迅维网

标题: ===知识普及：关于芯片的封装工艺和故障现象讨论=== [打印本页]

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-21 15:50
标题: ===知识普及：关于芯片的封装工艺和故障现象讨论===
本帖最后由月夜宁静于 2016-5-21 15:59 编辑

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。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

  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。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
一些倒装封装和HMB封装的原理图：

显存封装

普通倒装BGA

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。

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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。

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-21 16:06
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。

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-21 16:08
顺带给迅维打个广告：

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

作者: wlm9086 时间: 2016-5-23 00:09
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！

作者: wlm9086 时间: 2016-5-23 00:12
如此神贴发出数日都没人看到，可惜可惜

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-23 03:18
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。

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-23 03:29
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。。。

作者: leyvi 时间: 2016-5-23 11:24
路过学习一下知识

作者: wlm9086 时间: 2016-5-23 19:13
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？

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-23 19:49

wlm9086 发表于 2016-5-23 19:13
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 ...

是的，就是这样。

作者: 小明哥哥2014 时间: 2016-5-23 22:08
头晕，看不懂！

作者: maxels 时间: 2016-5-25 11:26
在此受教了，谢谢楼主！

作者: wlm9086 时间: 2016-5-28 20:16

月夜宁静发表于 2016-5-23 19:49
是的，就是这样。

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？

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-28 21:11

wlm9086 发表于 2016-5-28 20:16
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 ...

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。

作者: ivwsit 时间: 2016-5-28 21:13
看懂一点点

作者: wlm9086 时间: 2016-5-29 00:34

月夜宁静发表于 2016-5-28 21:11
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 ...

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。。。

作者: wlm9086 时间: 2016-5-29 14:27

月夜宁静发表于 2016-5-28 21:11
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 ...

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。。

作者: 月夜宁静 时间: 2016-5-30 00:05

wlm9086 发表于 2016-5-29 14:27
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 ...

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。

欢迎光临迅维网 (https://www.chinafix.com/)