無鉛焊點(diǎn)可靠性的研究進(jìn)展

鄒陽， 郭波， 段學(xué)俊， 吳慶堂， 魏巍， 吳煥

(長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012)

0 前言

隨著IC集成電路的迅猛發(fā)展，其已經(jīng)從大規(guī)模集成電路(LSI)向著超大規(guī)模和甚大規(guī)模(ULSI)的方向發(fā)展。電子元件的發(fā)展越來越精密，在印刷電路板上的安裝密度越來越大。研究如何進(jìn)一步改善釬料的物理性能，提高焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變的能力，進(jìn)而延長電子設(shè)備服役時間的問題顯得愈發(fā)緊迫和重要。在傳統(tǒng)的釬焊工藝中，SnPb系列釬料具備價格低廉、可焊性較高和導(dǎo)電性能優(yōu)秀等重要的優(yōu)勢，SnPb系列釬料已經(jīng)被大量運(yùn)用于電子工業(yè)界的焊接當(dāng)中。然而，由于Pb作為有毒重金屬，其對環(huán)境和生物具有毒害作用，近年來國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)學(xué)者探索研究使用無鉛釬料作為傳統(tǒng)SnPb釬料的替代品[1]。這種趨勢符合當(dāng)下科技發(fā)展要求，是勢在必行的。

無鉛釬料要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SnPb系列釬料，必須具備以下性能[2]：①其全球儲量足夠滿足市場需求。某些元素(如銦和鉍)儲量較小，因此只能作為無鉛釬料中的微量添加成分；②無毒性。某些在考慮范圍內(nèi)的替代元素(如鎘、碲)是有毒的。而某些元素(如銻)如果改變毒性標(biāo)準(zhǔn)的話，也可以認(rèn)為是有毒的；③相變溫度(固/液相線溫度)與SnPb釬料相近；④足夠的力學(xué)性能：剪切強(qiáng)度、等溫疲勞抗力、熱機(jī)疲勞抗力及金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性；⑤良好的潤濕性；⑥可接受的成本價格。近年來無鉛釬料得到了廣泛的發(fā)展，形成了SnZn系列，SnAgCu系列等無鉛釬料，綜合近年來無鉛釬料的研究，其性能主要從高溫力學(xué)性能和常溫力學(xué)性能2個方面進(jìn)行考慮，其評價主要從以下4個方面進(jìn)行考慮：①潤濕性和力學(xué)性能；②抗蠕變性能；③焊點(diǎn)的界面組織形態(tài)；④抗疲勞性質(zhì)。其中，潤濕性和力學(xué)性能和焊點(diǎn)的界面組織形態(tài)關(guān)系到無鉛釬料形成焊點(diǎn)的可焊性，而抗蠕變性能和抗疲勞性質(zhì)關(guān)系到焊點(diǎn)的使用壽命。通過對已知無鉛焊點(diǎn)進(jìn)行以上4方面的分析可以綜合地反映釬料的使用性能。

經(jīng)過十幾年的探索研究，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)及學(xué)者研發(fā)出能夠滿足使用環(huán)境要求的無鉛釬料若干種，并使其體系初步成形。

1 無鉛釬料體系

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，無鉛釬料形成了以Sn為主要基體元素，以SnCu系釬料、SnAgCu系釬料、SnAg系釬料、SnZn系釬料為主要系列的結(jié)構(gòu)體系。除此之外，其他的無鉛釬料：SnBi系、SnIn系、SnSb系、AuSn系、AuGe系等釬料得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和發(fā)展。國內(nèi)研究者主要選取SnCu系、SnAgCu系、SnAg系、SnZn系釬料作為研究對象，嘗試通過一系列合理有效經(jīng)濟(jì)的方法提高無鉛釬料的使用性能。表1為幾種典型無鉛釬料的參數(shù)[3-4]。

表1 幾種典型無鉛釬料參數(shù)

2 焊點(diǎn)可靠性因素

焊接過程中，釬料熔化，潤濕基板及部件電極，發(fā)生各種界面反應(yīng)，最終形成互連焊點(diǎn)。同時，近年來為了滿足電子產(chǎn)品微型化，便攜化和多功能化的市場需要，以微焊點(diǎn)為互連方式的倒裝芯片向著微小化方向發(fā)展。這促使焊點(diǎn)的間距和體積連續(xù)減小，導(dǎo)致微焊點(diǎn)在熱循環(huán)條件下承受著更大的應(yīng)力與應(yīng)變，且焊點(diǎn)體積減小也會弱化本身適應(yīng)變形的優(yōu)勢，加劇了焊點(diǎn)失效[5-6]。由此可知，焊點(diǎn)的可靠性直接影響著電子器件的初始故障率及服役壽命。

研究表明，焊接條件對焊點(diǎn)可靠性的影響因素如下[7]：①升溫速度：溫度的均勻性；②預(yù)熱溫度及時間：焊劑的活性和基板溫度的均勻性；③峰值溫度及保溫時間：焊料潤濕性及界面形成；④冷卻速度：焊料凝固，焊點(diǎn)的初期組織。其他因素還包括：回流爐氣氛、加熱手段、氣流方向及強(qiáng)度等，這些因素也將對軟釬焊過程產(chǎn)生較大影響。將上述因素隨機(jī)組合后，在合適的參數(shù)下就可以得到可靠性高的焊點(diǎn)。微焊點(diǎn)釬焊過程中產(chǎn)生的缺陷和服役后產(chǎn)生的缺陷如圖1[3]所示。在釬焊過程中，焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物(IMC)是熔融釬料在潤濕過程中與銅基板發(fā)生反應(yīng)后生成的[8]，這些反應(yīng)主要通過原子的相互擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)。同時，已有研究表明[9]，適量的金屬間化合物(IMC)的厚度可以提高焊點(diǎn)的可靠性，但由于金屬間化合物多為硬脆相，其過度生長會嚴(yán)重惡化焊點(diǎn)的力學(xué)性能。近兩年來，國內(nèi)學(xué)者主要從外加載荷及熱循環(huán)共同作用、有限元模擬分析、電遷移及錫須生長對焊點(diǎn)性能影響4個方面對無鉛焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行了研究。

圖1 微焊點(diǎn)釬焊過程中產(chǎn)生的缺陷和服役后產(chǎn)生的缺陷

2.1 外加載荷及熱循環(huán)共同作用對焊點(diǎn)可靠性的影響

王健等人[10]對比SACBN07與SAC305，SAC0307兩種無鉛釬料焊點(diǎn)在試驗(yàn)溫度-55～125 ℃下的抗冷熱沖擊性能，發(fā)現(xiàn)SACBN07的抗冷熱沖擊性能最佳，同時研究了焊點(diǎn)失效后3種材料中裂紋擴(kuò)展路徑并發(fā)現(xiàn)釬中Bi和Ni元素的加入有效地抑制了IMC的生長。李帥等人[11]基于自制原位置觀察裝置，研究了Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點(diǎn)在110 ℃恒溫時效下，界面金屬間化合物層的微觀形貌和生長規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著時效時間的延長，界面IMC(Cu6Sn5和Cu3Sn)的厚度在不斷增加，界面形貌由扇貝狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠秸膶訝?，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，焊點(diǎn)力學(xué)性能也隨之下降，如圖2[11]所示。胡玉華等人[12]證明了在150 ℃時效作用下，Sn9Zn0.06Nd/Cu焊點(diǎn)界面層生成了較為平坦的IMC層Cu5Zn8，并隨時效時間的增加，IMC層不斷增厚，同時焊點(diǎn)的拉伸力不斷減小，斷裂方式由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。對SnZnNd釬料焊點(diǎn)高溫時效界面組織進(jìn)行研究[8]，發(fā)現(xiàn)時效過程中由于界面體積增加而產(chǎn)生的不斷累積壓應(yīng)力致使IMC層表面出現(xiàn)孔洞和裂紋，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)性能的惡化。SnZnGaNd釬焊接頭進(jìn)行時效處理[13]，發(fā)現(xiàn)在150 ℃時效的條件下，釬焊接頭的剪切力隨時效時間增加而降低，經(jīng)過720 h時效處理后，SnZnGa-0.08Nd接頭的剪切力仍然高于未經(jīng)時效的SnZn釬焊接頭。張洪武等人[14]通過設(shè)計(jì)溫度-定頻振動兩場耦合可靠性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度由25 ℃升高到100 ℃時，振動載荷下微焊點(diǎn)的壽命顯著提高，焊點(diǎn)失效裂紋由界面裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)轶w釬料裂紋。

圖2 Sn3.0Ag0.5Cu/Cu釬焊接頭時效前后組織形貌

隨著封裝產(chǎn)業(yè)將向著微型化發(fā)展，釬料的減少使反應(yīng)層的相對體積變大。此類微尺度無鉛焊點(diǎn)對溫度以及受力的變化更加的敏感。尹立孟等人[15]證明了SAC305無鉛焊點(diǎn)蠕變性能存在尺度效應(yīng)，大體積微焊點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率明顯比小體積的大，小體積焊點(diǎn)的蠕變壽命更長。同時，在100～145 ℃溫度與8～20 MPa應(yīng)力共同作用下，所有不同體積焊點(diǎn)的蠕變曲線均呈現(xiàn)典型的初始蠕變階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。同時，也證明了焊點(diǎn)高度對SAC305微尺度焊點(diǎn)力學(xué)行為有影響[16]，發(fā)現(xiàn)微尺度焊點(diǎn)的拉伸和抗剪強(qiáng)度均隨焊點(diǎn)高度的增大而減??；相同尺寸微尺度焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，同時剪切斷裂應(yīng)變小于拉伸斷裂應(yīng)變。對SAC305/Cu焊點(diǎn)界面IMC層生長速率的研究[17]證明了界面IMC層生長速率存在尺度效應(yīng)，焊點(diǎn)尺寸越大，IMC層的生長速率越小。同時，隨時效溫度的升高，界面IMC層生長速率增大。

國內(nèi)學(xué)者通過納米壓痕的方法對無鉛焊點(diǎn)的力學(xué)性能等方面進(jìn)行了研究。楊淼淼等人[18]借助納米壓痕的方法對SnAgCuBi-xNi/Cu低銀無鉛焊點(diǎn)的塑形和蠕變性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)的抗蠕變性能隨著Ni元素含量的增加而增加，Ni元素含量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時焊點(diǎn)塑性最好。王麗鳳等人[19]通過納米壓痕試驗(yàn)對BGA界面化合物的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在加載速率較小的情況下(Cu,Ni)6Sn5，Cu6Sn5，Cu3Sn具有鋸齒流變效應(yīng)；在加載速率較大的情況下(Cu,Ni)6Sn5，Cu3Sn的鋸齒流變效應(yīng)不明顯，而Cu6Sn5的鋸齒流變效應(yīng)相對明顯。通過對焊點(diǎn)進(jìn)行一次加載—卸載試驗(yàn)，戴文琴等人[20]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)Sn0.3Ag0.7Cu-xLa焊點(diǎn)隨稀土La元素含量的增加，焊點(diǎn)的硬度、彈性模量及抗蠕變性能均呈現(xiàn)上升趨勢。賈克朋等人[21]系統(tǒng)地研究了BGA封裝結(jié)構(gòu)中Sn3Ag0.5Cu，Sn0.3Ag0.7Cu，Sn0.3Ag0.7Cu-0.07La和Sn0.3Ag0.7Cu-0.07La0.05Ce焊點(diǎn)的剪切力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)單板結(jié)構(gòu)中焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度高于板極結(jié)構(gòu)中焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度，在板級結(jié)構(gòu)中，高銀焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度最大，對于板極結(jié)構(gòu)加入稀土元素的低銀焊點(diǎn)剪切力學(xué)性能與高銀焊點(diǎn)相當(dāng)。韋何耕等人[22]對SAC305疊層塑料球柵陣列PBGA焊點(diǎn)在隨機(jī)振動條件下的可靠性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)組件在一階固有頻率下振動時，組件邊角疊層焊點(diǎn)受到的應(yīng)力最大，如圖3[22]所示。

圖3 疊層焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖

通過PCB組件跌落試驗(yàn)，溫桂琛等人[23]研究了SAC305釬料BGA焊球在沖擊載荷作用下的失效與機(jī)理，發(fā)現(xiàn)失效裂紋主要出現(xiàn)在焊球的頂端和根部。同時，焊球裂紋一般從焊球兩端外側(cè)產(chǎn)生，在跌落沖擊載荷的作用下沿IMC層、β-Sn或PCB基體擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊球失效。近期有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[24]，熱沖擊條件下細(xì)間距倒裝SAC305微焊點(diǎn)的裂紋萌生于焊點(diǎn)外側(cè)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋進(jìn)入釬料基體中，并沿著焊盤平行方向擴(kuò)展，如圖4[24]所示。

圖4 熱沖擊條件下SAC305焊點(diǎn)裂紋萌生及擴(kuò)展示意圖

李曉延團(tuán)隊(duì)[25]探索了不同加載速率和不同釬料厚度對SnAgCu/Cu焊點(diǎn)抗剪切性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，加載速率在0.001～1 mm/s范圍內(nèi)，焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度隨加載速率的增加而增大；隨著焊點(diǎn)厚度的減小，焊點(diǎn)抗剪切性能提高，裂紋萌生位置逐漸由焊點(diǎn)內(nèi)部向IMC層轉(zhuǎn)移。以0805封裝片式電容器件Sn3.0Ag0.5Cu焊點(diǎn)為研究對象[26]，通過建立多周期溫度沖擊下Sn3.0Ag0.5Cu焊點(diǎn)有限元分析模型及真實(shí)的焊點(diǎn)熱疲勞壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Sn3.0Ag0.5Cu焊點(diǎn)抗熱疲勞劣化性能優(yōu)于SnPb焊點(diǎn)，同時計(jì)算得出Sn3.0Ag0.5Cu焊點(diǎn)熱疲勞狀態(tài)的擬合方程為：y=67.406-1.276 5e0.653 8x。

綜合以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，在外加載荷及熱循環(huán)作用下，無鉛焊點(diǎn)的失效主要是由于裂紋源的形成及裂紋向釬料基體組織擴(kuò)展。在隨機(jī)振動對球柵陣列PBGA可靠性研究中，組件邊角焊點(diǎn)受到的應(yīng)力最大，是組件中最有可能失效的位置。在沖擊載荷的作用下，焊點(diǎn)的IMC層及BGA焊球的頂端和底部是裂紋源形成的集中區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)通過向無鉛釬料中添加適量的合金元素或稀土元素，可以抑制IMC層的生長，延長焊點(diǎn)的服役期間，提高焊點(diǎn)的可靠性。同時，溫度場溫度高低，外加載荷的大小及頻率顯著影響焊點(diǎn)的服役時間，其具體參數(shù)需要通過大量試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步量化研究。

2.2 采用有限元模擬分析無鉛焊點(diǎn)可靠性

焊點(diǎn)尺寸的減小使得通過試驗(yàn)手段獲得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)變得非常困難，這意味著通過試驗(yàn)方法預(yù)測焊點(diǎn)的可靠性面臨著挑戰(zhàn)。因此，近年來國內(nèi)外主要采用有限元分析方法，結(jié)合彈性力學(xué)、粘塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)的理論，分析焊點(diǎn)在應(yīng)力作用下的損害傷害程度，獲得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而預(yù)測焊點(diǎn)可靠性[27]。倒裝焊點(diǎn)有限元模型主要分為3種：基于斷裂力學(xué)的Pairs模型、基于疲勞失效的Manson-Coffin模型及基于能量的Darreaux模型。

田茹玉等人[28]采用多線性等向強(qiáng)化(MISO)本構(gòu)模型及Darreaux疲勞模型預(yù)測了Sn3.0Ag0.5Cu在極限溫度(-180 ℃，+150 ℃)下應(yīng)力應(yīng)變分布情況預(yù)測CBGA焊點(diǎn)的熱沖擊疲勞如圖5[28]所示，結(jié)果表明，局部熱失配導(dǎo)致應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在邊角焊點(diǎn)陶瓷載體一側(cè)的焊盤與釬料界面，極限溫度熱沖擊載荷下焊點(diǎn)的疲勞壽命遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)溫度循環(huán)載荷下的疲勞壽命。

圖5 -180 ℃，+150 ℃條件下焊點(diǎn)應(yīng)力及應(yīng)變分布

孔達(dá)研究團(tuán)隊(duì)[29]采用Anand模型及蠕變應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測模型SAC，SACC，SACF焊點(diǎn)疲勞壽命，研究發(fā)現(xiàn)，芯片從中心到拐角焊點(diǎn)變形-應(yīng)力-應(yīng)變逐漸增加，芯片下拐角焊點(diǎn)為整個結(jié)構(gòu)危險區(qū)域，并證明SnAgCuCe和SnAgCuFe焊點(diǎn)壽命明顯高于SnAgCu焊點(diǎn)使用壽命。近期，有學(xué)者采用有限元模擬法分析了在-55～+125 ℃熱沖擊過程中倒裝SAC305微焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變及焊點(diǎn)的失效情況并根據(jù)基于能量為參考的Darreaux模型[27，30]，研究發(fā)現(xiàn)，芯片外側(cè)焊點(diǎn)具有最大的累積塑性應(yīng)變能密度，此處焊點(diǎn)最易失效。魏鶴琳等人[31]采用ANSYS統(tǒng)一Anand粘塑性本構(gòu)方程描述SnAgCu焊點(diǎn)的非彈性形變，對考慮IMC的PBGA焊點(diǎn)與不考慮IMC的PBGA焊點(diǎn)在溫度循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離中心位置的外側(cè)焊點(diǎn)承受更大的應(yīng)力應(yīng)變；在溫度循環(huán)加載過程中IMC層積累了較大的應(yīng)力，由于IMC層的硬脆性材料特性，使釬料在高應(yīng)力IMC界面發(fā)生較大的塑形形變，與實(shí)際溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果更為接近。為了提高芯片尺寸封裝(CSP)器件的焊點(diǎn)可靠性，熊明月等人[32]基于田口法，采用Garofalo-Arrhenius穩(wěn)態(tài)本構(gòu)方程和有限元法，對CSP器件焊點(diǎn)熱循環(huán)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)影響焊點(diǎn)可靠性的主要影響因素為焊點(diǎn)的材料和焊點(diǎn)的高度，得到的最佳方案為焊點(diǎn)材料Sn3.9Ag0.6Cu，焊點(diǎn)高度0.25 mm，芯片厚度0.1 mm，基板厚度0.17 mm。該最優(yōu)方案和原始設(shè)計(jì)方案相比，蠕變應(yīng)變能密度降低了65.4%，信噪比提高了9.22 dB。韋何耕等人[33]建立了PBGA器件疊層焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變有限元分析模型，對疊層無鉛焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)疊加方式能有效提高焊點(diǎn)的熱疲勞壽命；疊層焊點(diǎn)的高度由0.5 mm增加到0.8 mm時，焊點(diǎn)的熱疲勞壽命隨其高度的增加而增加；疊層焊點(diǎn)的最大徑向尺寸由0.3 mm增加到0.45 mm時，焊點(diǎn)的熱疲勞壽命隨焊點(diǎn)的最大徑向尺寸增加而減小?；谌渥兡Ｐ筒捎糜邢拊▽LSCP30器件Sn3.9Ag0.6Cu焊點(diǎn)可靠性及疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測[34]，發(fā)現(xiàn)WLSCP器件整體的最大應(yīng)力集中在陣列最拐角焊點(diǎn)的上表面處，該部位可能成為焊點(diǎn)裂紋的發(fā)源地，結(jié)合焊點(diǎn)疲勞壽命方程，預(yù)測焊點(diǎn)的疲勞壽命并與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。如圖6[35]所示，梁穎等人[35]設(shè)計(jì)了無鉛柔性焊點(diǎn)，并結(jié)合有限元分析方法對其應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究，分析發(fā)現(xiàn)采用柔性層結(jié)構(gòu)可以有效的降低隨機(jī)振動載荷作用下焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變，大大提高了焊點(diǎn)的振動疲勞壽命。同時，裂紋形成在釬料基體中，由外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，邊角焊點(diǎn)的疲勞壽命為6 171次。

圖6 柔性無鉛焊點(diǎn)整體有限元模型

張國禮等人[36]將焊點(diǎn)故障診斷過程中得到的前期故障實(shí)測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，建立了焊點(diǎn)失效灰色模型，并對焊點(diǎn)后期健康狀況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果近似相符。采用有限元模擬的方法對處于溫度場中的CBGA模型焊點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行分析[37]，結(jié)果表明焊點(diǎn)失效是由于焊點(diǎn)的局部熱失配引起的。同時，失效位置集中于距芯片中心較遠(yuǎn)端，計(jì)算得出溫度分布模型的壽命為1 269 周次，接近于試驗(yàn)平均值。

由以上成果分析可知，采用有限元模擬分析的方法可以判斷在相同熱應(yīng)力環(huán)境下不同位置焊點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變分布，進(jìn)而確定焊點(diǎn)易失效的位置往往處于組件整體受應(yīng)力集中較大的邊角及拐角處，并與焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，可以近似判斷焊點(diǎn)的服役壽命。因此，模擬分析方法及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合對無鉛釬料的實(shí)際應(yīng)用具有極其重要的指導(dǎo)意義。

2.3 電遷移對焊點(diǎn)可靠性的影響

焊點(diǎn)在微互連接中起到機(jī)械支撐和導(dǎo)電連接的作用。電遷移是伴隨電子微互連日益極小化及電子元器件不斷趨向微型化和精密化而出現(xiàn)的一個問題，它是指在電流應(yīng)力作用下，原子或離子隨電子遷移而導(dǎo)致的成分偏析以致出現(xiàn)丘凸和空洞等材料結(jié)構(gòu)缺陷的現(xiàn)象[38]。比如在倒裝芯片技術(shù)中，直徑100 μm的凸點(diǎn)(bump)需要流經(jīng)0.2 A的電流，在最先進(jìn)的器件中此直徑甚至小到50 μm，與此同時，凸點(diǎn)內(nèi)電流密度增加到1×104A/cm2對焊點(diǎn)產(chǎn)生不可忽視的影響，因此電遷移問題成為了今后的研究熱點(diǎn)。

李雪梅等人[39]研究了在Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微焊點(diǎn)電遷移過程中界面金屬間化合物(IMC)的生長演變機(jī)制，如圖7和圖8[39]所示，發(fā)現(xiàn)隨加載時間的延長，兩極IMC層厚度均增厚，且陽極IMC層厚度增長速率比陰極大；與固—固電遷移相比，固—液電遷移后，陰極側(cè)焊點(diǎn)IMC形貌更規(guī)則，且表面光滑度較高。對Cu/Sn-15Bi/Cu焊點(diǎn)在150 ℃下的電遷移組織演變研究[40]，發(fā)現(xiàn)受“電子風(fēng)”的影響，釬料中Cu6Sn5金屬間化合物逐漸向陽極側(cè)偏聚。同時，陰極側(cè)金屬間化合物脫落，釬料基體中的Cu6Sn5金屬間化合物體積分?jǐn)?shù)逐漸增加；焊點(diǎn)陰極/陽極側(cè)界面金屬間化合物厚度隨電遷移時間的延長逐漸增加。

圖7 電荷作用下固—液擴(kuò)散焊點(diǎn)的微觀形貌

圖8 電荷作用下固—液擴(kuò)散焊點(diǎn)的界面IMC層厚度變化

尹立孟等人[41]研究了電遷移條件下不同電流密度(0.63×104～10×104A/cm2)和通電時間(0～48 h)對低銀無鉛SnAgCu微尺度焊點(diǎn)的拉伸力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)電遷移導(dǎo)致焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度顯著降低，隨著電流密度的增加或通電時間的延長，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢，同時電遷移還導(dǎo)致焊點(diǎn)的拉伸斷裂模式發(fā)生明顯變化，在經(jīng)歷高電流密度或長時間通電的電遷移后，焊點(diǎn)在服役條件下會發(fā)生由韌性斷裂向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。同時，王家兵等人[42]研究了無鉛焊點(diǎn)在高電流密度下服役的可靠性，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要原因是焊點(diǎn)在承受一定電流作用之后，陰極金屬間化合物(IMC)分解，銅焊盤受侵蝕，陽極形成大量的脆性化合物Cu6Sn5。同時，發(fā)現(xiàn)添加微量元素如Bi和Ni后，釬料基體得到明顯的細(xì)化，界面IMC層較薄，焊點(diǎn)的抗電遷移能力得到了明顯的加強(qiáng)。姚宗湘等人[43]分析了0.3×104A/cm2恒定電流密度和不同加載時間的電遷移條件對6.5 μm厚鍍錫層表面錫須生長行為的影響，發(fā)現(xiàn)電遷移加速了鍍層表面錫須的形成與生長，隨著電遷移時間的延長，錫須長度不斷增加。

電遷移的驅(qū)動力是“電子風(fēng)”，當(dāng)電子從左到右流過時，左側(cè)界面的金屬間化合物變厚，而右側(cè)變薄，焊點(diǎn)的組織改變嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。綜合以上研究成果，適量的合金化元素的添加有利于細(xì)化釬料的組織，抑制IMC界面的生長，提高焊點(diǎn)的抗電遷移能力。同時，在“電子風(fēng)”的驅(qū)動下焊點(diǎn)內(nèi)部原子的遷移致使內(nèi)部壓力的增大并引發(fā)錫須的生長。一般認(rèn)為，當(dāng)錫須長度為50 μm時就可能給電子產(chǎn)品帶來了極大的失效風(fēng)險[44]。國內(nèi)學(xué)者針對焊點(diǎn)錫須現(xiàn)象開展了一系列研究。近年來有研究表明[44]，在相同的時效條件下，鍍錫層越薄，錫須生長的可能性越大；相同的外加載荷和試驗(yàn)溫度下，承受壓力作用的鍍錫層比承受拉應(yīng)力作用時錫須生長得更快。有學(xué)者研究了Sn9Zn/Cu無鉛焊點(diǎn)中ZnO須自發(fā)生長行為[45]，證明了富鋅相氧化是導(dǎo)致富鋅相表面ZnO須自發(fā)生長的原因。葉煥等人[47]在向Sn9Zn0.5Ga基體合金中添加0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀土Pr元素后，僅需室溫時效12 h，合金組織中的稀土相表面即發(fā)生了錫須的自發(fā)生長，隨時效時間的延長，錫須繼續(xù)長大，最終長度可達(dá)100 μm，稀土相氧化所產(chǎn)生的微觀壓應(yīng)力可能為錫須的生長提供了驅(qū)動力。同時，葉煥等人[47]研究了相同時效時間(30 d)，3種不同氧化條件下SnZnGa-xPr無鉛釬料表面的錫須生長行為，發(fā)現(xiàn)在室溫環(huán)境下，錫須呈典型的針狀生長；在濕熱條件下，錫須呈丘狀生長；而在氮?dú)鈿夥盏慕茻o氧條件下僅發(fā)現(xiàn)有少量錫粒在稀土相PrSn3表面產(chǎn)生，基于稀土相氧化驅(qū)動錫須理論，得出3種條件環(huán)境下錫須生長行為的不同是由于稀土相氧化程度不同造成的。田君等人[48]在Sn3.8Ag0.7Cu釬料中添加過量的稀土Ce和Er元素，通過常溫及150 ℃時效處理的方法研究稀土相CeSn3及ErSn3表面錫須的生長行為，發(fā)現(xiàn)稀土相的表面出現(xiàn)了大量規(guī)則的針狀及線狀錫須，其在生長過程中始終保持恒定的截面，當(dāng)錫須根部的頂點(diǎn)位置存在某些稀土化合物時，會出現(xiàn)錫須的分枝現(xiàn)象；當(dāng)兩枝錫須的根部相距很近時，會出現(xiàn)錫須的合并現(xiàn)象。

綜合以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錫須的生長驅(qū)動力是元素的快速擴(kuò)散，當(dāng)存在鍍層時元素內(nèi)部向表面擴(kuò)散，然后在鍍層表面形成錫須。同時，電遷移，外界的壓力及釬料中稀土相的氧化均可能引起內(nèi)部壓力的增加進(jìn)而引發(fā)錫須的生長。然而，到目前為止國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)仍然沒有闡明錫須的基礎(chǔ)生長機(jī)理及高適用性的錫須抑制對策。因此，錫須問題依然是無鉛釬料領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

3 結(jié)論

(1)采用適量的合金元素或稀土元素對無鉛釬料進(jìn)行合金化改性，可以抑制界面IMC層的生長，一定程度上提高焊點(diǎn)的可靠性。

(2)外加載荷及熱循環(huán)作用是無鉛焊點(diǎn)失效的主要原因，可以采用模擬分析與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對不同位置的焊點(diǎn)壽命進(jìn)行預(yù)判。

(3)錫須嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的可靠性，其生長機(jī)理尚不明確。通過以上研究成果可以明確，電遷移作用可以誘發(fā)錫須，并有待進(jìn)一步深入研究。

(4)無鉛釬料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)SnPb釬料在微電子連接領(lǐng)域里發(fā)揮作用。但目前沒有一種無鉛釬料的綜合性能達(dá)到或超越傳統(tǒng)SnPb釬料，因此新型高可靠性無鉛釬料及新型微連接技術(shù)仍是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)方向。