华为工艺可靠性设计方法与实践ppt课件

工艺可靠性设计方法与实践 华为公司工艺可靠性研究业务介绍 工艺基础研究部工艺可靠性研究组20061124 Page2 目录 工艺可靠性业务的需求分析工艺可靠性业务行业分析工艺可靠性业务组织流程工艺可靠性业务技术内容工艺可靠性技术在产品中的应用案例 Page3 产品中工艺可靠性需求 HighPerformanceSystems10 25年的使用寿命对工艺可靠性设计的要求 高频 高速信号 热可靠性问题高复杂度单板 封装技术的极限化发展带来的失效 MidRangePerformanceElectronics5年以上使用寿命 混合组装 无铅可靠性问题 Hand held WirelessElectronics4年以上使用寿命 振动 冲击等特殊应用环境 高密 无铅可靠性问题 低成本问题 Page4 工艺可靠性行业分析 业界趋势分析 ECTC SMTA近年来在工艺可靠性领域的研究 1 不同表面处理条件下的脆性断裂问题 2 快速可靠性评估方法研究 3 无铅 密间距焊点可靠性研究 4 腐蚀与迁移失效机理研究 5 无损分析和故障诊断技术 业界采用仿真 可靠性试验以及失效机理的研究方法对典型的板级互连可靠性问题进行研究 包括 Page5 ReliabilityEngineering FEM Page6 业界常见可靠性业务流程 DesignVerification FailureanalysisRootcauseanalysis results Predictions failures Manufacture Marketproduct Fieldfailures Componentcountreliabilityanalysis Longtermlifetest grouptesting Design rules ProductQualification Productdesign results Parametricdistributionyieldanalysis Demonstrationoftargetreliability SHIP BETA ALPHA FEM Page7 工艺可靠性业务内容 工艺对象 环境 可靠性研究方法 结论 焊点PCB PTH辅料器件 基于POF仿真分析工具可靠性试验标准失效分析方法 工作热循环工作机械应力功率循环组装热过程组装机械应力存储运输气候环境气氛 设计方法可靠性规格DFR设计流程技术积累 Page8 工艺可靠性研究内容 挑战 高密高速 小型化 低成本的市场需求新技术 新工艺 新材料的不断应用研发周期不断缩短新型法律法规出台 环保政策的推行工艺可靠性研究就是从工艺的角度 控制工艺风险 保证产品的质量波动在允许的范围之内 工艺可靠性研究的主要课题 PCBA的环境适应性电气互连可靠性 PCB可靠性 连接器互连的可靠性 Page9 工艺可靠性分析测试和评估能力 无损分析技术微观组织结构分析表面形貌分析技术材料力学性能测试有限元模拟和仿真技术 Page10 工艺可靠性设计与产品开发 有限元仿真分析技术 采用Ansys仿真技术对板级热 机械应力进行分析 评估各种工艺对象包括焊点 封装 PCB的热机械可靠性问题 并进行优化设计 Page11 工艺可靠性技术与产品开发 工艺失效分析 失效现象 失效模式 失效机理 根本原因 改进预防 芯片级器件级单板级系统级 开路断路时断时续 物理化学电学热学力学材料学 可靠性设计物料制造过程应用环境人为损坏 DFMDFR来料监控 Page12 工艺可靠性设计与产品开发 新材料 新工艺 新封装工艺可靠性认证与评估 InfluenceofNi Sn Cuternaryintermetalliccompoundonsolderjointreliability Page14 PRESENTATIONOUTLINE OverviewExperimentsresultsDiscussionConclusion Page15 Overview Asweallknow Cu SnorNi Snbinarycompoundformsattheinterfaceofpadandsoldermaterialaftersoldering ScallopCu6Sn5 1 thinNi3Sn4 2 Cu6Sn5 Page16 Overview Butsometimes thingsdon thappenedexactlylikethis Ni Sn Cu Ni Sn SAC NiAuBGAaftersoldering 3 Page17 Overview SomebodyfoundsolderjointbrittlefracturebetweentwolayerIMCandthenattributedtoternarycompound Ni Cu Ni Sn Ni Sn Cu SolderjointopencaseinQualcomm 4 Page18 Experiments Assembly PCB HASL OSP IAg NiAu ENIG solder SnPbeutectic SAC BGA NiAu Etch 5 HNO3 alcoholtoremovesolderwithoutcross sectionSEM EDSSolderjointfracturecaseanalysis Page19 Results NiSnbinaryIMCformedinNiAu SnPb NiAuSolderjoint granularsand like 6000 x Solderjointaftersolderremoved Ni Snonly NiSnbinaryIMC Page20 DisconnectedrockformeduponsandinHASL SnPb NiAu Rocklikecolumnliesuponsandlikegranules JustchangePCBfinishingfromNiAutoHASL thingsbecomedifferentatBGAside Results 2000 x Page21 5000 x Sand likemainlystillNi Sn containsalittlecopper rock likecolumnmainlyContainsNi Sn Cu Results EDSindicatesNi Sn Cuternarycompound Theydoexist Page22 Ifcopperexistinethersideofsolderjointorinsideofsolderjoint ternarycompoudwillformuponnickellayer Results Theyevenexistinalmostallkindsofsolderjoint Page23 Results Itseemslikethis SnPb NiAu HASL OSP SAC NiAu Any evenNiAu reflow Ni Sn Cu Ni Sn Cu Page24 Discussion Whycoppercanmigratesolongdistance Copperissoactivewithmuchsolubilityintin CoppercanformCu SnIMCmoreeasilyandquicklythanNi Sn Atthetouchsecond greatmanycopperdiffuseintomeltsolderevenexceedstablesolubility Duetounstable somecopperatomcomebacktodecreaseenergy Coppermigration Touchmeltsolder reflow Coolingbegin IMCnucleateatinterfaceandternaryIMCforms Page25 1000 x 3000 x Hollowhexagon HollowhexagonCu6Sn5 3000 x 2000 x solidtrigon solidhexagon Discussion Variablemorphologyofternarycompound sometimeslikeCu6Sn5 Lookssimilar Page26 Sothecolumncanbeidentifiedas CuNi Sn5 a b Diffractionpatternof a Cu6Sn5binarycompound b column liketernarycompoundfoundinsolderjoint 5 Discussion Thecrystalstructureofrock likecolumnisclosetoCu6Sn5 Page27 FieldfailureofBGAsolderjointcrack foundtrigonandhexagonrockatfracturesurfacewithoutanyetching Discussion Somesolderjointfailurecasesshowabnormalbrittlefracture 1000 x Canternarycompoundbesoterrible Page28 TopsideBGAsolderjointcrackafterwavesolder foundmorestrongtrigonandhexagonrockatfracturesurface Somesolderjointfailurecasesshowabnormalbrittlefracture Discussion 1000 x Isternarycompoundatroublemaker Page29 Discussion ItseemsthatcrackdevelopbetweentwoIMClayers Ni Sn Cu andNi Sn Cu Yes theredoexistmicrocracksinIMClayer Ni Sn Cu Ni Sn Cu 5000 x Page30 Discussion Failurejointternarycompounddidn tshowanydifferencetoothers But therealsoexistevidencetoprovehisinnocence Fracturedidn toccurinIMCbutatinterfacebetweensolderandIMC Page31 Discussion Howaboutothercompanies Page32 Discussion Howaboutothercompanies InterfacialfailurebyScompany dewetfailurebyScompany InterfacialfailurebyUIC Page33 Conclusion whencopperexistinsideoratethersideofsolderjoint Ni Sn Cuternarycompoundwillformatinterfacebetweennickelandsolder TheNi Sn Cuternarycompoundhavetwolayers Ni Sn Cu and CuNi 6Sn5 theformeriscontinuousanddensegranularsand like andlaterisdiscontinuouscolumnlike thebondingstrengthofthetwolayercompoundmightnotgoodenough andsometimescanleadtomicrocrack butalmostnevercausesolderjointopeninthisway Somecompanyfoundsolderjointbrittlefractureandattributedittoternarycompound buttheredoexistcontraryopinionsandmanyexperimentresultdon tshowanyweaknessofternarycompound UICplantodoafullresearchandwecanparticipate AssessmentonReliabilityof1 0mmpitchBGAPackagedouble sideassembly HUAWEITECHNOLOGIESCo Ltd ProcessReliabilityResearchGroupofAATCBoardDesignEngineeringDept 20061124 Page35 OUTLINE OverviewReliabilityTestSampleDesignReliabilityTestresultsSimulationAnalysisConclusion Page36 Overview Advantage layoutsimple Optimumrouting noiseisolation shortenlinelengthProblem rework longreliability Page37 ReliabilityTest BGAPackageandPCBTestboard 1 0mmpitch25 25mm256solderballs 1 6mmPCBOSPsurfacefinishCommonTgmaterial Page38 ReliabilityTest BGAAssembly Double sidemirrorassembly Double sideoffsetassembly Page39 ReliabilityTest Testsample 240 C Page40 ReliabilityTest ThermalCyclecondition 1hourpercycle 15mindwelltime 200 failurecriterion Page41 ReliabilityTest Reliabilityresults SinglesideSnAgCusolderjointshavethestrongestreliabilityDouble sidemirrorassemblydecreasethelifebyhalfDouble sideoffsetassemblywillimprovethereliability butdependonthedistanceofoffset Page42 ReliabilityTest Failureanalysis CrackinitialfromthesolderjointsofcornerRedmeanssolderjointopenentirelyGreenmeanssolderjointfailinelectricfunction butnotseparatefromPCB Page43 SimulationAnalysis MaterialProperty ImplicitCreepModel Page44 SimulationAnalysis Crackgrowthmodel ForSn63Pb37 Darveauxmodel ForSnAgCu Syedmodel Page45 SimulationAnalysis FiniteElementModel diagonal Geometrysketch Singlesideassembly Page46 SimulationAnalysis FiniteElementModel Doublesidemirrorassembly Doublesideoffsetassembly Page47 SimulationAnalysis FEMResults dangerouspoints Singleside Doubleside Initialcracklocationhavedifferentforsinglesideanddoubleside Page48 SimulationAnalysis FEMResults Estimationlife failurelocationbyFEMpredictionissametoexperimentalresultspredictionlifehaveagoodcorrelationwithexperimentalresults Page49 Conclusion ForPCBAstructureusinginATCexperiments wefound forallassemblyshape thefirstcrackwillinitializefromsolderjointofcorner forSnAgCualloy doublesidemirrorwillreducelifebyover3timescomparedwithsingle sidewhetherbyusingexperimentorFEM whileforSnPballoy FEManalysisshowthereductiondegreewillincreasemore DoublesideoffsetassemblyshapewillincreasethesolderjointsreliabilitytosomeextentwhichdependonthedistanceofoffsetReasonsofsolderjointsreliabilityreductionforBGAdouble sideassemblymaybeincludepackagestructure solderalloy PCBthickness offsetdistance andsoon thesefactorswillinteract Page50 DSPC6203器件工艺失效分析 整机测试功能信号时断时续 用手轻轻按压或者开机一段时间故障现象会暂时消失之前曾经出现过此类失效 二者的故障现象和失效定位几乎完全一致 当时的给出的结论是在拿板的时候该处DSP器件是承受外力最大的位置 从而容易造成失效 如此相似的失效现象重复出现 有必要进行更加深入的分析 以确定起失效的根本原因 Page51 无损检测分析 XRay分析 最初的故障定位在U21位置芯片的A1角附近 对该芯片A1附近区域进行X Ray分析 结果如图1所示 发现除了存在较多的气孔 没有其他的异常现象 Page52 无损检测分析 IV曲线 重点对BGA器件的四边引脚进行分析AA19和W22开路 AB21和W21时断时续 Page53 无损检测分析 ERSASCOP分析 芯片AB22位置角附近存在多处焊点的开裂现象 裂纹产生在器件侧焊盘同焊料球之间 当在该芯片处施加外力或者热应力的情况下 裂纹可能会暂时的愈合或者断开 因此 功能测试表现出时断时续的现象 Page54 有损检测分析 起拔试验 几乎所有焊点的断裂面都在器件侧焊盘与焊料球之间断面光滑平整 属于脆性断裂AB22角部分焊点端面颜色发暗 应该为断裂面在空气中曝露 Page55 SEM显示断口为脆性断口 Page56 韧性断口图象 推力试验 Page57 一个正常焊点起拔后的各种断面位置 一般断面在焊料球中间或者是由于器件侧和PCB侧的焊盘从基板脱离 Page58 有损检测分析 切片 器件侧焊盘为ENIG镀层个别焊点器件侧出现的裂纹裂纹产生在Ni层 IMC之间 并几乎贯穿整个界面 裂纹的宽度为2 4微米左右 裂纹在Ni层 IMC之间产生并扩展 Page59 有损检测分析 切片 时断时续焊点器件侧出现明显裂纹 所有焊点PCB侧连接正常 Page60 SEM 时断时续焊点器件侧裂纹背散射图象 所有焊点PCBIMC背散射图象 Page61 有损检测分析 SEM和EDX 能谱分析的结果显示了断面Ni层的P含量过高 一般来说业界通用的标准认为ENIG焊盘Ni层中P的含量在9wt 10wt 左右为宜 而从图中可以看出该批次器件样品的P含量已经达到了20wt 25wt 断面P含量超高 Page62 有损检测分析 线扫描 Page63 有损检测分析 线扫描 从线扫描的结果看出 在Ni SnPb的界面位置出现了大约一个微米厚度的P的峰值 说明在该层面存在着P富集的现象解释 在焊点服役过程中界面处IMC不断生成和长大 会不断的消耗界面附近两侧的Ni和Sn 这就使原本P含量偏高的Ni P 层在靠近IMC的地方形成含量更高的富P层 同理 IMC的另一侧会形成一个富Pb的区域 富P层的形成会造成焊点界面的严重弱化 在工艺操作或运输过程中即使是受到一些微小的应力 也容易导致器件焊盘从焊点脱离 Page64 改进措施 短期解决措施 尽量减少单板加工过程中的热过程 比如减少回流焊液态以上温度时间 降低峰值温度等 减小扣板在装配环节的受力 如规