芯片燒毀失效分析

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2022-10-25 19:17:44 83

引言

大多數電子元器件失效的主要原因為元器件內部電路與參考地之間存在不同電位形成短路狀況，產生過電流而造成元器件損壞，即EOS損傷。元器件的結構設計、生產工藝、儲存運輸等都有可能致其產生EOS失效，且難以從表面觀察出來。

本文以芯片燒毀失效為例，通過無損檢測、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理，并提出改善建議。

一、案例背景

終端用戶反饋機器有SIM卡無信號，無法連接網絡。該機器生產后測試功能正常，在倉庫放置一段時間后失效，初步分析是PA物料本體不良，異常是PA的供電pin損壞。現進行測試分析，查找其失效原因。

二、分析過程

1.失效現象確認

測試電容的阻值，可以確認其PCBA上PA芯片的失效現象，因此對失效樣品電容兩端的阻值進行測試，確認失效現象。

測試結果顯示：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，說明失效PCBA芯片短路失效。

2.外觀檢查

為確認失效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其進行外觀檢查。

檢查結果顯示：未發現失效PCBA上PA芯片外觀存在裂紋、破損、金屬遷移等異常現象。

3.X-ray檢查

為確認失效芯片內部是否存在明顯異常，對失效芯片進行X-ray檢查。

檢查結果顯示：失效芯片底部焊盤都存在焊接不飽滿的現象，芯片底部焊盤是起散熱作用的，底部焊盤不飽滿可能會引起芯片散熱不良；失效芯片內部結構與功能正常芯片內部結構一致，未發現明顯異常。

圖1.失效芯片X-ray檢查形貌

4.超聲掃描

為確認失效芯片內部是否存在明顯的分層現象，對失效芯片進行超聲掃描。

掃描結果顯示：對比未使用芯片，失效芯片內部都發現有分層現象（右側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象，為確認芯片內部的短路位置，利用Thermal EMMI熱點定位技術對多個失效芯片進行定位分析。

定位結果顯示：

（1）失效芯片上均發現異常熱點，熱點位置都位于同一個位置，說明失效芯片短路位置為同一個位置；

（2）通過對比X-ray圖，推測失效芯片都為內部同一個芯片有短路現象。

圖3.失效芯片熱點定位形貌

圖4.X-ray與熱點定位對比圖

6.CT掃描

為確認失效芯片內部短路位置是否存在明顯異常，切割下失效芯片進行CT掃描。

掃描結果顯示：失效芯片熱點位置的芯片內部都發現疑似燒毀現象，芯片內部走線、載板都未發現明顯異常，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

為確認芯片內部是否存在明顯燒毀的現象，對多個失效芯片進行開封觀察。

觀察結果顯示：

（1）失效芯片內部都發現有燒毀現象，燒毀位置也一致，說明為同一種失效模式，為EOS燒毀；

（2）失效芯片內部其他功能芯片未發現燒毀現象，內部載板也未發現明顯的金屬殘留。

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

為確認失效芯片內部是否存在金屬遷移或其他異常，對部分失效芯片、功能正常芯片、未使用芯片進行切片分析，切片到失效芯片燒毀位置。

切片結果顯示：

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

（2）失效芯片燒毀區域底部都存在銀漿填充存在缺失；功能正常芯片該區域同樣存在銀漿少量缺失的現象，缺失主要集中在GND引腳下方，失效芯片燒毀區域下方填充*；銀漿缺失可能會導致該區域熱量集中，無法散熱，最終導致芯片EOS燒毀。

以上分析說明：芯片失效是由于芯片同一位置出現了EOS燒毀導致的，且燒毀區域底部銀漿都有缺失的現象，因此芯片內部出現EOS燒毀的可能原因有①外部存在過電應力；②底部銀漿缺失導致芯片散熱不良，該區域熱量累積，最終導致芯片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.電應力排查

前面分析可知：芯片內部因出現了EOS燒毀導致的失效，且燒毀的位置為同一位置，因此對PCBA上電應力進行排查分析。

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

（2）對失效PCBA更換未使用芯片后測試VAP-VCC2電壓，打開4G移動數據及打開WIFI未發現明顯異常波形，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，最終導致EOS燒毀的可能性較大。

圖11.電應力來源示意圖

圖12.失效PCBA更換未使用芯片后VAP-VCC2引腳電壓

三、總結分析

通過測試發現失效芯片內部存在短路現象；外觀檢查未發現失效芯片表面存在明顯的破損、裂紋、金屬遷移等異常現象；

X-ray檢查未發現失效芯片內部結構存在明顯異常，但底部焊接焊盤存在焊接不飽滿、不完整的現象，底部焊盤是起散熱作用的，焊接不飽滿，會導致芯片不能有效散熱；

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

通過缺陷定位，確認失效芯片內部同一個功能芯片失效導致；通過CT掃描確認該功能芯片存在疑似燒毀的現象，且在燒毀區域都發現芯片銀漿粘接存在缺失；

通過開封觀察確認失效芯片內部存在燒毀現象，燒毀位置位于功能芯片同一個位置，因此應屬于同一種失效模式，通過燒毀形貌判斷應屬于EOS燒毀失效；

通過切片分析發現失效芯片都為同一個區域存在燒毀導致的失效，通過切片確認多個失效芯片燒毀區域都存在銀漿填充缺失的現象，未使用芯片銀漿填充*。

通過電應力排查可知，失效PCBA更換正常芯片后，PCBA正常工作，打開4G移動數據時VAP-VCC2供電電壓未發現異常，可排除因過電應力導致的芯片失效。

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

①外存在過電應力，通過電應力排查，未發現過壓現象，可排除因過電應力導致的芯片失效；

②熱擊穿導致芯片失效，通過切片發現失效芯片都存在銀漿缺失現象，這將導致芯片工作時熱量累積、散熱不良，最終出現燒毀。

四、結論與建議

綜上所述，芯片失效直接原因為內部晶圓出現EOS燒毀，而晶圓出現EOS燒毀的原因為內部銀漿缺失，引起芯片內部局部散熱不良，熱量累積最終導致的燒毀。

建議：（1）加強芯片的來料檢驗；

（2）改進芯片焊接工藝，使芯片底部有效散熱。

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