某EBGA器件的失效分析

陆 伟

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

某EBGA器件的失效分析

陆 伟

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

文中针对某一批次失效率较高的增强型球栅阵列(Enhanced Ball Grid Array, EBGA)器件进行了失效分析。根据产品的失效现象，假设EBGA器件失效由焊接原因或器件本身的质量问题引起，进行了焊接温度检测、焊点外貌检查、X射线检测、红墨水浸渍实验、重回流实验和重植球再焊实验。此系列实验证明该批次EBGA器件的失效并非由虚焊和“混合焊”等焊接原因引起。在上述实验结果(证明EBGA器件焊接可靠)基础上，进一步通过EBGA更换实验，证明该批次EBGA器件失效是由器件本身的质量问题引起的。

失效分析；虚焊；混合焊

引 言

增强型球栅阵列(Enhanced Ball Grid Array, EBGA)是一种特殊结构形式的封装技术，它直接将芯片粘结在金属散热层上，热量经粘结层直接传输到外界，向下设计的封装腔可缩短信号传输路径，同时电源层与地线层分离的多层基板结构进一步减小了线路对高频信号传输的干扰[1]。EBGA器件的上述良好特性满足了某信号处理板高功率、高频的要求，因此被选为其核心器件DSP。

在生产调试过程中，发现某一批次的信号处理板失效率明显高于其他批次，且失效主要集中在EBGA器件上。因此，为保证产品质量，确保产品的可靠性，需对该批次的失效产品进行分析，找出问题根源。

一般而言，导致器件失效的原因可分为2类：焊接原因和来料器件本身的质量问题。业界一般采用金相切片、SEM、EDS等检测手段对焊点、器件进行失效分析，从而找出失效原因[2-8]。目前，因缺乏相应的专业检测设备，也无匹配的EBGA器件测试座，所以无法直接对来料器件进行检测，器件的性能须待器件电装至印制板后才可通过整板调试进行检测。本文针对上述情况，结合现有的检测手段，设计并进行了一整套实验，对2种失效原因进行了假设验证，对实验结果进行分析，从而找出失效原因。

1 失效现象

文中的EBGA器件为无铅器件，综合考虑信号处理板上其他有铅元器件的耐温等因素，采用印制板丝印有铅焊膏(63Sn/37Pb)，并采用贴装器件后进回流炉再流焊的方式焊接，有铅焊料与无铅元器件焊接形成向后兼容焊点(BWC焊点)，该种焊接方式被称为“混合焊”[9-10]。

信号处理板的调试结果显示，某一批次EBGA器件失效率较高，失效现象主要有2种： EBGA器件“挂不上”，即信号处理板调试时在程序里找不到该器件； EBGA器件可以“挂上”，但调试“跑”程序时，经常出现死机现象。

2 失效分析

2.1 理论分析

导致器件失效的原因可归为2类：焊接原因和器件本身的质量问题。

假设EBGA器件失效是由焊接原因造成的，则根据对失效现象的分析可知，导致器件失效的焊接原因可在于2个方面：因焊接温度不足，EBGA器件焊点存在虚焊，导致焊点失效；“混合焊”的焊接方式使焊点失效。

假设EBGA器件失效是由器件本身的质量问题造成的，则在确定焊接可靠的条件下，更换另一批次的质量合格器件，该失效问题应可得到解决。

针对上述2种假设，设计了以下实验对其进行验证。

2.2 实验验证

2.2.1 焊接温度检测

信号处理板的回流温度曲线参数见表1，EBGA器件焊接面四脚及中心焊点的实测焊接温度均在217 ℃左右，达到无铅焊料的融化温度。

表1 回波温度曲线参数 ℃

温度参数温区1温区2温区3温区4温区5温区6温区7温区8温区9温区10顶部温区设定温度130150160170175185185220260245设定温度公差上限5555555555设定温度公差下限5555555555底部温区设定温度130150160170175185185220260240设定温度公差上限5555555555设定温度公差下限5555555555

2.2.2 焊点形貌检查

选取10块EBGA器件失效的信号处理板，用焊点检查仪检查失效EBGA器件的外层焊点。检查结果显示, EBGA器件外层焊点塌陷良好，并无明显虚焊现象，如图1所示。

图1 焊点形貌

2.2.3 X射线检测

选取10块EBGA器件失效的信号处理板，进行X射线检测。检测结果显示, 焊点均无明显的虚焊现象，但焊点中存在较多空洞，如图2所示。空洞是由加热器件焊锡中夹杂的空气或助焊剂等化合物的膨化引起的[11-12]。因材料本身的特性，无铅焊料焊接后形成的焊点中空洞现象尤为明显。

图2 X射线检测

2.2.4 红墨水浸渍实验

为进一步验证失效EBGA器件的焊点是否存在虚焊现象，进行了红墨水浸锡实验。将EBGA器件失效的信号处理板用清洗液清洗干净后完全浸渍于红墨水中，待红墨水干涸后垂直分离EBGA器件与PCB板，实验结果如图3所示。

图3 红墨水浸锡实验

由实验结果可知，EBGA器件与PCB板间形成的焊点断裂层并未被染色，说明焊点不存在虚焊。同时，实验发现，焊点断裂绝大部分发生在焊球与EBGA器件之间，焊球与PCB板间形成的焊点较焊球与EBGA器件芯片间形成的焊点牢固。

2.2.5 重回流实验

选取10块EBGA器件失效的信号处理板，用BGA返修台对EBGA器件重新加热回流。实验样本分为2组：样本1，5块为一组，焊接温度比表1中的焊接温度高5 ℃；样本2，另5块为一组，焊接温度比表1中的焊接温度高10 ℃。由实验结果可知，2组样本重回流后，其EBGA器件均依然失效。重回流实验结果再次验证了EBGA器件的失效并非由焊点虚焊引起。

2.2.6 重植球再焊实验

为验证EBGA器件失效是否由“混合焊”引起，进行了EBGA器件重植球再焊实验。选取10块EBGA器件失效的信号处理板，采用BGA返修台解焊取下EBGA器件。将EBGA器件上原有的焊料清理干净，并重新植上有铅焊球(63Sn/37Pb)，将重植球的EBGA器件焊接到信号处理板上。因EBGA器件焊球材料与焊膏材料一致(均为有铅焊料)，此时的焊接方式即为传统的有铅焊接方式。经调试，10块信号处理板中仅有1块恢复正常工作，其余依然失效。排除实验的偶然性，可以确定EBGA器件的失效并非由“混合焊”引起。

2.2.7 EBGA更换实验

由上述实验结果可知，EBGA器件的焊接可靠。在此基础上，为验证EBGA器件失效是否由器件本身的质量问题引起，进行了EBGA器件更换实验。选取10块EBGA器件失效的信号处理板，采用BGA返修台解焊取下EBGA器件，再将新批次的EBGA器件重新焊接到信号处理板上(温度曲线与表1一致，焊接方式仍为“混合焊”)。经调试，10块信号处理板中9块板子均恢复正常工作，仅1块板子仍然失效。因EBGA器件在拆、换过程中对印制板焊盘造成了机械损伤，所以该块信号处理板仍然失效。因此，由实验结果可知，EBGA器件失效的原因为该批次器件本身存在质量问题。

2.3 实验结论

焊接温度检测、焊点形貌检查、X射线检测、红墨水浸渍实验、重回流实验及重植球再焊实验均验证了焊接原因导致EBGA器件失效的假设不成立。在此基础上展开的EBGA更换实验验证了器件本身的质量问题导致EBGA器件失效的假设成立。因此，该批次EBGA器件的失效并非由焊接原因引起，而是由器件本身的质量问题引起的。

该批次EBGA器件的库房贮存时间较久，存放时间较长、存放方法不当等因素均可能使器件出现质量问题。因此，后期需借助专门的失效分析机构对该批EBGA器件进行检测分析，找出器件本身质量问题的起因。

3 结束语

因缺乏专业的检测设备，无法对失效EBGA器件的焊点和器件本体直接进行检测，故本文采用了假设法进行分析，假设EBGA器件失效由焊接引起，通过焊接温度检测、焊点外貌检查、X射线检测、红墨水浸渍、重回流、重植球再焊共6个实验验证了该假设不成立。并在此基础上，假设EBGA器件失效由其本身的质量问题引起，通过EBGA更换实验验证了该假设成立，从而找到了EBGA器件失效的原因。一般科研、生产单位并不具备如金相切片、SEM、EDS等昂贵的专业失效分析检测设备，若在加工、生产中遇到类似的失效问题，可借助上述实验思路及方法定位失效原因。

后续应对失效器件进行进一步分析，找出器件本身质量问题的起因，针对性地改进器件的采购渠道、库存及管理的方式、方法，从而降低器件失效率，保证产品的可靠性。

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陆 伟(1986-)，男，硕士，主要从事电路工艺研究工作。

Failure Analysis for Some EBGA Devices

LU Wei

(The36thResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033,China)

Some batch of enhanced ball grid array (EBGA) devices with a high failure rate is analyzed in this paper. According to the failure phenomena of the products, it is assumed that the failures are caused by the welding problems or the quality problems of EBGA devices. The assumption that the product failures are caused by the welding problems of pseudo soldering and mixed soldering is proved unestablished by six experiments (the welding temperature detection, the solder joint appearance inspection, the X-ray detection, the red ink dipping experiment, the re-reflow experiment and the reball EBGA re-welding experiment). The experiment results show the EBGA device welding is reliable. Then the EBGA replacement experiment is carried out, which proves that the product failures are caused by the quality problems of EBGA devices.

failure analysis; pseudo soldering; mixed soldering

2013-11-23

TN61

A

1008-5300(2014)01-0048-04