日本电子维修技术 ===知识普及:关于芯片的封装工艺和故障现象讨





    有言有先:此贴纯属个人经验总结,目的是让新手了解一些芯片的封装工艺,以便对芯片级故障有个较为深刻的理解。因为坛子里和网上一些维修普及性知识贴里也没专门提到。而相关的工艺贴多在一些专业论坛里,一般也很少有在人去看。所以就用自已的话总结一下,或许有不正确或片面之词,还请指正,一起讨论。

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  我们经常在维修的过程中判定某芯片损坏,然后加焊或更换,故障消失,通过测试OK,就认为故障已经完全修复。但实际上可能真相并不是如此,很多时候在使用一段时间后故障会再现,一些维修师付们也发现这种情况并总结为”某芯片易损,加焊无用“等结论,当然是正确的。但究竟为什么会造成加焊短时有效用久又故障复发呢?这还得从芯片的封装工艺和焊接工艺说起。


  现在常见的大芯片多为FCPGA倒装封装工艺了,还有部分引脚数不是很密集的(如IO,声卡芯片,QFN封装的网卡芯片)依然使用传统的引线键合封塑工艺。

  倒装和引线键合是现在最常见的封装。其中引线键合是把引线(铝丝或金丝,也听说有用银铜合金丝)通过超声热压焊接焊在硅芯片上做好的PAD焊盘上。这种键合一般来说是非常可靠的。在封塑后键合点随着温度的升高金属音的焊接会变的更牢靠,抵抗温度冲击的能力也非常好。所以在正常使用下,引线键合的芯片除非是批次性的制造不良,否则很难损坏。象一些老式音响上的QFP封装的芯片(如CD机的DSP,屏显芯片)往往使用十几二十多年都还完好。

但是由于电路要求引脚密度变大,信号频率变高,普通的平面QFP封装不能满足电气性能要求了。BGA球栅阵列封装就出现了。

  其实早期的非倒装封装的BGA芯片,一样是把硅芯片和芯片的PCBA基板用引线键合,然后封塑植球。这种老的BGA芯片也很耐用。只要PCBA基板不出问题基本上芯片也能正常使用N年不易损坏。

  然而倒装封装的BGA芯片拥有更好的高频电气性能,但倒装封装本身确是相对来说很脆弱的。

  倒装封装是指硅芯片先制造好微小的焊盘,然后在焊盘上植上微小的球,再把植好球的硅芯片倒扣过来焊到芯片的基板PCBA上。焊好后在硅芯片和基板之间的缝里填上胶密封。

  仅仅这个倒装封装工艺就非常复杂:(以下言论均来自于网络信息收集,非原创,只是个人理解和总结用通俗的话语表达)

  首先一块芯片的电路是非常复杂和庞大的,象主流的GPU芯片动则拥有几十亿个晶体管,十几二十多层的腐刻沉积堆出来的。然后芯片的IO,时钟,供电引脚通常要进行重新分配以避免信号间干扰,供电引脚电流的平衡(避免出现局部电流过大造成电迁移和过量发热)。然后在这些弄好后最外面层上形成平面焊盘阵列。

接着要对这些焊盘处理(镀铜或镀金的焊盘要加中间层以方便和凸点焊接),沉积镍或其它强度较高的金属,并在焊盘外延做钝化层和绝缘层,最后把微小的凸点焊球焊到这些焊盘上。

其中凸点焊球有多种,一般常见的是锡铅合金,无铅锡合金,高铅合金,铜凸点等。。其中高铅和锡铅合金是以前常见的。其中高铅(90%铅10%锡和其它金吃属)凸点小球相对锡铅共晶锡球能耐更大的电流。但是高铅凸点质脆易开裂,对热冲击的耐受性不锡铅合金。纯铜凸点性能好但工艺加工难度大。

硅芯片倒装焊接在芯片的基板上后,由于受热变形树脂材料和硅的热膨胀系数不同,两者会有较大的形变差从而产生应力,这些应力会造成芯片倒装焊接在很短的时间和循环次数后即失效(凸点焊接处断裂脱焊),所以在缝隙里利用毛细作用填充上底充胶。充胶后胶固化后紧密的把硅芯片和芯片基板,焊球结合在一起成为整体。从而对抗热形变应力,大大提高芯片的抗热冲击能力,同时也能保护微小的焊球和提高硅片散热能力。

再说说PCBA基板,也就是芯片所在的那块PCB电路板,基板和常见的电路板没什么本质差别,只是芯片基板的过孔非常微小,有些甚至是小于1MIL尺寸的极微过孔。基板起到再分配供电和信号引脚并承载芯片的作用。

顺便提一下时兴的HBM堆叠封装技术。和倒装一样,2.5D堆叠只不过在基板和硅芯片再加一层过渡层,然后显存硅晶片和GPU都倒装焊到过渡层,再由过渡层焊到基板,变为成品芯片。其中显存堆叠用的是硅通孔工艺,直接在硅片上打过孔,减小引信长度提高频率。而通孔亦当成层间焊盘使用,多是铜凸点热压焊(这又是另一个复杂的工艺流程了)键合到一起的。。

最后再说下PCB过孔,多层PCB上可能有埋孔,盲孔和通孔。通孔大家都知道,埋孔等于是半通孔,一面看得见一面看不见,看不见的那面在PCB内部层间。埋孔则是两面都看不见层内走线。其中有一些BGA焊盘有塞孔工艺。就是在焊盘上打通孔后再把孔填塞起来并再次镀铜。


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一些倒装封装和HMB封装的原理图:

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2016-5-21 15:58 上传




显存封装

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普通倒装BGA

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2.5D HBM封装。




感谢耐心看完上面的话语。现在,假如有一块显卡花屏了,经软件测试是某区某位显存故障,请问,有多大把握可以说是显存损坏?

分析:

从GPU到显存之间的连线,经过:GPU硅芯片----倒装凸点焊球----芯片基板线路和过孔------基板和显卡PCB的BGA锡球-------显卡PCB的线路和过孔-------显卡PCB和显存芯片间的BGA锡球------显存基板线路和过孔------显存倒装凸点焊球-------显存硅芯片

当我们判断某区某位显存损坏后第一反应是换显存或加焊GPU。但是:由上述可知,整个链接通路任何一处故障均可造成线路连接失效。其中重植只对基板和板卡PCB间的锡球脱焊有效(加焊都没用,因为加焊不能有效去除焊盘上已有的氧化层或有害IMC层)。而倒装封装凸点焊球脱焊,芯片基板损坏,板卡PCB损坏都造成同样的故障。

当我们了解了这些后,是否还会觉得加焊即解决问题是好的方法呢?在供电正常的情况下,显存哪有那么容易损坏的?

就容易发生损坏的几率(个人经验),高温GPU芯片>板卡pcb过孔损坏>显存芯片。这也是为什么花屏显卡加焊后好用用又坏的原因。

多数是坏芯片倒装凸点,芯片基板过孔断路,板卡PCB过孔断路。由于没有好的方法检则究竟是哪个部分不稳定造成的故障。所以维修起来无法快速判定故障位置从而导致维修效率低下。

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乱七八糟说了这些,目的还是希望大家了解后进行探讨,开发出更好的测试方法找出故障点,并总结经验共享。修理是门生计更是种乐趣。







评论
所以说芯片制造商对芯片回流焊接的温度和时间有严格的限定。

受潮的芯片,过久的焊接时间,和过高的温度,均可能会造成芯片倒装焊点,充胶层密封度,基板造成损坏从而让芯片报废。

再好的BGA返修设备也达不到工厂回流炉的温度和时间精度,就不要提什么土炮风枪了。用来吹吹传统键合封装的芯片还行。吹BGA就算修好了又如何?不可能保证不损伤芯片和焊接品质的。

并不是打击土炮党,而是事实即是如此。仅BGA芯片锡球和焊盘之间的IMC(铜锡合金)层的厚度和晶粒种类要求就很严格。过久的焊接时间和高温都会造成IMC层变厚,晶粒粗大,从而造成IMC层质脆,在以后的热冲击循环中会早期断裂失效。。。。。。。。这是不可避免的事实。

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顺带给打个广告:

想BGA芯片级维修?起码你得有一台较专业的BGA返修台!360F返修台你值得拥有!


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楼主你真是太太厉害了,芯片,显卡的专业知识真是学的过硬!看了你的帖子真是受益匪浅,只知加焊bga修好的东西不可靠,但不知原因,今天算是懂了,感谢楼主!

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如此神贴发出数日都没人看到,可惜可惜

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有人顶就把这个贴完善一下:)

关于BGA为什么重植比加焊效果好的原因分析:

BGA芯片是由球栅阵列将芯片焊盘和板卡PCB焊盘焊接形成电气通道的。在工厂回流工艺中一般很少会发生虚焊冷焊的(这些工艺不良多在试产阶段就会被检测出并更正)。但偶而还是会因为出现一些芯片因批次质量不良(芯片PAD或PCB-PAD焊盘氧化,污染未能有效处理),回流工艺不良未及时更正,受外应力造成锡球断裂或焊盘脱落等。

针对这些情况,加焊是否有效呢?我们来一一分析

一:假如BGA芯片因库存和生产过程中失效,造成焊盘脏污,氧化而未能及时检测更正,造成了虚焊(焊点未浸润)和冷焊(浸润不良,电阻过大)。由于焊盘本来就已被污染或氧化,在不重新上锡重植球的情况下,焊油里的活性物质很难去除焊盘上的氧化物和脏污,这种情况加焊意义不大,不能有效解决问题。

二:假如BGA芯片因焊料品质因素或受外应力造成焊球断裂(断裂多发生在IMC层),注:IMC层是指锡料和PAD铜焊盘之间产生的合金化合物,纤焊就是靠IMC合金层来完成电气连接的。合格的IMC层厚度要在指标内,且晶粒不亦粗大,要求致密从而保证一定的强度和塑性。但是高温和过久的焊接时间会造成IMC层变厚,晶格粗大甚至层内产生微小的晶格断层,使IMC层合金机械性能变差,质脆。容易在热循环冲击下断裂导致电气连接失效。

    而加焊不仅不能解决IMC层断裂的焊球,甚至会让好的焊点情况恶化。使其IMC层变厚变脆,造成故焊扩大甚至芯片报废。

三:假如BGA芯片焊盘因受外应力或生产过程中受潮造成焊盘脱落掉点。这种情况加焊根本就没用必须补点。


综上所述,当BGA芯片失*词语被过滤*,多数情况下加焊根本就没有实际意义,就算暂时加焊后因锡球熔化粘连上焊盘短时间内可以正常工作,但几次热循环或环境应力,震动作用下,很快再次失效故障重现。

那么什么情况下加焊才有意义?

一般来说只有在焊盘和锡球未被严重氧化, 因工厂回流工艺缺陷(如缺少助焊剂,回流温度设定错误,焊盘有轻微的氧化污染等),也就是说BGA芯片还很新,加焊能焊得上并能保证品质时,加焊才有意思。

象用了一年以上的显卡,焊球长期暴露在空气中氧化,粘污上灰尘,甚至烟焦油,厨房里的油气,空气中的各种杂质气熔胶之类的。就是用再好的焊油也无法保证加焊的品质,何况不能排除焊盘严重氧化,焊盘脱落,PCB起泡或变形等故障原因。。

  所以说,加焊是一种恶习,是对客户不负责任的做法。尽可能的重植而不是加焊故障BGA芯片。


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再说说PCB过孔。几句话带过:)

好的PCB(以FR系列为示例),其玻纤品质,胶片品质,钻孔精度,棕化品质,铜黑化品质,复铜厚度,树脂纯净度等这些工艺质量相对通路货要好的多的多。。

曾经的七彩虹7300GT批量花屏事件就指向PCB过孔问题(未确认)

PCB品质不良,微孔钻的孔壁粗糙造成镀铜厚度不均,孔定位精度差中心轴偏差大造成孔焊盘有月牙缺口。PCB层内有缝隙容易受潮,在热循环或返修加热过程中容易起泡造成通孔拉扯断裂等。通孔电阻值过大,造成信号质量不达标形成隐患。。。多了去了。

品质差的PCB可以造成各种各样的故障并且很隐必,在维修过程中往往因为PCB故障让维修进入死胡同,特别是通孔故障(时通时不通,和温度有关健)更是让人抓狂。举个例子:

比如经典的A显卡2R不过问题,由于A卡自检过程中显存检测不通过会直接造成黑屏不亮机(N卡会亮但花屏),又没有好的测试软件检测是哪个区的显存电路问题,基本上该卡就没办法修理。就算是N卡有检测软件如果遇上通孔热稳定不良也只能砍区屏必了事。。。

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路过学习一下知识

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GPU硅芯片----倒装凸点焊球----芯片基板线路和过孔

请问这段是不是指 核心上面的那一小块像镜子一样反光的东西就是GPU 硅芯片,然后芯片基板就是硅芯片下面那个方形小电路板?然后他们之间也是由一颗颗锡球连在一起的?只是封装起来看不到而已?

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是的,就是这样。

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头晕,看不懂!

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在此受教了,谢谢楼主!

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这位大神请问一下,在给显卡上BGA加焊之前,皮老虎吹掉核心基板和PCB之间的锡珠的灰尘这个工序重要不?是不是选用一些风力强劲的皮老虎多吹几次吹掉越多灰尘,加焊效果越好?

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看来你还是没能理解这个贴的意义。

你必须尽可以的舍弃掉“加焊”的习惯,而改为“重植”,原因贴子里已经说的很清楚了。

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看懂一点点


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我知道你的意思,加焊的确不可靠,但是一些没啥价值的卡就不重植拉,想在加焊上多下点功夫尽量能提高成功率降低复发率。。。

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发的帖子没审核过,再发一次,我的意思是如果碰上那些价值低的卡,就不重植的情况下,如何能尽可能提高加焊的成功率,和降低返修率,吹出核心下面的灰尘这个工序是不是非常重要呢。。

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先用无水酒精冲洗GPU肚子,最好用洗板水冲洗干净,再105~110度烘10~30分钟,完了再在GPU四周打上适量的焊油,然后风枪150度吹溶进GPU肚子里面,再上BGA焊台或风枪加焊,成功率会高的多。 电路 电子 维修 我现在把定影部分拆出来了。想换下滚,因为卡纸。但是我发现灯管挡住了。拆不了。不会拆。论坛里的高手拆解过吗? 评论 认真看,认真瞧。果然有收 电路 电子 维修 求创维42c08RD电路图 评论 电视的图纸很少见 评论 电视的图纸很少见 评论 创维的图纸你要说 版号,不然无能为力 评论 板号5800-p42ALM-0050 168P-P42CLM-01
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