FCBGA(Flip ChipBall Grid Array)是倒装芯片球栅格阵列封装的简称，其内部结构如图1所示。FCBGA的优点在于可以很好地解决电磁兼容(EMC)与电磁干扰(EMI)问题、提高I/O的密度、强化芯片散热的能力、大幅提高芯片在高速运行时的稳定性，因而成为目前图形加速芯片最主要的封装格式。

图1  FCBGA封装

随着集成电路技术和失效分析技术的飞速发展，我们对FCBGA封装集成电路的失效机理也有了更深的认识。接下来对FCBGA封装集成电路常见的失效机理结合案例给出简要介绍。

一、失效机理

1.     芯片开裂

芯片中存在大量的电源、地和I/O端口等金属化布线，当器件的芯片开裂时，芯片的裂缝和错位会造成电源、地和I/O端口发生短路、开路等问题，从而导致器件失效。扫描声学显微镜可以无损地探测出芯片是否存在开裂。

2.     内部粘接界面分层

器件内部粘接界面分层可能会导致内部微焊点断裂，造成器件开路失效。当器件在储存、运输等过程中潮敏管控不当，使器件受潮进水时，水在回流焊的过程中会产生爆米花效应，导致内部粘接界面分层，造成内部微焊点撕裂断开，从而导致器件开路失效。扫描声学显微镜可以迅速诊断内部粘接界面分层的失效机理。

3.     内部微焊点重熔短路

内部微焊点是端口在芯片与基板之间的电连接。当器件粘接界面分层时，内部微焊点在回流焊的过程中熔融，会脱离下填料的束缚而发生重熔，造成芯片不同的端口桥连，从而导致器件短路失效。X射线透视系统可以无损地观察内部微焊点重熔形貌，切片检查则可以将微焊点重熔填充下填料界面导致桥连的形貌完整地展现出来，从而进一步确定器件的失效原因。

4.     过电应力

器件端口由于过电应力可能导致芯片烧毁失效。当器件端口引入过电应力时，芯片中晶体管、电容和金属化承受的电流、电压或功率超过其极限工作数值，则有可能导致不可逆的物理损伤造成器件失效。通过热激光激发显微镜和光发射显微镜可以对该种失效机理进行精准定位，结合扫描电子显微镜，能够将芯片中的物理损伤形貌清晰地展现出来。

二、案例分析

1.      芯片开裂案例

某厂的FPGA采用FCBGA封装，装机后测试时发现电源对地出现短路故障。对器件进行声学扫描检查发现器件芯片区域存在异常形貌，如图2(a)所示。器件开封观察到芯片存在贯穿性开裂，如图2(b)所示。器件芯片由于贯穿性开裂，造成多个电源端口对地短路失效。

(a)声学扫描显微形貌

(b)芯片开封形貌

图2  机械应力导致芯片开裂形貌

2.      内部微焊点重熔短路案例

某厂的FPGA装机发现器件电源与地之间存在短路故障。对器件进行X射线检查，可见内部微焊点存在明显异常，如图3(a)所示，对器件进行切片检查，内部可见焊料大面积重熔导致桥连，如图3(b)所示。器件由于焊料熔融并填充分层界面导致凸点桥连，造成多个电源和I/O端口对地短路失效。 

(a)内部微焊点重熔X-Ray形貌

(b)内部微焊点重熔形貌

图3  内部微焊点重熔形貌

三、总结

本文对FCBGA封装集成电路常见的失效机理给出了简要介绍，具体总结如下表所示。结合案例分析，可以更清楚地认识到各种失效机理对FCBGA封装集成电路造成的影响。我们通过X射线透视系统、扫描声学显微镜等精密仪器，可以将存在芯片开裂、内部粘接界面分层、内部微焊点重熔短路等失效机理的器件进行鉴定，从而进一步提高FCBGA封装集成电路的可靠性。