引言

 

大多數(shù)電子元器件失效的主要原因?yàn)樵骷?nèi)部電路與參考地之間存在不同電位形成短路狀況，產(chǎn)生過(guò)電流而造成元器件損壞，即EOS損傷。元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)榷加锌赡苤缕洚a(chǎn)生EOS失效，且難以從表面觀察出來(lái)。

 

本文以芯片燒毀失效為例，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、缺陷定位、開封檢查、切片分析等方法，分析芯片失效原因與機(jī)理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

終端用戶反饋機(jī)器有SIM卡無(wú)信號(hào)，無(wú)法連接網(wǎng)絡(luò)。該機(jī)器生產(chǎn)后測(cè)試功能正常，在倉(cāng)庫(kù)放置一段時(shí)間后失效，初步分析是PA物料本體不良，異常是PA的供電pin損壞?，F(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，查找其失效原因。

 

二、分析過(guò)程

 

1. 失效現(xiàn)象確認(rèn)

測(cè)試電容的阻值，可以確認(rèn)其PCBA上PA芯片的失效現(xiàn)象，因此對(duì)失效樣品電容兩端的阻值進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)失效現(xiàn)象。

測(cè)試結(jié)果顯示：失效樣品電容兩端的阻值接近短路，與功能正常PCBA電容兩端阻值存在明顯差異，說(shuō)明失效PCBA芯片短路失效。

 

2. 外觀檢查

為確認(rèn)失效PCBA上PA芯片外觀是否存在明顯異常，去除失效PCBA上PA芯片外圍的屏蔽盒后對(duì)其進(jìn)行外觀檢查。

檢查結(jié)果顯示：未發(fā)現(xiàn)失效PCBA上PA芯片外觀存在裂紋、破損、金屬遷移等異?，F(xiàn)象。

 

3. X-ray檢查

為確認(rèn)失效芯片內(nèi)部是否存在明顯異常，對(duì)失效芯片進(jìn)行X-ray檢查。

檢查結(jié)果顯示：失效芯片底部焊盤都存在焊接不飽滿的現(xiàn)象，芯片底部焊盤是起散熱作用的，底部焊盤不飽滿可能會(huì)引起芯片散熱不良；失效芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能正常芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

 

圖1. 失效芯片X-ray檢查形貌

 

4. 超聲掃描

為確認(rèn)失效芯片內(nèi)部是否存在明顯的分層現(xiàn)象，對(duì)失效芯片進(jìn)行超聲掃描。

掃描結(jié)果顯示：對(duì)比未使用芯片，失效芯片內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象（右側(cè)為未使用芯片聲掃圖）。

 

圖2. 失效芯片超聲掃描形貌

 

5. 缺陷定位

前面分析可知：失效芯片存在短路現(xiàn)象，為確認(rèn)芯片內(nèi)部的短路位置，利用Thermal EMMI熱點(diǎn)定位技術(shù)對(duì)多個(gè)失效芯片進(jìn)行定位分析。

定位結(jié)果顯示：

（1）失效芯片上均發(fā)現(xiàn)異常熱點(diǎn)，熱點(diǎn)位置都位于同一個(gè)位置，說(shuō)明失效芯片短路位置為同一個(gè)位置；

（2）通過(guò)對(duì)比X-ray圖，推測(cè)失效芯片都為內(nèi)部同一個(gè)芯片有短路現(xiàn)象。

 

圖3. 失效芯片熱點(diǎn)定位形貌

 

圖4. X-ray與熱點(diǎn)定位對(duì)比圖

 

6. CT掃描

為確認(rèn)失效芯片內(nèi)部短路位置是否存在明顯異常，切割下失效芯片進(jìn)行CT掃描。

掃描結(jié)果顯示：失效芯片熱點(diǎn)位置的芯片內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)疑似燒毀現(xiàn)象，芯片內(nèi)部走線、載板都未發(fā)現(xiàn)明顯異常，但部分失效芯片在疑似燒毀位置都存在銀漿缺失的現(xiàn)象。

 

圖5. 失效芯片CT掃描形貌

 

圖6. 未使用芯片CT掃描形貌

7. 開封觀察

為確認(rèn)芯片內(nèi)部是否存在明顯燒毀的現(xiàn)象，對(duì)多個(gè)失效芯片進(jìn)行開封觀察。

觀察結(jié)果顯示：

（1）失效芯片內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)有燒毀現(xiàn)象，燒毀位置也一致，說(shuō)明為同一種失效模式，為EOS燒毀；

（2）失效芯片內(nèi)部其他功能芯片未發(fā)現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，內(nèi)部載板也未發(fā)現(xiàn)明顯的金屬殘留。

 

圖7. 失效芯片開封后形貌

 

圖8. 未使用芯片開封后形貌

 

8. 切片分析

為確認(rèn)失效芯片內(nèi)部是否存在金屬遷移或其他異常，對(duì)部分失效芯片、功能正常芯片、未使用芯片進(jìn)行切片分析，切片到失效芯片燒毀位置。

切片結(jié)果顯示：

（1）失效芯片內(nèi)部有芯片燒毀，燒毀位置伴隨著裂紋及樹脂層碳化，應(yīng)是燒毀導(dǎo)致的，燒毀位置一致，因此都屬于同一種失效模式，屬于EOS燒毀；

（2）失效芯片燒毀區(qū)域底部都存在銀漿填充存在缺失；功能正常芯片該區(qū)域同樣存在銀漿少量缺失的現(xiàn)象，缺失主要集中在GND引腳下方，失效芯片燒毀區(qū)域下方填充良好；銀漿缺失可能會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域熱量集中，無(wú)法散熱，最終導(dǎo)致芯片EOS燒毀。

以上分析說(shuō)明：芯片失效是由于芯片同一位置出現(xiàn)了EOS燒毀導(dǎo)致的，且燒毀區(qū)域底部銀漿都有缺失的現(xiàn)象，因此芯片內(nèi)部出現(xiàn)EOS燒毀的可能原因有①外部存在過(guò)電應(yīng)力；②底部銀漿缺失導(dǎo)致芯片散熱不良，該區(qū)域熱量累積，最終導(dǎo)致芯片EOS燒毀失效。

 

圖9. 失效芯片切片形貌

 

圖10. 功能正常失效芯片、未使用芯片切片形貌

 

9. 電應(yīng)力排查

前面分析可知：芯片內(nèi)部因出現(xiàn)了EOS燒毀導(dǎo)致的失效，且燒毀的位置為同一位置，因此對(duì)PCBA上電應(yīng)力進(jìn)行排查分析。

（1）芯片燒毀位置邊沿的兩個(gè)鍵合絲之間，通過(guò)CT掃描圖可知最右側(cè)鍵合連接到了載板，因此應(yīng)屬于芯片的GND，另外跟鍵合芯片內(nèi)部通孔、走線最終連接到外圍的VCC2-2，而VCC2-2的供電端為VAP-VCC2；

（2）對(duì)失效PCBA更換未使用芯片后測(cè)試VAP-VCC2電壓，打開4G移動(dòng)數(shù)據(jù)及打開WIFI未發(fā)現(xiàn)明顯異常波形，且PCBA工作正常，因此芯片是由于底部銀漿缺失，引起的局部散熱不良，最終導(dǎo)致EOS燒毀的可能性較大。

 

圖11. 電應(yīng)力來(lái)源示意圖

 

圖12. 失效PCBA更換未使用芯片后VAP-VCC2引腳電壓

 

三、總結(jié)分析

 

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)失效芯片內(nèi)部存在短路現(xiàn)象；外觀檢查未發(fā)現(xiàn)失效芯片表面存在明顯的破損、裂紋、金屬遷移等異?，F(xiàn)象；

 

X-ray檢查未發(fā)現(xiàn)失效芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在明顯異常，但底部焊接焊盤存在焊接不飽滿、不完整的現(xiàn)象，底部焊盤是起散熱作用的，焊接不飽滿，會(huì)導(dǎo)致芯片不能有效散熱；

 

超聲掃描確認(rèn)失效芯片都存在分層的現(xiàn)象，而后續(xù)的分析可知失效芯片表面都存在燒毀現(xiàn)象，因此分層可能是由于芯片燒毀、樹脂層碳化引起的；

 

通過(guò)缺陷定位，確認(rèn)失效芯片內(nèi)部同一個(gè)功能芯片失效導(dǎo)致；通過(guò)CT掃描確認(rèn)該功能芯片存在疑似燒毀的現(xiàn)象，且在燒毀區(qū)域都發(fā)現(xiàn)芯片銀漿粘接存在缺失；

 

通過(guò)開封觀察確認(rèn)失效芯片內(nèi)部存在燒毀現(xiàn)象，燒毀位置位于功能芯片同一個(gè)位置，因此應(yīng)屬于同一種失效模式，通過(guò)燒毀形貌判斷應(yīng)屬于EOS燒毀失效；

 

通過(guò)切片分析發(fā)現(xiàn)失效芯片都為同一個(gè)區(qū)域存在燒毀導(dǎo)致的失效，通過(guò)切片確認(rèn)多個(gè)失效芯片燒毀區(qū)域都存在銀漿填充缺失的現(xiàn)象，未使用芯片銀漿填充良好。

 

通過(guò)電應(yīng)力排查可知，失效PCBA更換正常芯片后，PCBA正常工作，打開4G移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)VAP-VCC2供電電壓未發(fā)現(xiàn)異常，可排除因過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致的芯片失效。

 

此次失效芯片為大功率發(fā)熱芯片，本身功耗大，內(nèi)部燒毀晶元位置專門做了基板通孔散熱處理，銀漿缺失將導(dǎo)致熱量分布不均勻，局部熱量累積，因此芯片內(nèi)部同一區(qū)域出現(xiàn)EOS燒毀的可能原因有：

①外存在過(guò)電應(yīng)力，通過(guò)電應(yīng)力排查，未發(fā)現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象，可排除因過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致的芯片失效；

②熱擊穿導(dǎo)致芯片失效，通過(guò)切片發(fā)現(xiàn)失效芯片都存在銀漿缺失現(xiàn)象，這將導(dǎo)致芯片工作時(shí)熱量累積、散熱不良，最終出現(xiàn)燒毀。

 

四、結(jié)論與建議

 

綜上所述，芯片失效直接原因?yàn)閮?nèi)部晶圓出現(xiàn)EOS燒毀，而晶圓出現(xiàn)EOS燒毀的原因?yàn)閮?nèi)部銀漿缺失，引起芯片內(nèi)部局部散熱不良，熱量累積最終導(dǎo)致的燒毀。

 

改善建議

（1）加強(qiáng)芯片的來(lái)料檢驗(yàn)；

（2）改進(jìn)芯片焊接工藝，使芯片底部有效散熱。

 

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