 背景WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package，晶圆级封装) 凭借微型化、高效能、低成本等优势广泛应用于各类芯片，同时也适用于MOSFET和TVS (Transient Voltage Suppressor) 管等分立器件。例如Nexperia的PMCM4401VNE MOSFET和Infineon的ESD119-B1-W01005 TVS管均采用WLCSP封装。  ▲ WLCSP封装的MOSFET与TVS管 与常见的WLCSP芯片不同，WLCSP封装的TVS管未采用锡球设计，而是使用两个方形焊盘，其外形与DFN封装高度相似。 故障现象 在本案例中，市场反馈的故障现象为指示灯状态异常及关联功能失效。对退回产品的分析发现：约80%的故障产品在开机几分钟到1小时内即可复现异常，其余产品需持续开机数小时至数天才会出现异常。该故障出现后不能自动恢复，也无法通过重启解决。 失效分析 在产品层面，通过对生产追溯数据的分析，发现所有故障产品在D1位置均使用了A供应商的TVS管，另外两家供应商的TVS管则没有问题。统计数据显示，使用A供应商TVS管的产品的产线测试不良率为0.02%，而在市场上的故障率为0.15%。也就是说，这是一个潜在问题，大部分不良产品并不能被产线测试有效拦截。  ▲ 相关电路图 在电路板层面的故障分析中，测试显示电路板的3.8V电源供电正常，但LED1在熄灭时其阴极电压出现异常。通过逐步排除法进行验证： 1. 移除R2和R3后故障依旧存在 2. 移除LED1后故障依旧存在，锁定故障源为D1 TVS管 3. 确认D1 TVS管存在异常漏电流现象 该漏电流导致LED1阴极电压下降，当电压值低于R3所连接的检测电路阈值时，即引发LED1异常亮起及关联功能失效。  ▲ TVS管漏电导致其电压缓慢下降（黄线） 上图展示了移除R2、R3和LED1后TVS管电压的变化趋势。正常TVS管（绿线）的电压始终稳定在固定值，而故障TVS管的电压在两小时内从3.8V缓慢下降至2.3V。经计算，其漏电流已增至(3.8V-2.3V)/100KΩ=15μA，远远超出规格书规定的100nA最大反向电流。  ▲ TVS管参数 在器件层面的失效分析中，我们首先对TVS管进行外观检查，确认其封装结构完整、无机械损伤或裂纹，同时检查焊点质量良好，无虚焊、冷焊或氧化现象，排除了因物理损伤或焊接不良导致失效的可能性。  ▲ TVS管外观 然后将故障TVS管从PCB上解焊，使用万用表测量其正反向特性和阻值，结果显示器件呈现开路状态（正向/反向均不导通）。为进一步验证，我们在器件两端焊接测试导线，施加5.5V最大反向直流电压并持续监测数小时，但未观察到异常漏电流现象。这一测试结果表明，该TVS管器件本身并无异常。  ▲ TVS管单体测试 在标准失效分析流程中，本应进行TVS管重焊复现实验，但我们转而系统性地复查了器件规格书、电路原理图、PCB焊盘及SMT钢网设计。关键发现是：尽管三款TVS管均为0201封装尺寸，但出现问题的A供应商TVS管的推荐焊盘设计明显小于其他两家。而为兼容三款器件，当前的PCB设计采用了较大的统一焊盘尺寸。  ▲ PCB焊盘设计 通过咨询A供应商我们得知，该TVS管采用WLCSP封装结构，其硅基体直接暴露于器件侧面，未采用环氧树脂模塑料（EMC）进行绝缘保护。规格书中推荐的小尺寸焊盘设计旨在避免因焊盘过大导致过量焊锡爬升至硅基体表面，从而形成漏电流通路。 为直接验证该失效机制，我们选取了使用A供应商TVS管但功能正常的电路板进行过量焊锡实验。具体方法是刮除局部阻焊层并施加过量锡膏，通过风枪加热使焊锡强制接触TVS管侧面（由于TVS管采用0201封装且侧面无焊盘，常规焊接方法难以实现精准加锡）。  ▲ 两例施加过量焊锡的TVS器件 实验结果是处理后电路板立即出现异常漏电，实测漏电流达25μA，远远超出规格书标准。此实验证实了焊锡接触TVS管侧面的硅基体确实可以引发异常漏电。 根本原因 以上分析表明，PCB焊盘设计与TVS管的WLCSP封装不匹配是导致漏电问题的根本原因。WLCSP封装侧面裸露的硅半导体材料与焊锡接触后形成导电通路，而采用环氧树脂全包覆的DFN封装（另外两家供应商使用）则不存在此风险。  ▲ 两种封装TVS管的外观对比 从实物照片来看，WLCSP封装的TVS二极管侧面为半导体基材的自然切面，肉眼观察有镜面反光特性；为了制作丝印标示，器件顶部涂敷了环氧树脂或聚酰亚胺油墨，呈现为磨砂黑色。DFN封装则采用模塑树脂全包裹工艺，整体呈现黑色磨砂外观。 解决对策 临时措施： 1. BOM更新：立即将A供应商的TVS管从BOM清单中移除，停止采购。 2. 库存处理：针对已使用该TVS管的库存产品，鉴于0.15%的低不良率，不再安排批量返修。后续在客服系统中标记所有受影响的产品序列号，如用户反馈异常，提供免费换机服务。 长期措施： 1. 修订器件选型规范：不建议WLCSP封装TVS管与普通封装器件并列使用。 2. 优化PCB设计规范：TVS管焊盘设计应尽量遵循厂商推荐设计规范，对于兼容设计应优先满足更严苛的一方。 总结 本案例揭示了WLCSP封装在TVS管等非焊球器件中的应用风险。Fan-in型WLCSP由于侧面缺乏绝缘保护，当焊盘设计超出器件本体时，焊锡可能接触裸露的硅基材，导致漏电失效。而自带焊球的WLCSP芯片则不与PCB直接接触，无此类风险。  ▲ BGA与WLCSP的结构示意图 最后，本文主要是从产品、电路板和器件层面对此案例进行分析。关于焊锡与器件侧面接触的微观界面分析及其失效机理，将在下一篇文章中详细探讨 |
