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    ASIC封裝材料選擇與溫度循環的案例

    嘉峪檢測網        2024-04-23 20:33

    【簡述】產品在市場上運行一段時間后功能異常,主要是一個交換芯片失效,與現場微環境溫度循環密切相關,分析和解決過程值得記錄,包括最后技術合作的得與失。

    【源起】產品在市場上一個局點運行一年多出現失效。通過分析,發現內部焊球出現裂紋。這很奇怪,芯片本身的可靠性設計及封裝級可靠性試驗,特別是溫循試驗都是符合標準,一般是超越標準的,為什么會出現內部焊球裂開失效呢?

    【簡要說明】下面是普通 FCBGA芯片示意圖,對于內部焊球的應力,主要是封裝樹脂、硅芯片、襯底材料的CTE 差異較大,在溫度變化時產生應變,多次就可能產生裂紋直至斷裂失效。為了提升可靠性,增加 Underfill就是為了保護內部焊球,怎么還會失效呢?

    (源于網絡,僅供示意)

    (示意圖,CTE不同,溫度變化造成應力不同,FPBGA常關注點)

         在沒有出現該問題前,說到開裂,首先想到的外部焊球,如上FPBGA的四角焊點。應力主要是“溫度循環”,相關的實驗及壽命預測有很多資料。這次失效是內部焊球,是不是也與溫度循環相關,為什么溫度循環會多呢?到現場查看才了解到:運行設備是在原來的大機箱里面,溫度出現兩級調控,造成頻繁溫循,這在先前沒有想到。但溫度變化幅度并不大,十幾度變化也難以在這么短時間內造成失效。還有什么原因呢? 溫度在70℃ 左右變化,這是個疑點,Undefill 材料的 Tg 就是 70℃,是不是這個相關呢?在選擇Underfill 材料時,會材料的粘附特性、延伸率、CTE、及彈性模量等參數都有明確要求,玻璃化轉化溫度也會考慮。新品實驗一般會超過實驗標準,沒有問題就認為合適。而這次的現場環境溫度,循環次數確實遠遠超過了原來的假設。是不是這個原因呢,通過初步查詢資料,在這個溫度上下,材料的特性變化非常大(如下圖),再按照原來的參數特性進行分析,是不對的。在 Tg 上下,玻璃態和高彈態的變化,CTE 、模量參數變化都很大,粘附特性、延伸率等與 材料發揮固有作用的特性都在變化,原來的分析和驗證結果都已經失效。面對市場的失效,結合現場的場景應力(頻繁的溫度循環),到材料特性,初步認為失效原因自洽了?,F場解決措施先落地:修改溫度控制方式,換單板。

    在后面長長地尋找失效機理的時間中(跨年度),沒有再出現失效,表明現場改進措施有效。同時根據調研,還落實了一條原則,Underfill 材料不再選取 Tg 比較低的型號(主要是70℃),后面都是100℃以上的。原來較低也是因為 IC 本身的工作溫度較低,隨著功耗增加,實際工作溫度提升。

    (填充材料在Tg溫度上下形變變化示意圖,源于網上,略作修改)

    這個案例后續拖得長,與找機理和量化密切相關。材料參數穩定的情況下,溫循壽命有相對成熟的模型,結合具體參數,仿真分析結果比較可信。但在這個案例中,定性分析有了,初步措施也有了,要進行量化遇到了挑戰。在 Tg  溫度點上下的 材料參數變化較大,整個變化區間應力變化較大,累積效應怎樣來判斷實際是沒有歷史經驗,參數提取,仿真分析,實際驗證整個循環做下來,耗費了很多業界專家資源。雖然付了錢,整體項目結果還是有些疑問。

         有價值的收獲:首先是解決了以往不了解的問題,從預防角度看:

    1、對現場溫度應力要有更多的了解,實際環境溫度,還有單板的微環境溫度,及變化頻率及幅度。

    2、芯片的實際微環境溫度發生了變化,由于性能提升,平均溫度比原來高。這也是為什么早期 FCBGA的underfill 材料 Tg 在 70℃下可靠性滿足要求,后面變成風險。所以選擇材料的 Tg 溫度點提高也是合理的。當然還有其它參數也要適配,包括成本。

    3、隨著芯片的復雜程度提高,可靠性挑戰增加,在前段強化可靠性設計,包括分析、驗證與量化,都是必然趨勢。同時由于新材料增加,結構復雜,時間縮短,對這個目標的挑戰更大,后續再慢慢說。而在這個案例中,如果正向設計思路和選擇已經明確,對于異常,后續不存在的場景投入量化工程,不僅是技術的難度,項目的整體效果也大打折扣。  

    快變易顯,慢變難防?

    更重要的是把現場信息建立合適的聯系,才能正確設計與分析。

     

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    來源:青松可靠

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