處理器CPU功能異常？拆解測(cè)一測(cè)

引言

某PCBA在使用時(shí)出現(xiàn)功能異常，經(jīng)初步排查，為處理器上一CPU功能異常導(dǎo)致。將CPU進(jìn)行拆解后，重新焊接，處理器故障消失。現(xiàn)對(duì)失效處理器（NG)和正常處理器（OK)、裸芯片進(jìn)行失效分析，查找失效原因。

檢測(cè)分析

1 CT檢測(cè)和外觀檢查

首先對(duì)NG、OK處理器的CPU焊點(diǎn)進(jìn)行三維CT掃描檢測(cè)，結(jié)果顯示失效處理器和正常處理器中，CPU焊點(diǎn)整體呈現(xiàn)均良好，未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)存在明顯虛焊、枕頭效應(yīng)、明顯裂紋等異常缺陷。

對(duì)NG、OK處理器的中CPU焊點(diǎn)進(jìn)行外觀觀察，NG、OK處理器的CPU的BGA焊點(diǎn)未觀察到明顯開裂等異常現(xiàn)象。

圖1 NG處理器CPU焊點(diǎn)三維圖片

2 切片分析

為進(jìn)一步確認(rèn)失效原因，對(duì)失效處理器和正常處理器CPU以及裸芯片進(jìn)行切片分析，觀察焊點(diǎn)情況，發(fā)現(xiàn)NG處理器CPU中邊角焊點(diǎn)存在完全開裂的現(xiàn)象，OK處理器CPU中邊角焊點(diǎn)存在部分開裂現(xiàn)象，且焊點(diǎn)開裂均發(fā)生在焊料與焊盤界面處；另NG、OK處理器CPU焊點(diǎn)中，無鉛焊球與錫膏可見明顯的分界線，兩者未充分融合；裸芯片切片中，無鉛焊球與芯片焊盤結(jié)合良好，未見明顯異常，如圖2-1、2-2、2-3所示。

綜上可知，導(dǎo)致處理器失效的直接原因?yàn)椋珻PU焊點(diǎn)存在斷裂開路現(xiàn)象，導(dǎo)致CPU功能失效。

圖2-1 NG處理器CPU失效焊點(diǎn)典型金相圖片

圖2-2 OK處理器CPU焊點(diǎn)典型金相圖片

圖2-3 裸芯片焊點(diǎn)典型金相圖片

3 SEM/EDS分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)失效原因，利用SEM+EDS對(duì)切片處理器進(jìn)行進(jìn)一步的理化分析。分析結(jié)果如表1所示。

（1）NG處理器和OK處理器中，CPU所有焊點(diǎn)均表現(xiàn)為無鉛焊球與有鉛錫膏未充分融合，存在明顯的界限，且焊料與焊盤界面的IMC呈連續(xù)不均勻，成分為鎳銅錫合金，且Cu含量異常的高，部分焊點(diǎn)存在明顯鎳腐蝕；

（2）NG處理器中其他器件焊點(diǎn)中，焊料與焊盤界面IMC層連續(xù)均勻，成分為鎳錫合金，焊點(diǎn)亦存在明顯鎳腐蝕。

表1 各焊點(diǎn)對(duì)比結(jié)果

圖3-1 NG處理器CPU中A焊點(diǎn)SEM圖片

表2 NG處理器CPU中A焊點(diǎn)EDS結(jié)果（Wt%）

圖3-2 NG處理器CPU面其他器件焊點(diǎn)SEM圖片

表3 NG處理器CPU面其他器件EDS結(jié)果（wt%）

圖3-3 OK處理器CPU中A焊點(diǎn)SEM圖片

表4 OK處理器CPU中A焊點(diǎn)EDS結(jié)果（Wt%）

4 焊球分析

為確認(rèn)裸器件中無鉛焊球中Cu的含量是否正常，利用ICP方法，取裸芯片上的焊球，對(duì)其進(jìn)行成分測(cè)試，發(fā)現(xiàn)裸芯片無鉛焊球的Cu元素含量為0.651%（wt%），Ag元素含量為3.782%（wt%），根據(jù)焊球成分規(guī)格：Ag元素含量為3.76%，Cu元素含量為0.7%，該裸芯片上無鉛焊球中Cu含量在正常波動(dòng)范圍內(nèi)。

5 回流工藝曲線分析

通過切片分析結(jié)果可知，失效焊點(diǎn)中，無鉛焊球與有鉛錫膏未充分融合，說明在回流過程中，無鉛焊球的熔融時(shí)間不足，導(dǎo)致無鉛焊球與有鉛錫膏未充分融合在一起。由于該CPU屬于有鉛和無鉛混裝工藝，按照混裝工藝的要求，需要保證無鉛焊球（中間焊球）的液相線以上時(shí)間在20~25s，以保證無鉛焊球與有鉛錫膏充分融合，顯然失效焊點(diǎn)的工藝溫度明顯未達(dá)到要求。

結(jié)論

導(dǎo)致CPU功能異常直接原因?yàn)椋篊PU焊點(diǎn)開裂。導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂的直接原因?yàn)椋菏Ш更c(diǎn)中，焊料與焊盤界面形成鎳銅錫三元合金，其本身與鎳層結(jié)合力差，加之鎳層存在鎳腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重弱化界面的機(jī)械強(qiáng)度，致使芯片在邊角的應(yīng)力集中位置發(fā)生開裂失效。產(chǎn)生上述失效的根本原因主要與兩方面相關(guān)：（a）焊接工藝不當(dāng)；（b）ENIG焊盤中鎳層存在明顯鎳腐蝕現(xiàn)象。

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