i-Phone 13的拆解与细说.pdf

83PCB InformationJAN.2024 NO.1笔 者 2021 年 初 剖 切 i-Phone 12 所属 5nm 的 A-14 处理器时，网络上就有很多传言说 2021 年底的i-Phone13/A15 生产者台积电会进入 3nm 制程，而且 A15 在软件方面会加入颇多人工智能 AI 的额外功能。于是完成 i-Phone 12(刊载于TPCA季刊91期，印制电路资讯2023 年 1、3 月刊)的实做文章后，又激起笔者对 3nm 全新 A15 再做剖析的兴趣。没想到A15却仍然是5nm技术，由于加入 AI 大量功能后迫使 A15 的主芯片面积加大，更迫使全无支撑软弱的 RDL 也必须随之加大。经过上下游六七道焊接强热剧烈胀缩的折磨后，从切片上终于见到 RDL绝缘板材 PSPI 的开裂与四层铜线的扭曲变形。想必是功能方面还堪使用，于是从市购所得质量不良可靠度有问题的产品也被判为良品出货云端厚大 PCB 与厚大 Carrier 的需求更甚于终端手机与计算机的薄小板类，两者量产中所发生的失效问题并不完全相同。本期共整理出 280 帧彩图编辑成文分享读者。i-Phone 13 的拆解与细说图 1文/T P C A资深技术顾问 白蓉生了。如此之功能大增不但 RDL 变大，而且用 RDL 去互连 A14 主芯片原来所加挂的两小芯片也变四枚小芯片了。此外 Fan Out 区的三圈铜柱也被挤成更为细长而令电镀铜进入更困难的境界，于是笔者又对如此不可思议的深盲孔镀铜填铜，从逻辑原理上着墨了四节图文试加诠释，不妥处尚盼高明不吝指正。2.0 i-P h o n e 1 3 的整体外观(图1)2.1 1 0 L主板正面的组装i-Phone 13 的主板是由上 10L板，中双面框板，与下 8L 板所先后叠焊而成。上下两 SLP 类载板其内外共四面都密集贴焊了众多主动被动大小零件，而中夹双面框板的一、前言二、i-P h o n e 1 3的外观与N O-1切样2024 年 1 月第 1 期84顶面即出现两圈共 724 个圆銲垫。注意，该 16 张 2116 玻纤布的双面厚框板规格很严，必须保持极度的不弯扭，以免危及两主板朝内多枚大号组件的撞车。此项精密控制则全靠双面框板的品质了。(图2)2.2 N O-1切样的起步图 3 中，i-Phone13 其 PoP 心脏的 A15 即着落在 20 层三合一之十层主顶板朝内的 L1 板面处，后续将从 NO.1 切样连续看到台积电专利 InFO 的布局，也就是铜柱与RDL 互连的各种细节与其他多样的全新发现。NO.1 切样中夹双面框板第二列共出现 37 组通孔上下銲点，其顶部即为十层主板朝内 L1 面两圈共有 724 个 ENIG 銲垫。2.3 三合一 2 0 层板的上下焊接图 4 中，从左图可见到夹中的双面框板，其角色是把上 10L 板与下 8L 板先后两次焊成 20L 板的互连体。图为 10L 板与双面框板先焊 724 颗锡膏焊点的 1000 倍与2000 倍放大图，可清楚看见上下两 ENIG 銲点三种混合 IMC 中的Ni3Sn4，与离 EN 近的(Ni,Cu)3Sn4,及距 EN 远的(Cu,Ni)6Sn5。注意：这三种IMC中只有Ni3Sn4才有强度。图为双面板与 8L 板后来只焊一次的画面，可见到两次强热的 IMC 确比一次强热要更厚一些。此等精密切片全靠徒手抛光而非机器。2.4 N O.1切样第二刀焊垫的截面画面图 5 最上 50 倍接图中可见到正面最外圈的 55 个铜柱，这就是每个 A15 芯片四面散出 Fan Out三圈约 660 个铜柱的四分之一；其图 2图 3图 4图图图85PCB InformationJAN.2024 NO.1做法是先在外围光阻中开洞与高速填铜而成的。图为 400 倍的完工板接图，图的 1000 倍大接图即为台积电专利 InFO 的精髓所在。2.5 台积电 I n t e g r a t e d F a n O u t (I n F O)的亮点图 6 中，左图即为台积电InFO 六道工序的简述，笔者已在91 期(TPCA 季 刊 91 期，印 制 电路资讯 2023 年 1 月刊)3.10 与 3.11两节共享了 8 个示意图，试将台积电 InFO 从原理与逻辑去猜想其极度保密的流程。首先是在芯片的外圈区(Fan Out)先涂布颇厚的光阻，之后感光成为 660 个深盲孔，于是进行溅射钛铜与高难度的深盲孔填镀铜成为铜柱与随后的浇填EMC。第三步是做内外互连的四层 RDL。第四步就是印 SnAg 锡膏与焊 ROM 的三层板。第五步为填底胶。第六步于 RDL 的 UBM 处利用锡银铜銲球焊到 10L 板的 L1即完成 PoP 与主板互连的大工程。如此上下游多次焊接强热将造成大号 RDL 的变形。2.6 电镀铜柱的困难与进步将 电 测 良 好 的 芯 片(Known Good Die，KGD)重新宽松排列在另外 12 吋玻璃板上(见图 7 中图对照图)，以便在玻璃板的外围蓝色空地(Fan Out)每个 KGD 外做上三圈铜柱，然后再于芯片内部与外围共做上四层 RDL 完成 Fan in与 Fan Out 的互连。图 7 中，左图为 i-7 年代的粗矮铜柱，图为i-12 的高铜柱，而图图则为i-13 更为细长瘦高的困难铜柱，也就是说电镀铜柱的难度与技术，也因外围面积变小与深度增加双重挤图 7图 6图 5图压下变得愈来愈瘦长了。2.7 芯片外围镀铜柱的搅拌工程由前节图的蓝色 Fan Out 外围即 InFO 电镀铜柱的领域，从前节图可知其深盲孔纵横比已超过 2/1，就 PCB 而言几乎是不可图图图图图图图图2024 年 1 月第 1 期86图 9能的填铜工程。图 8 中，图即为晶圆镀铜高价专用机的结构示意图，是为每片晶圆镀铜而设计者。其中往复搅拌的速度非常快(400 600RPM)，如此可逼薄阴极膜加速Cu+往盲孔内扩散与镀液交换的双重效果。其高纯度镀液每次镀后即不再使用，由于阴阳极距离很近因而可用到 25ASD(1ASD=9.1ASF)的快速填铜。图的套图为阴极外表槽液的结构。2.8 利用柏努力原理与文式管效应加强镀液的搅拌图 9 中，图为根据柏努力原理使飞机上升的实例，也就是冲刺中顶面路径长因而密度小流速快压力小，但底面却是路径短流速慢压力大而抬起飞机。图、图、图均说明流速慢处压力大，流速快者压力小的其他案例。图为电镀槽加速搅拌的喷流器(Eductor)也是柏努力原理的应用，右侧帮浦打入一支高速流体当其穿过内部小喷嘴时，即因更加快流速而压力变小。于是周围压力较大的镀液即可压入到喷嘴外围而一并向左 5 倍喷出。图为投手变化球下坠的原理，于是流速慢压力大，流速快压力小的原理还可用在空气流动而不仅是液体的流动了。2.9 电镀铜有机添加剂的种类与原理以硫酸铜及稀硫酸为主的镀铜液还需加入三种有机助剂；图 10中，图为 SPS 的 Brightener 光泽剂，其功能是帮助镀铜有如汽车之油门，由于分子量很小故容易进入死角助镀。图为大分子量的载运剂 Carrier 又称润湿剂，但却扮演图 1 0图 8压抑面铜增厚的角色如同手剎车。图为带强烈正电的 Leveler 整平剂，有如脚剎车一般可阻止镀铜。图说明 Cu+在槽液中并非单纯离子，而是靠凡德瓦尔力彼此正负相吸多种官能基的铜游子配位体。由于铜游子个头大且工作电压又只有 23V，因而所沉积的铜全是出自扩散层而非主槽液的铜量。2.1 0 水液中有机物的分子自我组合膜 S A M水溶液中的有机物会自我组合图图图图图图图图图图图图87PCB InformationJAN.2024 NO.1图 1 3成为短链状的薄膜(Self-Assembled Monolayer)，最容易产生此种反应者就是光泽剂分子其硫醇头(-SH)对底铜面的吸着。图 11 中，图说明光泽剂带着铜离子吸附底铜死角并不断带入的示意图。图说明肥皂水分子在吹泡泡内外吸着的短链 SAM 画面。图说明水中润湿剂的自我组合并可包覆污物完成清洁工作的原理。图是水中碎小的有机物完成其链状 SAM 的过程。2.1 1 外围先做的铜柱与后来R D L的互连接点台积电 InFO 专利的做法，是先在各芯片外围的光阻深盲孔中高速填镀铜而成铜柱，以每芯片外三圈铜柱来计算，则共约有 660 个铜柱与 RDL 的互连接点。图 12 中，从图与图两 3000 倍电镀铜清楚画面看来，RDL 千层派的 L1 与晶脸铜柱间，只见到红色的溅镀铜而看不到先溅射的白色钛层。图与图均为铜柱与 RDL 互连其3000 倍的全图，可见得到 RDL 各层线路于多次焊接高温中所出现被挤压变形的画面。2.1 2 i-P h o n e 1 3/A 1 5的三枚S o C大小芯片与互连的 R O M图 13 中，从图与图可见到 A15 是由一大两小三枚 System on Chip(SoC)芯片所组成，从图可见到 A14 也是由一大两小 SoC 芯片所组成。另从图可见到i-Phone 12 其 PoP 的 ROM 是由两个模块于 2D 平面贴焊而成，不过图图却见到 i-Phone13 的 ROM 是由三个大模块所组成。说明是为了增加 AI 人工智能而扩大了存储器容量了。图 1 2图 1 1图图图图图图图图图图图2024 年 1 月第 1 期882.1 3 i-P h o n e 1 3的 A 1 5处理器其主芯片所加带小芯片已从两片增到四片图 14 中，图的上下两个大接图为 NO.1 切样第 2 刀的明场与暗场取像，所见到 A15 处理器利用 RDL 所加带的左 5 脚小芯片与右 6 脚小芯片。而 A15 主芯片又焊接三层载板的 RAM 模块完成其三片芯片的 2D 封装体。图为NO.1 第 4 刀两个明场的大接图，可清楚见到 A15 主芯片所另带的两小芯片已与图的两小芯片完全不同。换句话说 A15 互连的 RDL/L4 面上共加带了四个小芯片，而第 4 刀所见两小芯片却比第 2 刀的两小芯片大了很多。也就是说 i-13的 A15 比 i-12 的 A14 多了两个小芯片功能自然更多了。2.1 4 A-1 5 应用处理器其大小芯片的组合图 15 中，图为第三刀所见到 A15 主芯片所加带四个小芯片中最大的一颗，可清楚见该 12 脚芯片与 RDL 的焊接互连；图即为其第 12 脚互连 RDL 再与主芯片的 2000 倍接图。图为第 8 脚的2000 倍接图。图的 3000 倍接图说明小芯片利用其铜柱与 RDL/L4的銲点详情，由于多次上下游强热对已有常规 IMC(Cu6Sn5)已进一步反应成为灰色不良的 Cu3Sn。图也是 3000 倍接图，晶脸上的变形细线清晰可见。2.1 5 主芯片加大后互连用R D L胀缩的变形(1)图 16 中，图为放大 2000 倍的接图是出自 2.10 节图与图其A15 的 5 脚小芯片，由于 A15 软件图 1 4图 1 5图 1 6图图图图图图图已加入人工智能的功能，如此不但迫使主芯片的布线大幅增多，当然也就不得不加大芯片与 RDL 的面积。于是在上下游多次焊接强热的折磨(Fan Out 的 EMC 封胶，RDL承銲四个小芯片，RDL承銲ROM，RDL 焊接 10L 主板的 L1，10L 主板L10 的背面焊接，10L 板与双面框板以及8L板的前后两焊，共7次强热)，如此多次的热胀冷缩终于造成 RDL图图图图89PCB InformationJAN.2024 NO.1线路与晶脸超细线路两者的变形，也许大部份功能还算正常因而也只好上市卖出了。故知产品的质量标准是随生意好坏而可变动的。2.1 6 主芯片加大后互连用 R D L胀缩的变形(2)图 17 中，图绿色虚线之上为 RDL 的 4 层铜线，由于 A15 线宽仍为 5nm 且又多了人工智能，因而必须增加极多布线而迫使芯片变大当然 RDL 也跟着变大，多次强热中软弱的 RDL 必然会出现铜线与 PSPI 树脂的胀缩变形，因而出现了细薄铜线的扭曲走样以及 PSPI 树脂的层间开裂。笔者在i-Phone12 拆解文章的 3.21 节，即已展现了多处 PSPI 的开裂。然而回顾 2016 年的 i-Phone7，当其主芯片与 RDL 均较小时却从未出现铜线变形与层间开裂。图、中不但 RDL 扭曲变形，甚至连晶脸上的细线也为之扭曲不堪。2.1 7 主芯片加大后互连用 R D L胀缩的变形(3)图 18 上图即为 i-Phone12 其A-14 内外互连 RDL 中 PSPI 树脂变形开裂的画面，幸好该 4 层铜线及其下缘晶脸的 I/O 铜柱尚未变形。下图为 i-Phone13 其 A15 互连RDL 铜线的扭曲变形与 PSPI 的层间开裂，甚至连晶脸上细线的波浪变形也变得十分明显。载板业界曾担忧一旦 RDL 如此好用又便宜，将来势必会影响到载板的生存。没想到当 RDL 大到某种程度时就玩不下去了。如今尺寸 60*60mm 以上，板厚超过 16 层的 5G 用厚大载板又成了新的挑战。载板面积太大下游组装时必然会造成四角上翘的图 1 9图 1 7图 1 8枕头效应以致可靠度不足的麻烦。2.1 8 N O.1 切样第三刀竟然见到两颗零件从 8 L 板 L 1 銲垫处脱焊图 19 中，从图可见到 20L板上下焊接的全图，而粉红色箭头所指处却见到零件从底部 8 层板的 L1 脱焊，也许只是局部脱焊因而并未完全失去功能仅仅是堪用而已。从苹果对所有供应链的严格管理而言，似乎不应该出现如此离谱的 Case 才对。由于本期刊版面不足只好把图与图的高度剪掉一图图图图图图图图图图2024 年 1 月第 1 期90图 2 2些而未见全部失效的画面。2.1 9 N O.1切样第四刀 8层板L 1 铁壳内敏感元件与 1 0 层板 L 1 所焊模块内 6层覆晶载板之焊球图 20 中，图为 NO.1 第 4 刀50 倍取像的全画面接图，图为 8层板 L1 所焊铁壳及其内部敏感大模块的 400 倍接图，图为 10 层板L1 所焊大模块 6 层载板内部 9 球覆晶 Filp Chip 模块其中三个球脚的1000 倍单图，可清楚见到 Eutectic的画面。图与图为 SAC305銲料冷却稍慢所呈现剑状的 IMC(Ag3Sn)，事实上 3D 中却另为片状才对。3.1 N O.2 切样第一刀的画面(1)图 21 中，图即为前 2.2 节所标示 NO.2 切样第一刀的 50 倍接全图画面，可见到 10L 顶板顶面所承焊的大小元件与外表满涂的黑色石墨散热膏，中间 22 个通孔的双面框板正是上焊 10L 板与下焊 8L板的中置互连板。图为框板顶部与 10L 板互连的首銲点，图为双面框板与底 8L 板互连的二銲点。而双面 ENIG 其两次强热的 IMC确比一次者要厚一些。3.2 N O.2 切样第二刀的画面(2)图 22 中，图为 NO.2 切样第二刀 100 倍 9 脚模块接图的全画面，可见到 10L 顶板朝内 L1 所承銲 9 个球脚的小模块(全面应为81 脚)，此图下侧为 8L 底板朝内 L1 所承銲的 6 个被动元件。图为 9 球脚模块的 400 倍接图，图为其第 2 球脚的不正常画面，怪异的是该枚覆晶锡球的右侧竟然不图 2 1图 2 0三、N O.2 切样的观察知从何处贴来了额外的一块多余銲料。须知 Flip Chip 芯片覆焊 Bump动作中尚未填底胶，笔者怀疑可能是 Underfill 流动中所带来的东西。3.3 N O.2切样的负面教材从 3.2 节第一刀可见到 9 个球脚的小模块，再切第三刀时整排銲球时竟因手法不良而出现左侧磨入太深，造成图 23 上列 400 倍接图第二排 9 球的左二球竟然掉落不图图图图图图图图图图图91PCB InformationJAN.2024 NO.1见，下两图为磨斜了两球大小的对比(本应同大小)。由此可知失效分析(Failure Analysis,FA)切片的手法要比 QC/QA 级要严格多了。一般 FA 级良好切片是 2000 倍移动观察中画面不可模糊。当然逆向工程(BackEngineering)切片又比 FA级还要更小心才对，一旦失手就无法挽回了。3.4 N O.2第三刀所见各种不同銲点的诠释图 24 中，图为 A15 主芯片利用 RDL 与 12 脚小芯片完成焊接互连的 3000 倍放大画面，从下侧可见到 A15 主芯片的晶脸利用其 I/O 铜柱与 RDL 的 L1 采镀铜方式互连，但上侧 12 脚小晶片则用其 I/O铜垫先行植球，再去覆焊到 RDL/L4 的 T 型铜垫上而完成互连。图为 NO.2 切样第三刀所见 10 层主板的 L10 与所承焊大模块四层载板的1000 倍放大接图，可见到顶面 ENIG的复杂 IMC 与底面 OSP 的简单结构。图为主板 L10 的 OSP 与载板ENIG 共 10 个 QFN 銲点所选 2 点的 2000 倍接图，其 ENIG 銲点复杂的 IMC 结构均可清楚分辨。3.5 N O.4 切样左侧切入第一刀图 25 中，图为 NO.4 切样左侧第一刀全景，可见到下侧 8 层板 L1 所焊的不锈钢外壳与内部 18脚敏感模块，笔者关注的是外壳底框对 PCB 垂直立焊的銲点强度。2000倍的图与图可清楚见到踩入锡膏所完成銲点其小草状 Ni3Sn4的 IMC 非常健康，而与 8 层板 L1的 OSP 皮 膜 的 IMC(Cu6Sn5)形 成鲜明的对比，且小心调度光影的图更可见到滚镀镍的皮膜，此等变图 2 5图 2 3图 2 4图图图图图图2024 年 1 月第 1 期92化光影与彩色的取像在高价 SEM电镜是做不到的。3.6 N O.4切样的第 2刀与第3刀从 3.5 节见到 10 层板 L1 贴焊了一个被锯破的 5 脚小芯片，图26 中，图为该破芯片 400 倍接图的深入探讨。上下图均见到小芯片的晶脸(Top Metals)竟然出现了许多刺入晶背(Psub)的双长针，好奇心下又再磨入第四刀，终于见到第二球左下方晶背中果然出现了怪事。1000 放大的图可见到由两条细针在晶背中挂了一个三层波浪铜线秋千状的 N 阱(Nwell)，图为 2000 倍接图，图为 3000 倍的单图虽更清楚但仍然不知所云，多次上网才大概知道此细针是过孔(Via)，孔内不敢填入容易扩散的铜而另采钨或聚硅类做为互连用。3.7 N O.4切样第 3刀从 3.5 节 50 倍接图的全画面可见到，其下侧 8 层板 L1 所承焊大铁壳与内部对电磁波敏感的18 球脚模块，而此模块的画面只能看见 3 层载板顶面与芯片互连的8 个小型铜柱。图 27 中，图即其中段 4 个小铜柱放大 400 倍的接图，可见到铜柱上下銲点结构不同，也就是顶部为 ENIG 銲点结构底部为 OSP 銲点。下三图放大 1000 倍的画面中铜柱上下銲点的不同结构均清晰可见。至于上下銲点外缘铜面的凹陷则为贾凡尼效应。原因是切片经仔细抛光后还要小心微蚀銲料与铜两者才能看清立体结构，此时铜柱与铜面两者均扮演阳极，而EN 与 IMC 却扮演阴极所出现的贾凡尼效应。图 2 7图 2 6图图图图图贾凡尼效应NwellNwell93PCB InformationJAN.2024 NO.14.0 特殊板材的十层板与黄铜内罩的焊接从前文最开始的 2.0 节可见到中上方刻意放置前相机双摄影镜头的画面，图 28 图即其互连软板所衔接机械镜头组合的界面。此图下侧即为三层软板朝纸面垂直伸出的断层画面，该软板是为了镜头组合与控制主机板两者间讯号互连之用途。图为图左蓝圈处的特殊十层板与金属外壳的銲点剖面，注意该外壳并非最外大框的不锈钢材料，而是用黄铜框再去镀镍所形成的强固銲点，图的右二图即为焊点两侧的放大图。注意该特殊十层板全无玻纤布，树脂为暗紫色并加入许多球状的细小粉料，而互连盲孔又看似铜膏，不知何方神圣笔者确实前所未见。4.1 软盲孔填铜的困难图 29 中，图为 4.0 节下侧的放大画面用红字所指明处即为三层软板盲孔的位置，图为该盲孔的立体全图，图为该软板的全部纵横尺寸，可见到盲孔内已镀到 44.28 m，板面平均镀了 13.5m 左右，而盲孔深度只有 25.4m，但却未能如硬板深盲孔般全满填铜甚至还会向上凸出的场面，填不满主要原因是盲孔纵横比太低太浅了反而不易填满。其原理正如 2.9 节所言，光泽剂助镀与载运剂反镀两者功能在浅盲孔时反而不如深盲孔容易展现。至于软板的孔环比硬板大很多的原因，是为了减少弯折时铜环自PI 板材浮离而设计。图 2 9(责任编辑 谭雯倩)图 2 8四、i-P h o n e 1 3 机顶前置之双摄像镜头图图图图图软板盲孔