iphone 6解析及切片细说

pjh02032121 · 发表于 2017-5-16 17:04

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本帖最后由 pjh02032121 于 2017-5-16 17:04 编辑

【来源】： TPCA 【作者】：白蓉生【发表日期】：2015-5-27

一、历史回顾与再度创新
二、射频（Radio Frequency）收发器（Transceiver）的水平切片
三、CPU所在PoP区的切片观察
四、其他主动元件的不同銲点
五、对ELIC主板结构的观察
六、PCB与Carrier有何异同
七、结论

一、历史回顾与再度创新

两年前的同一此时（2013.4），笔者曾就TPCA所首次购买的 i-5 手机，与工研院电子所合作进行微切片深入分析。对只有两根手指大小的十层主机板共做了十个精密切样，且对每个切样都小心持续往内部磨入寻找某些珍贵的镜头。两个月内前前后后共计显微取像近800张。发现了该PCB供应的日商 I 公司，确有许多值得学习的宝贵技术与经验。并据以写成了两篇共35页的会刊文章（60期与61期），以及编辑成共含233个彩图的52页讲义，提供3小时的现场课程。

全球电路板大小协会虽然有八九个之多，大型者除了出版会刊、论文集、规范与宣传品之外，其日常工作绝大多数都是举办各式各样大小活动，与其前后无穷无尽以Talk为主的大小会议，这岂不正是玩笑话所谓的「以会养会」嚒？各协会极少参与PCB/PCBA的实做工程与现场技术。TPCA业务中则尚有与众不同实际动手的”失效分析”，为会员们做实务性的服务。拆解著名的商品当然也是技术工作之一囉！两年前笔者除了在协会五楼大讲堂以3小时对百余的业界菁英们做了半天现场发表 i-5 之剖析外，还在8月的深圳两岸PCB活动中搭配笔者的失效分析教材，另外举办了个人全天上下午两场大型课程。后者（2013.8.29）所在深圳鸿丰酒店的大型会议厅，竟然挤进了200多位嘉宾，堪称是少见的盛况。

2015.4两年后的今天，TPCA再以台币22,500的代价购入了一支 i-6 的新手机，另与工研院材化所合作进行拆解分析与研究。笔者以77岁知天命的高龄继续动手小心制备切样，继续派上老花倦眼注视高倍显微的众多彩色画面，在心无旁骛全神贯注下，凭借着所累积的智慧顺藤摸瓜逐一取像。

此次切 i-6 为了看清心脏A8式CPU所在的PoP位置，利用Olympus工具显微镜（STM-6）高倍取像，并首采内建专用软件进行接图。例如将8张100倍单图小心翼翼逐一拼接成为组合图之际，更是屏气凝神紧盯荧幕丝毫不敢大意。所得精美之彩色拼图，绝非老式光镜与黑白电镜之所能相提并论，不信你瞧：

图2.

①上两列100倍8小图为拼接成组合图之前所摄取的各个单图档案。

②第三列者即为一般软件所拼接之组合图，由于各单图都是从圆形物镜中所取像，因而7个拼接交界处高倍仔细看清时，不免会出现稍稍下陷之"圆化"现象。

③最下列之单图系出自STM-6内建专用软件之组合图，其封体与芯片从头到尾完全呈现平坦有如单图，当然此时已不再保有各8张的单图档案了。

二、射频（Radio Frequency）收发器（Transceiver）的水平切片

手机系统大可分为①Analog射频微波通信区块，以及②Digital方波计算与记忆区块；等两大部分，因而手机比一般计算机之复杂系统又多了一大块射频微波的架构。当天空中各种微波到达手机时，其最先进入的机构单元就是收发器（Transceiver）系统，下列之方块框架图正是手机收发器的标准架构。

图4.
① 此架构的上半截是手机的收讯系统，当天线接收到发话频率的特定微波讯号时，当然在锁定频率之外也必定还夹带了许多，高于或低于锁定频率的其他多种噪声。亦即所谓的高频噪声与低频噪声。于是来讯先经蓝色双工器到达蓝色的带通滤波器（BPF；Band Pass Filter，方块内有三条波线者），再经两道红色的功率放大器（LNA/VCA）针对锁定微波之功率予以放大。之后再穿过绿色圆形的混频器（Mixer）与另一次蓝色的BPF以及红色的中频放大器（IF Amp），即可进入灰色译码的基频区（I/Q Demodulator）了。

②此大图下半截为反其道而行的发讯步骤，也就是资料由灰色基频区先经编码器组成方波，当然也要经过放大与滤波等过程。随即方波从绿色混频器取得加配的正弦载波（Carrier Wave）后，才得以出关而往空中发射出去。

一般人所了解IC（Integrated Circuits集成电路器，大陆称积成块）其内部线宽目前已细到了20nm的等级，其实那是指处理方波讯号的CPU或各种存储器而言。由于其芯片内系由极多晶体管（Transistor）与彼此互连线路所构成的伟大与复杂的布局。当今CPU中的晶体管（大陆称晶体管）数量已多到百亿颗时，其有限面积的多层线路芯片中，待布设的互连线路若非纤细到20nm时，又如何能将全数晶体管放置进去？

然而各种类比（Analog）式RF模块（Module），所用到晶体管最多的就是功率放大器（PA）与其他极多的滤波器，却是由电容器和电感器两者并联与串联所组成的。于是笔者就利用水平切片对高通（Qualcomm）公司的收发器进行观察。后列画面中的确可见到内建螺旋式（Spiral）的电感器，与众多平行铜线式的电容器。事实上这两种被动元件其多层极薄铺铜的宽度都非常宽，与一般有机载板的细线并无很大的差距。绝非一般人所认知的各种IC芯片线宽都已到了奈米等级了。笔者学浅对此水平大图面只能认得出平行线的电容器，与螺旋铺铜的电感器，其他则一无所知了。

三、CPU所在PoP区的切片观察

此次TPCA出资的i-6拆解，既然是与工研院材化所进行合作，当然事先就要做好沟通与工作的分配。比起两年前 i-5 下刀不当而伤及 PoP 载板的裁切，与十分外行切样镶埋的往事；此次材化所 i-6 的截断与笔者自己动手的镶埋，自然就更为专业与精准多了。事实上笔者的确对此珍贵的 i-6 切样进行了多次磨入与850多次取像，所得资料当然也就更为充足了。

图8.

①从前页上图i-6主板正面左端之Logo，可明显见到此10层EL IC式PCB是出自美商TTM（原港商OPC）的出货。而笔者收到5枚断件后即动手镶埋，并从此A8区的下缘小心进行多次磨入及多次取像。

②前页下二图系经工研院材化所小心切断而形成5段试样的正反画面。

3.1 对PoP区三种銲球的观察

主板正面中段PoP所属一楼CPU之芯片，与其所安身的6层式HDI载板之间，从多张清晰的图像中可见到下列不同锡球：

①一楼CPU载板腹底面对PCB互连的 SAC 305 整排球脚（33X35=1155球，比两年前 i-5 的1292球要少一些）。

②一楼封体内部CPU芯片与其载板互连的SnAg突块（Bump大陆称凸点）。

③二楼DRAM打线用三层载板与一楼CPU覆晶六层载板，两板间完成上下强力焊接结合为一体的机械球，也就是外三圈如灯罩或花瓶般的大型机械球（其中部分兼用于电性互连而其他则均做为綑绑用途）。

图9.

①最上拼接图之上排即为PoP连体位置所最先切到的第一排机械球，其下侧第二排每排33个水煎包式的SAC 305球脚，那正是CPU载板与下侧PCB间做为电性生根互连的BGA球脚。至于上侧最外圈37颗如花瓶或灯罩样较大的锡球，那是PoP区将一楼与二楼强力焊成一体的机械球（外围共有三圈，i-5为两圈）。

②中图及下图虽与上图均为同一画面，但却采不同方法取像拼接，最上图系采一般软件所完成8合1的拼接图，其衔接处会出现"圆弧化"现象。下二图则系采STM-6内建专用软件所完成的8合1拼接图，衔接处非常平直完全看不出有任何接缝。

3.2 PoP一楼CPU载板内的X孔与上下銲球

位居PoP一楼CPU所栖身的6L载板，虽然看来与一般HDI增层板无异，但其最内部双面核板的微通孔，却改成了孔径更小的微X细腰孔（可读做叉孔）。须知当双面板的孔径小到了5mil以下时，机钻通孔就太难太贵了，但若采雷射双面烧穿又太简单了。至于电镀铜填孔以目前的技术更是轻而易举唾手可得。于是这类沙漏通孔从五年前就已经大行其道了。然而某些莫名其妙的客户看到了X孔中间尚有填铜不满的空洞，

于是就鸡毛令箭般的大做文章。看官们您想想这只是做为互连（Interconnection）用的铜体，连传统机钻通孔只有薄薄的铜壁其中央的大空洞都视为当然，为何对这种填不满的小洞却有如芒刺在背不肯接纳？说穿了还不是自我膨胀与优越感作祟而已。

四、其他主动元件的不同銲点

事实上 i-6 主板正面除了最重要的主动元件PoP之外，尚有其他十多颗大小不等的IC元件或组装模块。主板两面IC模块约有半数以上是采用OSP銲垫，主板反面除最大型Toshiba的快闪存储器模块（Flash）所采用ENIC焊垫外，有其他尚有20多颗不同的IC模块多半也仍采用ENIG皮膜。因而一根中指大小的主板其双面竟然焊装了已辨认出来35颗左右的IC封装模块外，两面其他尚有20多颗没有文字的超小模块则任何专家也都无法辨识，当然其真相也就难以得知了。

小型模块最简单最直接的封装与组装就是WLP（Wafer Level Package）工法，也就是在最上游完工晶圆（Wafer）上，对每单一芯片直接进行后段的加工。例如：焊上锡合金凸块(注意其锡球排到已不再是方阵式队型了)、封胶、并切割而成为超小超薄的完工WLP模块等。下列各图即选择主板上某些WLP銲球画面加以之说明。

图13.
①最上左图为一排5个球脚不知名的WLP，最上右图为每排4个球脚的另一颗无名的WLP。此等超小号IC模块多半用于RF模块。
②第二列之二图为某些WLP之球脚(SAC305)，其顶部芯片UBM与底部PCB承垫两者互连都是銲在铜基地上；左图还可见到10层主板的层次叠构，右图2000倍放大下可清楚见到上下两端均为Cu6Sn5之IMC。
③第三列之二图为WLP球脚顶部焊在芯片UBM的铜面，而400被左图之底部却焊在PCB之ENIG垫面上（强度不如铜面的OSP）。右图为另一銲点2000倍单图所上下拼接而成的画面；可清楚见到WLP与PCB两者互连銲点的IMC。
④第四列左图及右图均为PCB板面ENIG銲点放大1000及2000倍之并接图，可清楚见到EN表面的白色IMC与居间很细的富磷层。

主板反面最大号最重要的IC元件，就是Toshiba提供的Flash Memory快闪存储器之大模块。此种大号模块本身60个銲垫表面为电镀镍金之皮膜，但所对应的PCB銲垫表面却为60个ENIG皮膜（中央区46个较小，上下两外侧14个较大），其他重要模块多半采用与PCB板面相同的OSP皮膜。就强度而言电镀镍金与ENIG都是很不智的做法（注意板子正面PoP的 1155个超小銲垫早已全采强度良好的OSP了）。两年前 i-5 的Flash就是这样不当銲装的，两年后 i-6 所用的Flash依旧墨守成规故步自封，仍没将ENIG改为OSP。

图14.
①最上列为主板反面最大封装模块之F l a s h Memory銲点剖面图，其第一排7个ENIG较大銲垫之扁形截面图（俯视为圆形）。
②中列放大图即为第一排7个ENIG单一銲点的高倍切片拼接画面，銲料中的空洞是来自锡膏助焊剂未能及时逸走而气化之所致。通常銲点上下承垫面积太大时必然会出现这种气体形成的空洞，没什么大惊小怪的。
③下列左图为主板反面ENIG承垫与下端Flash电镀Ni/Au垫面所形成SAC305銲点的上半截，可清楚见到ENIG所生成白色IMC的Ni3Sn4与细细的富磷层。
④下中图为下瑞Flash銲点下半截的电镍Ni /Au銲点，可见到紫色Ni3Sn4的IMC，与上半截的ENIG者IMC并不相同。
⑤下右为上下两端銲点拼接合一的画面，其IMC虽同为Ni3Sn4但外观却不同。

PCB 铜垫制作ENIG皮膜的流程中，其高温无电镍（82-88℃，15分钟）之前一定会有一道离子钯的前处理（促进EN生长在铜面上）。钯后的水洗最好外加超音波的帮忙，以彻底清除掉铜垫与绿漆狭缝中的残钯。否则ENIG完工后即可能在死角夹缝中存在着化镍层『吃里爬外』的画面。

五、对ELIC主板结构的观察

5.1 细线蚀刻

i-6 与 i-5 同样都是采任意层（Every Layer Interconnection, ELIC）制做的超薄多层板，i-5 板厚（含专用黑色防焊膜，不宜再称为绿漆了）平均为30mil，但 i-6 却再逼薄到25mil。不管是增层起步的双面核板，或其他后续增层压合用的PP胶片，其超薄玻纤布均已向下逼薄到了104或1037了！看官们您想想生产线20”x 24”的量产大排板，要如何小心翼翼伺候此等娇弱不堪的客人才行呢？

不但板子超薄，而且讯号线宽度也都细瘦到了1mil 的地步，为了大排板量产线的良率起见，其各层铜面的蚀刻已不能再用传统水平上下喷洒方式，也不能再用减薄铜方法去应对，而只能在朝上板面采连续抽真空法吸走水沟水池（Puddling），最好同时还能另采强力细小水雾及混入空气的〝二流体〞新法去做喷蚀，才会出现两侧几近垂直的细线。槽液对铜材的蚀刻，其实就是把Cu°氧化成Cu++而溶解移走而已。因而一面喷洒极小的水雾又一面吹入空气（21%的O2），即可加速蚀刻而减少细线腰部收缩与根部的残足了。

图16.此三图取材自德国P i l l公司说明水平行走上下喷蚀中，板子的顶面会出现水池效应（Puddle Effect）妨碍咬铜。但板子底面却无此种不良效应，因而底面的细线质量必然较好。若在顶面另加抽真空抽液的动作时，即可改善质量。

图17.
①上左及上中可见到细线的上下宽度及厚度，说明主板的蚀刻能力已经很好了。但比起上右细线几乎见不到瘦腰的抽真空与二流体咬蚀者，功力还是差了一截。
②中左及中中放大1000倍可见到主板内某些细线顶部宽度还不到1m i l（25um）；中右为再放大2000倍所见到的细线。
③下左可见到含黑漆在内的主板厚仅25.72mi l，EL IC起步的内核板只有3.6mi l。至于核板的PP层则更薄到2.21mil，且增层的PP又逼薄到1.83mil而已。
④下右所见者为 i6 其他供应商的主板厚度对比，由于所用玻纤布与CCL的不同，总板厚仅只厚出1mil左右。

5.2 盲孔填铜的互连

大部份业者在盲孔填铜前，都习惯对盲孔底铜垫进行较深的微蚀，希望得较粗燥的铜面，而让所镀所填的新铜对老铜能够抓得更牢些。事实上这才正是不折不扣的农民逻辑。要知道新铜的抓地力强不强与老铜表面粗糙与否并无关系，但却与电镀铜前是否出现“不良沉铜”息息相关，那才是真正致命的关键。本次的精彩切样所见到各处堆栈盲孔，其盲铜填孔前之底铜几乎均未做微蚀。电镀铜前浸酸槽若未遭上游带入铜离子者，当然就不会出现"不良沉铜"，不管焊接胀缩多少次也当然都不会脱垫。

六、PCB与Carrier有何异同

6.1 两者板材的不同

PCB 做到了 i-6 的境界事实上其难度已超过了一般Carrier的工程要求，也就是说两者目前难度的差异已经不大。 i-6 的细线虽下降到1mil但却仍然只能采用传统蚀刻法所成线，至于载板的线宽虽然只有15-20um还比 i-6 更细，但却不是采用直接蚀刻成线，而是采用成本很贵的特殊板材与特殊做法，如：

① HDI载板采Ajinomoto大运味之素的ABF特殊绝缘卷材去增层，以化学铜皮膜代替传统铜箔起
步者称为半加成法SAP（Semi-Additive Process）。
②于板材表面上刻意先涂布一层均匀的特殊预胶层（Primer），再去压着铜皮。其原理很复杂的PSAP法（详情请参考电路板会刊52期）。
③ 基材板面贴附特殊3um超薄铜皮的模拟半加成法（MSAP），此法最便宜。除此之外连起步核心板的BT硬材也都十分昂贵，其Tg高达230℃也只是为了减少封装与后续的板弯板翘而已。须知一旦大型BGA焊接中发生板弯板翘时，其四个角落的球脚就可能随板弯板翘面而被吊高离开先前踩着的鍚膏。焊后冷却中虽然还能回到原状但却无法融锡而形成强度不足的〝枕头效应〞（Pillow Effect）。

图20.
① 上二图为SAP(Semi-Additive Process)半加成工法，是在ABF绝缘薄材(GX-92)表面所制作20um的细线。其做法是在ABF上先沉积化学钯与化学铜，再进行影像转移压贴干膜与成像及镀铜即可成为全面根部相连的细线。之后去光阻与全面通吃式的d i ff e r e n t i a l etching咬光薄薄的化铜层即可得到镀铜的独立细线。注意上两图下端为十层载板之传统双面铜箔核心板，经蚀刻所得取的线路仍然有稜有角，但上端SAP 法的细线就会被咬圆而不再有稜角了。
② 中二图为PSAP工法所制作细线的切片，可清楚见到常规板材表面已刻意涂布了一层预胶层(Primer)。其细线原理很复杂，读者有兴趣可参阅52期会刊。
③ 下二图为MSAP模拟半加成法(Modified SAP)的切样；下右为MSAP的三条细线及内层大铜面以及下左图可见到四层板各铜层的根部，全都有一层极薄的3um超薄铜皮。事实上来料面铜表面还另外加上1oz或0.5o z的一般铜皮做为载箔。使用时只要撕掉载箔即成为超薄铜皮的基板了，这种普通板材贴附3um铜皮的做法与"ABF附加化学铜"的半加减法很相似，但单价却便宜了很多。

图21.
①左图为明场偏光之透视图，可见到PCB细线与下侧载细线同台比较的画面。
②右上三图为PCB的梯形细线，可清楚见到完全是从铜箔蚀刻而成线的。
③右下三图是载板的方形细线，系采 MSAP流程所制作的，各细线下侧均可清楚见到3um的超薄铜皮。

6.2 载板线孔之更加微型化以及外绑与内埋

封装载板生产线的各种干溼机组，的确要比一般HDI/ELIC等PCB更贵更精密，投资当然也比PCB更大，但是否也能更赚钱则完全不是那么回事。早些年从事Carrier者言谈间似乎比PCB者要高人一等，而PCB业者不明载板之就理，气势上难免就矮了一截。但从 i6 看来载板业者也就高明不起来了。现行各式载板完成封装的产品已不再是单纯的IC模块，而是呈现花样百出的组合模块，甚至还内加埋容外绑其他IC组成所谓的 PoP立体模块。将来3D IC的变化如何目前尚不得知。未来的 i-7 或穿载式产品，其狭小的空间实在很难再容得下PCB，届时就将是载板模块与软板的天下了。

6.3 在HDI增层工法上Carrier与PCB的异同

所谓高密度互连的HDI（High Density Interconnect）板类，是指在完工的核心板（Core Board，可能2L或4L）的上下两面，利用PP及铜箔去连续压合增层而完成的多层板谓之HDI。亦即经过多次压合的MLB，与传统单次压合的MLB大不相同。
面积较大接球极多的大载板（Carriers），如数码式的CPU动辄五六千脚，有的ASIC更多达1万球脚。其多次强热中为了避过度弯翘而必须具备很强的刚性（Stiffness），因而就不得不用到高Tg的核心板了。这种高刚性的要求一般ELIC是很难达到的，因而大型Digital的载板就只好采用HDI而无法享受较薄的ELIC了。

图23.
①上左图为某4+2+4曾层HDI式的大型数码讯号的载板，其增层板材为ABF白色卷材，与一般PCB的PP加铜皮者不同。但也仍有相同性质的通孔或超小的叉孔。
②上中图为HDI式载板所必须强刚性BT板材的双面内核板。
③上右图为大型完工载板顶面加焊凸块，与底面焊接电容器的画面。
④下左图下端为HDI六层板之内核板，经由常规蚀刻所见到线路的稜角，但增层SAP的上两线边却呈现圆化现象。下右HDI载板之盲孔填铜与一般HDI/PCB没甚么不同只是口径更小而已。注意此处盲孔底铜垫微蚀太深是非常不好的示范。

七、结论

笔者对 i-6 之5个切样，在1个月中多次研磨抛光共取得850张彩色图像。与两年 i-5比较，发现 i-6 主板双面所焊装的主动“积成块”元件又增加了不少。经EMDA网站公布能辨识者共23颗，其他无法确知者也将近20颗，而且都是属于小型WLP类的射频模块。从焊接强度看来CPU的1155个球脚全部长在主板超小型OSP铜垫上，决策者确实高明。然而许多小型被动元件的焊点却又都长在强度不足的ENIG皮膜上，与前 i-5 相比 i-6 依然故我因循守旧，并未改成便宜且强度更好的OSP。甚至连Flash的14颗超大銲点亦仍然青睐于ENIG，又不知其高明何在?笔者完成任务压力骤减顿觉轻松，然而不堪劳累不足为外人道的老花眼，在不断求诊下却仍然又痛又痒，无可奈何也只能逆来顺受了。