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【簡述】產(chǎn)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(xiàn)場微環(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)品在市場上一個局點運行一年多出現(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(xiàn)內(nèi)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(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就是為了保護內(nèi)部焊球，怎么還會失效呢？

(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）

     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。應(yīng)力主要是“溫度循環(huán)”，相關(guān)的實驗及壽命預(yù)測有很多資料。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)會多呢？到現(xiàn)場查看才了解到：運行設(shè)備是在原來的大機箱里面，溫度出現(xiàn)兩級調(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，這是個疑點，Undefill 材料的 Tg 就是 70℃，是不是這個相關(guān)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(shù)都有明確要求，玻璃化轉(zhuǎn)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(xiàn)場環(huán)境溫度，循環(huán)次數(shù)確實遠遠超過了原來的假設(shè)。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(shù)特性進行分析，是不對的。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，原來的分析和驗證結(jié)果都已經(jīng)失效。面對市場的失效，結(jié)合現(xiàn)場的場景應(yīng)力（頻繁的溫度循環(huán)），到材料特性，初步認為失效原因自洽了。現(xiàn)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(xiàn)失效，表明現(xiàn)場改進措施有效。同時根據(jù)調(diào)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(wǎng)上，略作修改）

這個案例后續(xù)拖得長，與找機理和量化密切相關(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(zhàn)。在 Tg  溫度點上下的 材料參數(shù)變化較大，整個變化區(qū)間應(yīng)力變化較大，累積效應(yīng)怎樣來判斷實際是沒有歷史經(jīng)驗，參數(shù)提取，仿真分析，實際驗證整個循環(huán)做下來，耗費了很多業(yè)界專家資源。雖然付了錢，整體項目結(jié)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(yù)防角度看：

1、對現(xiàn)場溫度應(yīng)力要有更多的了解，實際環(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。所以選擇材料的 Tg 溫度點提高也是合理的。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，在前段強化可靠性設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，時間縮短，對這個目標的挑戰(zhàn)更大，后續(xù)再慢慢說。而在這個案例中，如果正向設(shè)計思路和選擇已經(jīng)明確，對于異常，后續(xù)不存在的場景投入量化工程，不僅是技術(shù)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(xiàn)場信息建立合適的聯(lián)系，才能正確設(shè)計與分析。