℃±5℃。

參考文獻(xiàn)

[1]寧葉香，潘開(kāi)林，李逆.電子組裝中焊點(diǎn)的失效分析[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2007（09）.

[2]董均海.電子元器件失效分析技術(shù)[J].現(xiàn)代情報(bào)，2006（04）.