【简述】产品在市场上运行一段时间后功能异常，主要是一个交换芯片失效，与现场微环境温度循环密切相关，分析和解决过程值得记录，包括最后技术合作的得与失。

【源起】产品在市场上一个局点运行一年多出现失效。通过分析，发现内部焊球出现裂纹。这很奇怪，芯片本身的可靠性设计及封装级可靠性试验，特别是温循试验都是符合标准，一般是超越标准的，为什么会出现内部焊球裂开失效呢？

【简要说明】下面是普通 FCBGA芯片示意图，对于内部焊球的应力，主要是封装树脂、硅芯片、衬底材料的CTE 差异较大，在温度变化时产生应变，多次就可能产生裂纹直至断裂失效。为了提升可靠性，增加 Underfill就是为了保护内部焊球，怎么还会失效呢？

(源于网络，仅供示意）

（示意图，CTE不同，温度变化造成应力不同，FPBGA常关注点）

     在没有出现该问题前，说到开裂，首先想到的外部焊球，如上FPBGA的四角焊点。应力主要是“温度循环”，相关的实验及寿命预测有很多资料。这次失效是内部焊球，是不是也与温度循环相关，为什么温度循环会多呢？到现场查看才了解到：运行设备是在原来的大机箱里面，温度出现两级调控，造成频繁温循，这在先前没有想到。但温度变化幅度并不大，十几度变化也难以在这么短时间内造成失效。还有什么原因呢？ 温度在70℃ 左右变化，这是个疑点，Undefill 材料的 Tg 就是 70℃，是不是这个相关呢？在选择Underfill 材料时，会材料的粘附特性、延伸率、CTE、及弹性模量等参数都有明确要求，玻璃化转化温度也会考虑。新品实验一般会超过实验标准，没有问题就认为合适。而这次的现场环境温度，循环次数确实远远超过了原来的假设。是不是这个原因呢，通过初步查询资料，在这个温度上下，材料的特性变化非常大（如下图），再按照原来的参数特性进行分析，是不对的。在 Tg 上下，玻璃态和高弹态的变化，CTE 、模量参数变化都很大，粘附特性、延伸率等与 材料发挥固有作用的特性都在变化，原来的分析和验证结果都已经失效。面对市场的失效，结合现场的场景应力（频繁的温度循环），到材料特性，初步认为失效原因自洽了。现场解决措施先落地：修改温度控制方式，换单板。

在后面长长地寻找失效机理的时间中（跨年度），没有再出现失效，表明现场改进措施有效。同时根据调研，还落实了一条原则，Underfill 材料不再选取 Tg 比较低的型号（主要是70℃），后面都是100℃以上的。原来较低也是因为 IC 本身的工作温度较低，随着功耗增加，实际工作温度提升。

（填充材料在Tg温度上下形变变化示意图，源于网上，略作修改）

这个案例后续拖得长，与找机理和量化密切相关。材料参数稳定的情况下，温循寿命有相对成熟的模型，结合具体参数，仿真分析结果比较可信。但在这个案例中，定性分析有了，初步措施也有了，要进行量化遇到了挑战。在 Tg  温度点上下的 材料参数变化较大，整个变化区间应力变化较大，累积效应怎样来判断实际是没有历史经验，参数提取，仿真分析，实际验证整个循环做下来，耗费了很多业界专家资源。虽然付了钱，整体项目结果还是有些疑问。

     有价值的收获：首先是解决了以往不了解的问题，从预防角度看：

1、对现场温度应力要有更多的了解，实际环境温度，还有单板的微环境温度，及变化频率及幅度。

2、芯片的实际微环境温度发生了变化，由于性能提升，平均温度比原来高。这也是为什么早期 FCBGA的underfill 材料 Tg 在 70℃下可靠性满足要求，后面变成风险。所以选择材料的 Tg 温度点提高也是合理的。当然还有其它参数也要适配，包括成本。

3、随着芯片的复杂程度提高，可靠性挑战增加，在前段强化可靠性设计，包括分析、验证与量化，都是必然趋势。同时由于新材料增加，结构复杂，时间缩短，对这个目标的挑战更大，后续再慢慢说。而在这个案例中，如果正向设计思路和选择已经明确，对于异常，后续不存在的场景投入量化工程，不仅是技术的难度，项目的整体效果也大打折扣。  

快变易显，慢变难防？

更重要的是把现场信息建立合适的联系，才能正确设计与分析。