处理器CPU功能异常？拆解测一测

引言

某PCBA在使用时出现功能异常，经初步排查，为处理器上一CPU功能异常导致。将CPU进行拆解后，重新焊接，处理器故障消失。现对失效处理器（NG)和正常处理器（OK)、裸芯片进行失效分析，查找失效原因。

检测分析

1 CT检测和外观检查

首先对NG、OK处理器的CPU焊点进行三维CT扫描检测，结果显示失效处理器和正常处理器中，CPU焊点整体呈现均良好，未发现焊点存在明显虚焊、枕头效应、明显裂纹等异常缺陷。

对NG、OK处理器的中CPU焊点进行外观观察，NG、OK处理器的CPU的BGA焊点未观察到明显开裂等异常现象。

图1 NG处理器CPU焊点三维图片

2 切片分析

为进一步确认失效原因，对失效处理器和正常处理器CPU以及裸芯片进行切片分析，观察焊点情况，发现NG处理器CPU中边角焊点存在完全开裂的现象，OK处理器CPU中边角焊点存在部分开裂现象，且焊点开裂均发生在焊料与焊盘界面处；另NG、OK处理器CPU焊点中，无铅焊球与锡膏可见明显的分界线，两者未充分融合；裸芯片切片中，无铅焊球与芯片焊盘结合良好，未见明显异常，如图2-1、2-2、2-3所示。

综上可知，导致处理器失效的直接原因为，CPU焊点存在断裂开路现象，导致CPU功能失效。

图2-1 NG处理器CPU失效焊点典型金相图片

图2-2 OK处理器CPU焊点典型金相图片

图2-3 裸芯片焊点典型金相图片

3 SEM/EDS分析

为了进一步确认失效原因，利用SEM+EDS对切片处理器进行进一步的理化分析。分析结果如表1所示。

（1）NG处理器和OK处理器中，CPU所有焊点均表现为无铅焊球与有铅锡膏未充分融合，存在明显的界限，且焊料与焊盘界面的IMC呈连续不均匀，成分为镍铜锡合金，且Cu含量异常的高，部分焊点存在明显镍腐蚀；

（2）NG处理器中其他器件焊点中，焊料与焊盘界面IMC层连续均匀，成分为镍锡合金，焊点亦存在明显镍腐蚀。

表1 各焊点对比结果

图3-1 NG处理器CPU中A焊点SEM图片

表2 NG处理器CPU中A焊点EDS结果（Wt%）

图3-2 NG处理器CPU面其他器件焊点SEM图片

表3 NG处理器CPU面其他器件EDS结果（wt%）

图3-3 OK处理器CPU中A焊点SEM图片

表4 OK处理器CPU中A焊点EDS结果（Wt%）

4 焊球分析

为确认裸器件中无铅焊球中Cu的含量是否正常，利用ICP方法，取裸芯片上的焊球，对其进行成分测试，发现裸芯片无铅焊球的Cu元素含量为0.651%（wt%），Ag元素含量为3.782%（wt%），根据焊球成分规格：Ag元素含量为3.76%，Cu元素含量为0.7%，该裸芯片上无铅焊球中Cu含量在正常波动范围内。

5 回流工艺曲线分析

通过切片分析结果可知，失效焊点中，无铅焊球与有铅锡膏未充分融合，说明在回流过程中，无铅焊球的熔融时间不足，导致无铅焊球与有铅锡膏未充分融合在一起。由于该CPU属于有铅和无铅混装工艺，按照混装工艺的要求，需要保证无铅焊球（中间焊球）的液相线以上时间在20~25s，以保证无铅焊球与有铅锡膏充分融合，显然失效焊点的工艺温度明显未达到要求。

结论

导致CPU功能异常直接原因为：CPU焊点开裂。导致焊点开裂的直接原因为：失效焊点中，焊料与焊盘界面形成镍铜锡三元合金，其本身与镍层结合力差，加之镍层存在镍腐蚀现象，严重弱化界面的机械强度，致使芯片在边角的应力集中位置发生开裂失效。产生上述失效的根本原因主要与两方面相关：（a）焊接工艺不当；（b）ENIG焊盘中镍层存在明显镍腐蚀现象。

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