【簡(jiǎn)述】產(chǎn)品在市場(chǎng)上運(yùn)行一段時(shí)間后功能異常，主要是一個(gè)交換芯片失效，與現(xiàn)場(chǎng)微環(huán)境溫度循環(huán)密切相關(guān)，分析和解決過程值得記錄，包括最后技術(shù)合作的得與失。

【源起】產(chǎn)品在市場(chǎng)上一個(gè)局點(diǎn)運(yùn)行一年多出現(xiàn)失效。通過分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊球出現(xiàn)裂紋。這很奇怪，芯片本身的可靠性設(shè)計(jì)及封裝級(jí)可靠性試驗(yàn)，特別是溫循試驗(yàn)都是符合標(biāo)準(zhǔn)，一般是超越標(biāo)準(zhǔn)的，為什么會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部焊球裂開失效呢？

【簡(jiǎn)要說明】下面是普通 FCBGA芯片示意圖，對(duì)于內(nèi)部焊球的應(yīng)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(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，多次就可能產(chǎn)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(hù)內(nèi)部焊球，怎么還會(huì)失效呢？

(源于網(wǎng)絡(luò)，僅供示意）

（示意圖，CTE不同，溫度變化造成應(yīng)力不同，F(xiàn)PBGA常關(guān)注點(diǎn)）

     在沒有出現(xiàn)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(diǎn)。應(yīng)力主要是“溫度循環(huán)”，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及壽命預(yù)測(cè)有很多資料。這次失效是內(nèi)部焊球，是不是也與溫度循環(huán)相關(guān)，為什么溫度循環(huán)會(huì)多呢？到現(xiàn)場(chǎng)查看才了解到：運(yùn)行設(shè)備是在原來的大機(jī)箱里面，溫度出現(xiàn)兩級(jí)調(diào)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(shí)間內(nèi)造成失效。還有什么原因呢？ 溫度在70℃ 左右變化，這是個(gè)疑點(diǎn)，Undefill 材料的 Tg 就是 70℃，是不是這個(gè)相關(guān)呢？在選擇Underfill 材料時(shí)，會(huì)材料的粘附特性、延伸率、CTE、及彈性模量等參數(shù)都有明確要求，玻璃化轉(zhuǎn)化溫度也會(huì)考慮。新品實(shí)驗(yàn)一般會(huì)超過實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，沒有問題就認(rèn)為合適。而這次的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，循環(huán)次數(shù)確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原來的假設(shè)。是不是這個(gè)原因呢，通過初步查詢資料，在這個(gè)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(shù)特性進(jìn)行分析，是不對(duì)的。在 Tg 上下，玻璃態(tài)和高彈態(tài)的變化，CTE 、模量參數(shù)變化都很大，粘附特性、延伸率等與 材料發(fā)揮固有作用的特性都在變化，原來的分析和驗(yàn)證結(jié)果都已經(jīng)失效。面對(duì)市場(chǎng)的失效，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景應(yīng)力（頻繁的溫度循環(huán)），到材料特性，初步認(rèn)為失效原因自洽了。現(xiàn)場(chǎng)解決措施先落地：修改溫度控制方式，換單板。

在后面長(zhǎng)長(zhǎng)地尋找失效機(jī)理的時(shí)間中（跨年度），沒有再出現(xiàn)失效，表明現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)措施有效。同時(shí)根據(jù)調(diào)研，還落實(shí)了一條原則，Underfill 材料不再選取 Tg 比較低的型號(hào)（主要是70℃），后面都是100℃以上的。原來較低也是因?yàn)?IC 本身的工作溫度較低，隨著功耗增加，實(shí)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(wǎng)上，略作修改）

這個(gè)案例后續(xù)拖得長(zhǎng)，與找機(jī)理和量化密切相關(guān)。材料參數(shù)穩(wěn)定的情況下，溫循壽命有相對(duì)成熟的模型，結(jié)合具體參數(shù)，仿真分析結(jié)果比較可信。但在這個(gè)案例中，定性分析有了，初步措施也有了，要進(jìn)行量化遇到了挑戰(zhàn)。在 Tg  溫度點(diǎn)上下的 材料參數(shù)變化較大，整個(gè)變化區(qū)間應(yīng)力變化較大，累積效應(yīng)怎樣來判斷實(shí)際是沒有歷史經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)提取，仿真分析，實(shí)際驗(yàn)證整個(gè)循環(huán)做下來，耗費(fèi)了很多業(yè)界專家資源。雖然付了錢，整體項(xiàng)目結(jié)果還是有些疑問。

     有價(jià)值的收獲：首先是解決了以往不了解的問題，從預(yù)防角度看：

1、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度應(yīng)力要有更多的了解，實(shí)際環(huán)境溫度，還有單板的微環(huán)境溫度，及變化頻率及幅度。

2、芯片的實(shí)際微環(huán)境溫度發(fā)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(fēng)險(xiǎn)。所以選擇材料的 Tg 溫度點(diǎn)提高也是合理的。當(dāng)然還有其它參數(shù)也要適配，包括成本。

3、隨著芯片的復(fù)雜程度提高，可靠性挑戰(zhàn)增加，在前段強(qiáng)化可靠性設(shè)計(jì)，包括分析、驗(yàn)證與量化，都是必然趨勢(shì)。同時(shí)由于新材料增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時(shí)間縮短，對(duì)這個(gè)目標(biāo)的挑戰(zhàn)更大，后續(xù)再慢慢說。而在這個(gè)案例中，如果正向設(shè)計(jì)思路和選擇已經(jīng)明確，對(duì)于異常，后續(xù)不存在的場(chǎng)景投入量化工程，不僅是技術(shù)的難度，項(xiàng)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(xiàn)場(chǎng)信息建立合適的聯(lián)系，才能正確設(shè)計(jì)與分析。