某型倒装焊结构FPGA器件失效模式分析_吴双.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期37图1 F P G A 典型封装示意图摘要：某型现场可编程门阵列器件（FPGA）内部含有倒装芯片。由于其典型的塑封BGA结构，该器件在生产过程中的固有合格率较低，频发各类质量问题。经过多次故障攻关，分析该类FPGA器件设计、使用、结构，采取对应改进措施，提高了使用合格率。最后对其失效模式及改进措施进行分析总结，对同类器件的同类故障提供一定的改进参考。关键词：FPGA；PBGA；失效分析；改进；固有合格率中图分类号：TN305文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0037-04Abstract:A certain type of field programmable gate array device contains flip chip inside.Due to its typical plastic BGA structure,the inherent qualifi cation rate of the device in the production process is low,and various quality problems occur frequently.After many fault tackling,the design,use and structure of this FPGA device are analyzed,and corresponding improvement measures are taken to improve the use qualification rate.Finally,the failure modes and improvement measures are analyzed and summarized,providing some improvement reference for the similar failures of similar devices.Keywords:FPGA;PBGA;failure analysis;improvement;inherent qualifi cation rate Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0037-04某型倒装焊结构FPGA器件失效模式分析Failure Mode Analysis of FPGA Device with Flip Chip吴双1，余治民2，王中一1，姚长虹1，刘林发1WU Shuang1,YU Zhimin2,WANG Zhongyi1,YAO Changhong1,LIU Linfa1（1 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2 空装驻洛阳地区第一军事代表室，河南 洛阳 471009）(1 China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China;2 The First Military Representative Offi ce of Air Cargo in Luoyang,Luoyang 471009,China)0 引言FPGA器件是指可编程阵列逻辑器件，是在PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产品1。它作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点2。按FPGA器件集成度要求，其封装类型多为能够同时容纳多个接触管脚的QFP封装或BGA封装，如图1所示。在某电路板组装件上所使用的FPGA器件为工业级塑料BGA器件，湿敏等级为四级，焊接管脚1 136个，焊球直径0.5 mm；其内部主芯片使用倒装焊工艺与基板相连，含有倒装焊球4 102个，焊球直径0.1 mm，焊球间距0.285 mm，结构如图2所示。作者简介：吴双（1 9 9 2-），女，硕士，毕业于北京理工大学，工程师，主要从事电子装联工艺的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.0102023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology38序号检测项目方法检出限(质量分数/%)检测结果（质量分数/%）样品1样品2 样品3 样品4 样品51 铁(F e)0.0 0 0 2N DN DN DN DN D2 磷(P)0.0 0 1 00.5 0 8 0.1 0 9 0.0 4 9 3 0.0 8 1 1N D3 硫(S)0.0 0 1 0N DN DN DN DN D备注：“N D”表示未检出，是指其含量低于方法检出限。图2 某型F P G A 器件内部结构示意图图3 某型F P G A 器件实物内部结构表1 使用后清洗剂中S、P、F e 元素检测结果由于内部为倒装焊结构，所以该器件为非密封器件。在散热片和有机衬底之间设计了排气口用来排出湿气和水分，排气孔宽度约3 mm，高度不超过0.1 mm，如图3所示。因此在板级装配过程中若暴露在清洁溶剂、化学物质或者过多湿气的环境中，可能会严重影响封装可靠性。鉴于其内部倒装焊、非密封结构及塑料封装的特点，该器件自使用以来故障率较高，频发器件自身及使用过程中质量问题。1 失效模式分析1.1 清洗沾污致电迁移失效该器件四周设计的排气口在进行金属盖封盖时，未使用胶料在基板与盖之间形成粘接密封结构，因此封盖后可能在排气口处形成虹吸效应，导致水清洗过程中清洗液进入器件内部。该电路板组装件清洗所使用的无卤中性清洗液中混合了大量从电路板组装件上清洗下来的杂质元素，如氯、溴等腐蚀性元素及铁、磷、硫等元素，见表1和表2。图4 杂质沾污形貌图5 电迁移原理示意图表2 使用后清洗剂中2 1 种离子检测结果器件靠近四个排气口附近焊接了大量容排，混合了杂质元素的清洗剂通过排气口进入器件内部后，形成杂质沾污，如图4所示。由于器件内部容排较多，排气口尺寸极小，进入的杂质沾污难以通过清洗剂清洗/漂洗出，水分也难以彻底烘干，导致部分杂质沾污及水分残留在最易附着的容排引脚上。在潮湿环境中，杂质沾污中的金属元素等形成导电盐类，在电场作用下，印制板表面可形成漏电通道，从而导致器件电源对地电阻异常，随着电迁移作用的发生，阻值逐渐变小直至短路，如图5所示。除了阻值减小的表现，在产品中还可能表现为电流异常变大、上电后器件发热明显等相关故障。1.2 清洗沾污致枝晶生长失效含有杂质的清洗剂进入器件内部后，除可能导致电迁移失效外，也可能在内部容排引脚间发生化学反应，生成导电物质，导电物质以枝晶形式生长，当生长的长度足以跨越引脚时，使引脚间发生短路，如图6所示。图6 引脚间枝晶形貌示意图第44卷第1期39图8 内焊点熔融导致焊盘粘连图9 容排移位示意图图1 0 超声透射裂纹形貌示意图图7 透射模式声扫形貌分层示意图1.3 分层电迁移失效该器件为塑料封装结构，不仅其底部基板为环氧类有机增长衬底，其金属盖与基底之间使用环氧类黏合剂连接，而且内芯片也使用环氧树脂进行了底部填充。塑封料对潮气较为敏感，可以通过粘接界面或环氧树脂本身渗透进入封装体内部3，详细途径4是：1）由于树脂本身的透湿率与吸水性，水汽会直接通过塑封料包封层本体扩散到芯片表面；2）通过塑封料包封层与金属框架间的间隙进入器件芯片表面。针对该器件而言，水汽可通过环氧类有机增长衬底、环氧类黏合剂进入器件内部，也可再次通过内芯片的底部填充环氧树脂进入内芯片内部。该器件在使用前需进行烘干，但若存在烘干时间不足、未连续烘干、烘干后未在现场寿命内完成装配、未放置在湿度足够低的烘箱内保存等情况，也会使湿气排除不彻底或在后续过程中再次吸湿。塑封料吸湿后，会发生分层现象，如图7所示，使用中外界水汽可能侵入，在后续环境应力作用下，分层部位可发生杂质离子电迁移，加之水汽的作用，可造成内芯片相邻焊点之间漏电增大、阻抗下降而失效。1.4 分层焊点熔融漫流失效该器件焊点为无铅焊点，需使用有铅无铅混合焊接工艺，而内芯片倒装焊球为SnAg成分，熔点与有铅无铅混合焊接工艺峰值温度较为接近，若温度控制异常或设置温度过高，可能导致倒装焊球熔融，熔融的焊锡顺着分层流淌，在相邻焊盘产生粘连现象，如图8所示。内芯片倒装焊球成分一致，容排焊接所使用的焊料也为SnAg成分，若温度控制异常或设置温度过高，会使容排焊锡融化，在融化过程中若有进一步的振动，会使容排移位进而失效，如图9所示。1.6 内芯片机械损伤失效该器件内部芯片通过倒装焊工艺与基板相连，并通过导热硅脂与金属顶盖粘接，由于整体工艺缺乏柔性，在器件制作过程中或后续装配使用过程中，若受到异常应力，易导致内芯片产生裂纹，裂纹进一步发展直至贯穿，使芯片开裂失效，如图10所示。2 改进措施2.1 器件烘干过程的改进该器件原烘干时间参考其器件手册中规定的烘干条件（125/24 h）执行，烘干时未能确保连续烘干，烘干后未规定现场寿命，因此对烘干时间及要求进行全面梳理改进，措施为：1）按照标准推荐，对于湿敏等级4级、厚度尺寸大于2 mm的器件，在预烘温度125 的条件下烘干48 h；2）烘箱确保连续烘干，每次开门时间应控制在15 s内，确保烘箱温变小于5；3）按照标准要求，规定在该器件烘干完成后现场寿命72 h内完成装配，放置在湿度5%的氮气柜内时现场寿命暂停计算。2.2 清洗密封保护的改进该器件为工业级塑封器件，使用免清洗焊膏进行焊接，在低可靠性环境中使用时，可不进行清洗，但对于高可靠性环境使用，仍需进行清洗。清洗时，为避免含有杂质元素的清洗液通过器件自身的排气口进入器件内部导致失效，需对器件进行密封保护，密封可使用工装及胶料两种方法：1）制作器件密封保护盖，在透气口一圈位置使粘连后，会导致器件电源对地短路，变现为电源对地阻值变小或器件工作电流快速上升。1.5 器件内部容排移位失效该器件内部围绕着内芯片焊接了一圈容排，与吴双，等：某型倒装焊结构F P G A 器件失效模式分析2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology40用有弹性的材质，弥补因尺寸差异可能导致的密封不严情况发生；2）使用特定胶料，对器件周围透气口进行密封。上述两种方法在密封效果上均有效，但需进一步考虑对电路板组装件可能造成的其他影响，如底部BGA焊点如何清洗、附近是否有距离较近的器件需要手工焊接等，综合选择密封方案。2.3 电路板组装件烘干条件的改进清洗完成后，整板需要进行烘干，该烘干条件无统一标准，需要综合考虑整板器件耐受温度及烘干效果确定。根据前文分析，电迁移作用发生需要具备三个必要条件：一为有湿气，二为有可移动的导电离子，三为电场作用。因此若电路板组装件整板烘干时的烘干条件足够将该器件内部的水汽全部蒸发，使其处于非潮湿环境下，则电迁移不会发生。烘干是通过水汽蒸发达到效果，影响蒸发的主要因素为温度、液体的比表面积、液体上空气流动的快慢及时间。在该特定器件条件下，液体的比表面积恒定，使用的烘干容器为烘箱，则液体上空气流动的快慢也恒定，因此烘干效果主要考虑温度和时间。以该器件替代电路板组装件进行烘干试验，对按照不同温度、时间进行烘干后的器件质量进行称量，通过分析绝对蒸发量、相对蒸发量、蒸发速率等确定合适的烘干温度和时间，如图11所示。240 和确保外焊点二次塌陷的温度（至少235）之间5 的温度区间内进行平衡，据此对曲线的升温斜率和峰值温度进行优化。2.5 筛选加严改进该器件的内芯片一旦产生裂纹，后续较难控制其裂纹扩展的时机和速度，而若裂纹未完全扩展，可能存在内芯片已有裂纹但芯片实际性能仍然良好的情况，导致故障发生时机不可控、风险不可控。为避免此种情况，对该器件使用前筛选过程进行加严改进，每批次进行破坏性物理分析（DPA）抽检，对器件进行开盖的破坏性检查，并对内芯片完好性进行详细检查。3 结论通过以上改进措施的实施，该器件使用合格率