多場(chǎng)耦合下RF 組件的焊點(diǎn)信號(hào)完整性

田文超，孔凱正，周理明，肖寶童

（1.西安電子科技大學(xué)杭州研究院，杭州 311231；2.揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225008）

0 引言

隨著電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和5G 通信的逐步普及，電子產(chǎn)品開始逐漸向小型化、高度集成化和高頻率的方向發(fā)展。射頻（RF）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，RF 組件是手機(jī)、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等產(chǎn)品的重要組成部分，在星載、機(jī)載、地面、艦船載等軍用設(shè)備中也有較為廣泛的應(yīng)用。無論在軍事還是民用領(lǐng)域，RF 組件都起著極為關(guān)鍵的作用，是實(shí)現(xiàn)偵測(cè)、通信、導(dǎo)航、對(duì)抗等功能的重要部件。

焊點(diǎn)信號(hào)完整性直接影響著RF 組件的性能和可靠性。在當(dāng)前RF 系統(tǒng)集成架構(gòu)中，無論是采用多芯片組件（MCM）技術(shù)還是系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)，焊點(diǎn)作為RF 組件中不可或缺的部分，不僅起到機(jī)械支撐的作用，還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電氣連接。RF 組件的信號(hào)頻率通常為30 MHz～300 GHz，在高頻條件下，焊點(diǎn)之間會(huì)發(fā)生自感現(xiàn)象，從而增加信號(hào)在傳輸過程中的回波損耗。自感現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)衰減、失真、干擾等情況，從而影響RF 組件的性能，甚至在一些極端情況下會(huì)導(dǎo)致RF 組件失效[1-2]。

RF 組件在海上應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)受到濕度和化學(xué)腐蝕的影響，在高空應(yīng)用場(chǎng)景中需要承受高頻振動(dòng)的考驗(yàn)，此外，RF 組件還需應(yīng)對(duì)溫度變化、電遷移等可靠性問題。極端復(fù)雜的物理環(huán)境也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)信號(hào)完整性造成影響。本文綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、工藝及環(huán)境等因素，對(duì)多場(chǎng)耦合下的焊點(diǎn)信號(hào)完整性進(jìn)行分析和測(cè)試。本文研究了高低頻條件下焊點(diǎn)的電氣性能檢測(cè)結(jié)果，從焊點(diǎn)的電學(xué)參數(shù)、損傷和形貌等方面入手，分析了多場(chǎng)耦合環(huán)境對(duì)焊點(diǎn)信號(hào)完整性的影響，明確了在高頻條件下須對(duì)焊點(diǎn)的電學(xué)性能和機(jī)械性能進(jìn)行綜合考慮，為提升RF 等高頻組件的焊點(diǎn)可靠性提供了參考。

1 RF 組件

1.1 RF 封裝

RF 集成電路的主要功能模塊包括RF 收發(fā)機(jī)、功率放大器、低噪聲放大器以及巴侖、濾波器等無源器件，其中的核心模塊為收發(fā)組件，在通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[3]。單個(gè)RF 芯片集成了不同功能的電路，RF 信號(hào)的收發(fā)、功率放大、濾波等功能都是由對(duì)應(yīng)的單片微波集成電路（MMIC）實(shí)現(xiàn)的，MMIC 是利用一系列半導(dǎo)體工藝方法在半絕緣半導(dǎo)體襯底上制造出無源和有源元器件，并將其連接起來，構(gòu)成應(yīng)用于微波（甚至毫米波）頻段的功能電路[4]。

在高頻RF 封裝中，電路出現(xiàn)開路，其效果類似于電容，電路出現(xiàn)短路，其效果類似于電感，寄生效應(yīng)的大量存在影響了信號(hào)完整性。因此，RF 封裝應(yīng)該采用協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，既要保證寄生效應(yīng)的最小化，又要保證傳輸線和電抗元件的性能穩(wěn)定[5]。以微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)為例，其作為RF 組件的核心部件之一，被用于控制電路的通斷。隨著應(yīng)用頻率的增加，MEMS 開關(guān)的寄生效應(yīng)和趨膚效應(yīng)都會(huì)顯著增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)的隔離性能和插入損耗急劇下降[6]。

傳統(tǒng)的RF 芯片制造使用MCM 技術(shù)，即把多塊MMIC 組裝在同一塊多層電路基板上，通過高密度互連把多個(gè)不同功能的電路集成為1 個(gè)功能組件。使用MCM 技術(shù)制造的AMD 霄龍?zhí)幚砥魅鐖D1（a）所示。MCM 技術(shù)縮短了芯片之間的距離，其緊密的布局方式可以優(yōu)化互連和布線設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少信號(hào)的延遲、串?dāng)_噪聲以及電感、電容耦合等問題[7]。因此，RF 組件能夠保持良好的熱可靠性，也能確保信號(hào)完整性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和對(duì)高度集成的要求，RF 封裝技術(shù)正在經(jīng)歷由MCM 技術(shù)向SiP 技術(shù)的方向發(fā)展[8]。采用SiP 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將大量的無源和有源器件集成在單一的封裝體內(nèi)，其在小型化、電磁兼容、功耗和成本方面都有不錯(cuò)的提升[9]。SiP 技術(shù)的主流封裝形式是球柵陣列（BGA）封裝，即通過焊球?qū)⑿酒蚪M件的引腳連接到基板的焊盤上。焊球在BGA 封裝中發(fā)揮了重要作用，BGA 封裝具有優(yōu)良的熱可靠性和信號(hào)完整性。SiP 中的3D 封裝技術(shù)（中介層技術(shù)、埋入技術(shù)、堆疊技術(shù)）讓SiP 具備了更高性能、更小尺寸和更優(yōu)化的RF 系統(tǒng)集成架構(gòu)，使用SiP 技術(shù)制造的ADAQ23878芯片如圖1（b）所示。

圖1 使用不同封裝技術(shù)的芯片

1.2 互連形式

SiP 中常用的互連技術(shù)分為3 類：焊點(diǎn)連接、凸點(diǎn)連接和引線鍵合[10]。引線鍵合是1 種將金屬引線連接到基板焊盤的方法，通過金屬引線連接內(nèi)部和外部芯片。隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，硅通孔（TSV）技術(shù)被廣泛應(yīng)用，TSV 技術(shù)利用在硅芯片內(nèi)部制造垂直通孔的方法，將芯片的頂面和底面連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了垂直方向的電連接。采用TSV 技術(shù)的倒裝芯片的信號(hào)線路徑明顯短于采用引線鍵合的信號(hào)線[11]，在對(duì)信號(hào)完整性有嚴(yán)格要求的高速信號(hào)場(chǎng)景中，TSV 技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，TSV 在SiP 常用的芯片倒裝技術(shù)和先進(jìn)的3D 封裝堆疊技術(shù)中都得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，焊點(diǎn)和微凸點(diǎn)作為主要的互連技術(shù)，也在此類封裝結(jié)構(gòu)中起到了重要作用，采用TSV 的典型封裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

焊點(diǎn)是1 種傳統(tǒng)的連接方法，在PCB 領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其常被用于實(shí)現(xiàn)PCB 或基板與其他電子元件的連接。凸點(diǎn)，通常稱為焊球，可以將其理解為小型的焊點(diǎn)，可用于連接微型設(shè)備，圖2 中的Bump 和Micro bump都為凸點(diǎn)。在RF 芯片領(lǐng)域，徐榕青等人[12]對(duì)凸點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和比較，凸點(diǎn)不僅限于焊料凸點(diǎn)，還有銅凸點(diǎn)和金凸點(diǎn)，這3 種凸點(diǎn)為主流應(yīng)用的制備技術(shù)。同時(shí)，在射頻系統(tǒng)級(jí)封裝（RFSiP）的設(shè)計(jì)中，凸點(diǎn)作為關(guān)鍵的傳輸結(jié)構(gòu)，需要高度重視其高頻電磁場(chǎng)輻射和電磁兼容性問題。

標(biāo)準(zhǔn)SiP 中常用的互連方式為引線鍵合和倒裝芯片，如圖3 所示。倒裝芯片是通過翻轉(zhuǎn)底部填充材料來完成互連，即將底部填充材料預(yù)先放置在芯片表面上，翻轉(zhuǎn)芯片將其連接到基板。倒裝芯片比引線鍵合更為先進(jìn)，主要表現(xiàn)在4 個(gè)方面：1）信號(hào)完整性，采用倒裝芯片的信號(hào)線路徑明顯短于采用引線鍵合的信號(hào)線[13]；2）電源完整性，倒裝芯片擁有更小的體積，從電源到芯片的總阻抗會(huì)更低，從而降低了壓降和電源噪聲；3）靈活性，倒裝芯片可以在整個(gè)芯片表面進(jìn)行連接，該特點(diǎn)使其在需要進(jìn)行高密度連接的應(yīng)用場(chǎng)景下具有優(yōu)勢(shì)；4）小型化，倒裝芯片不需要額外的連接空間，其高密度特性有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)SiP 中常用的互連方式[10]

SiP 技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣化。根據(jù)Yole 集團(tuán)對(duì)SiP 技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)的分析[14]，除了引線鍵合和倒裝芯片外，SiP 還有2 種常見的互連方式：扇出式芯片和嵌入式芯片。相較于倒裝芯片，扇出式芯片和嵌入式芯片在體積、集成芯片數(shù)量和再分布層應(yīng)用等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其在信號(hào)傳輸和熱管理性能上也表現(xiàn)良好。

2 多場(chǎng)耦合

電子產(chǎn)品通常會(huì)在服役過程中受到多種因素影響，比如溫度、濕度、氣壓、灰塵和電磁干擾等。根據(jù)美國(guó)空軍的電子產(chǎn)品完整性大綱對(duì)電子產(chǎn)品的故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由溫度引起的電子產(chǎn)品失效占比高達(dá)55%[15]；由振動(dòng)和沖擊引起的電子產(chǎn)品失效占比為20%，其中大部分為互連焊點(diǎn)失效；由濕氣和塵埃造成的電子產(chǎn)品失效占比分別為19%和6%。不同環(huán)境因素引起的電子產(chǎn)品失效占比如圖4 所示。

圖4 不同環(huán)境因素引起的電子產(chǎn)品失效占比

隨著電路集成度的大幅提升，RF 組件中的焊點(diǎn)間距和焊點(diǎn)尺寸越來越小，焊點(diǎn)作為封裝結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位，很容易出現(xiàn)可靠性問題。研究結(jié)果表明，70%的電子器件失效是由封裝失效引起的，焊點(diǎn)失效是導(dǎo)致電子封裝失效的主要原因，焊點(diǎn)可靠性問題已經(jīng)成為電子封裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[16]。

為了解決焊點(diǎn)失效問題，早期的研究者主要致力于尋找新的焊接材料和優(yōu)化相關(guān)的工藝參數(shù)。在對(duì)焊點(diǎn)故障機(jī)理進(jìn)行深入研究后，研究者們發(fā)現(xiàn)影響焊點(diǎn)可靠性的主要因素是溫度，部分學(xué)者甚至在一定時(shí)期內(nèi)認(rèn)為焊點(diǎn)的可靠性問題與其熱可靠性緊密相關(guān)，因此將溫度作為預(yù)測(cè)焊點(diǎn)疲勞壽命和評(píng)估焊點(diǎn)可靠性的指標(biāo)。常見的預(yù)測(cè)疲勞模型可以分為5 類[17]：基于應(yīng)力的模型、基于塑性應(yīng)變的模型、基于蠕變應(yīng)變的模型、基于能量的模型、基于損傷積累的模型，其中基于應(yīng)變的Coffin-Manson 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突趽p傷累積的Darveaux 能量模型被廣泛使用。由于不同封裝材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，溫度差異會(huì)在各封裝層和焊點(diǎn)中引發(fā)應(yīng)力和應(yīng)變，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致PCB 發(fā)生變形和翹曲。

LALL 等人[18]使用有限元模型對(duì)焊點(diǎn)在受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)的行為進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明，焊點(diǎn)到封裝接口處和焊點(diǎn)到PCB 接口處承受的應(yīng)變最大，LALL等人通過試樣破壞分析發(fā)現(xiàn)接口處出現(xiàn)失效的概率很高。因此，除了溫度，沖擊和振動(dòng)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性也有影響。

隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步和RF 組件工作頻率的提高，焊點(diǎn)的尺寸和間距越來越小，焊點(diǎn)兩端的電流和電壓大幅提升，焊點(diǎn)受到電場(chǎng)和溫度場(chǎng)影響，電遷移問題開始被研究者們關(guān)注。電遷移是金屬材料中原子發(fā)生移動(dòng)的物理現(xiàn)象，導(dǎo)電的電子與擴(kuò)散的金屬原子之間存在動(dòng)量傳遞，導(dǎo)致金屬原子朝著電子流動(dòng)的方向發(fā)生遷移。在高密度電流和高電壓下的焊點(diǎn)不僅會(huì)受到大量的焦耳熱，其內(nèi)部的原子還會(huì)在電遷移的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，焊點(diǎn)內(nèi)部原子的質(zhì)量傳輸會(huì)導(dǎo)致互連焊點(diǎn)形成空洞或晶須，甚至形成裂紋，從而引發(fā)焊點(diǎn)斷裂失效。出現(xiàn)破壞性電遷移現(xiàn)象的電流密度閾值是1×104A/cm2[19]，焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生了高能原子并與電子流平行遷移，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。LAI 等人[20]研究了以Sn3Ag0.5Cu 為焊料的倒裝焊點(diǎn)的電遷移現(xiàn)象，以焊點(diǎn)的平均電流密度和環(huán)境溫度作為實(shí)驗(yàn)變量設(shè)置了3 種測(cè)試條件：1）在150 ℃下，電流密度為10 kA/cm2；2）在160 ℃下，電流密度為10 kA/cm2；3）在125 ℃下，電流密度為15 kA/cm2。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的凸點(diǎn)金屬化（UBM）層相比，銅柱焊點(diǎn)的抗電流能力較好，但在溫度和電流的共同作用下銅柱焊點(diǎn)的內(nèi)部仍然發(fā)生了損傷，裂紋主要分布在焊點(diǎn)的陰極一側(cè)。在不同的溫度和電流密度下，失效的銅柱焊點(diǎn)形貌如圖5 所示。

圖5 不同溫度和電流密度下失效的銅柱焊點(diǎn)形貌

深入研究單一物理場(chǎng)對(duì)了解焊點(diǎn)失效機(jī)理非常重要，但其無法全面反映焊點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中遭遇的多場(chǎng)耦合環(huán)境所帶來的復(fù)雜影響。多場(chǎng)耦合對(duì)電子產(chǎn)品焊點(diǎn)具有較強(qiáng)的破壞作用，不同物理場(chǎng)造成的損傷會(huì)相互疊加且具有累加效應(yīng)，導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生急速失效。因此，在對(duì)焊點(diǎn)的可靠性問題進(jìn)行分析時(shí)需要考慮多場(chǎng)耦合問題。YU 等人對(duì)BGA 封裝中的單一焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化[21]，采用有限元分析軟件對(duì)焊點(diǎn)在溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和電場(chǎng)中的表現(xiàn)進(jìn)行仿真分析，總結(jié)了BGA 焊點(diǎn)在多場(chǎng)耦合下最優(yōu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。研究者們主要聚焦于電場(chǎng)-熱場(chǎng)-機(jī)械場(chǎng)之間的相互耦合作用。GUO 等人[22]依據(jù)電場(chǎng)-熱場(chǎng)-機(jī)械場(chǎng)的強(qiáng)耦合理論，研究了焊點(diǎn)中的金屬間化合物（IMC）層在不同表面粗糙度條件下的變化過程以及IMC 層的應(yīng)力分布情況。當(dāng)焊點(diǎn)界面較為粗糙時(shí)，在多場(chǎng)耦合下界面分子驅(qū)動(dòng)力的方向會(huì)影響IMC 層的變化。

3 信號(hào)完整性

3.1 焊點(diǎn)的電氣性能檢測(cè)

3.1.1 低頻下的電氣性能

焊點(diǎn)是電子封裝中的關(guān)鍵互連結(jié)構(gòu)，采用菊花鏈電阻測(cè)試可以評(píng)估其電性能以及直流電阻的變化。YAMANAKA 等人[23]采用菊花鏈路電阻測(cè)試研究焊點(diǎn)的電阻，并利用2 個(gè)焊點(diǎn)之間的電阻變化來確定焊點(diǎn)的溫度，焊點(diǎn)溫度越高，其電阻變化越大，焊點(diǎn)電阻變化之比與溫度變化的函數(shù)關(guān)系如圖6 所示。針對(duì)低頻情況下的RF 組件，研究者們利用焊點(diǎn)的電阻變化來評(píng)估其損傷程度。CONSTABLE 等人[24-26]最先提出利用電阻作為疲勞指標(biāo)來研究焊點(diǎn)的機(jī)械失效問題，并闡述了焊點(diǎn)的反向運(yùn)動(dòng)會(huì)增加其電阻值的現(xiàn)象。

圖6 焊點(diǎn)電阻變化之比與溫度變化的函數(shù)關(guān)系

菊花鏈電阻測(cè)試是1 種特定的電子測(cè)試方法，用于評(píng)估電路中多個(gè)串聯(lián)連接點(diǎn)的電阻性能，將多個(gè)焊點(diǎn)以環(huán)狀或鏈狀的形式串聯(lián)起來形成1 個(gè)菊花鏈的結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量鏈路中的電壓降來計(jì)算電阻值。菊花鏈電阻測(cè)試不僅能夠評(píng)估焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電氣性能，還可以評(píng)估焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性。

早期行業(yè)內(nèi)常用的可靠性失效標(biāo)準(zhǔn)為IPC-SM-785 標(biāo)準(zhǔn)，判斷焊點(diǎn)失效的3 個(gè)關(guān)鍵特征包括電阻增加幅度、電氣連接中斷的持續(xù)時(shí)間、電氣連接中斷的發(fā)生頻率。在理想狀態(tài)下，需要持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)菊花鏈的連續(xù)性測(cè)試回路的連通性，以便及時(shí)檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，但在實(shí)際應(yīng)用中，電阻值是通過對(duì)經(jīng)歷過溫度循環(huán)后從腔室中取出的電路板進(jìn)行測(cè)試得到的，并不是通過真正的原位測(cè)量測(cè)得。非原位測(cè)量的方法無法檢測(cè)到瞬態(tài)電阻變化，因此很少能檢測(cè)到間歇性故障。QI 等人[27]對(duì)經(jīng)歷過溫度循環(huán)后的焊點(diǎn)電阻值進(jìn)行分析，提出不能簡(jiǎn)單地以電阻值增加超過其初始值的10%或20%作為焊點(diǎn)失效的判定標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

為了減少評(píng)估相關(guān)電子產(chǎn)品可靠性所需的時(shí)間和成本，電子行業(yè)通常采用加速測(cè)試的方法。這種方法通過模擬高溫、熱循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊、濕度、電氣偏置和化學(xué)污染等高應(yīng)力條件，讓焊點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間累積效應(yīng)相當(dāng)?shù)目简?yàn)，觀察焊點(diǎn)是否能保持其電學(xué)性能。采用加速測(cè)試的方法，可以快速判斷焊點(diǎn)在這些極端條件下的電學(xué)性能，從而預(yù)測(cè)電子產(chǎn)品在實(shí)際使用中的表現(xiàn)。

3.1.2 高頻下的電氣性能

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的工作頻率不斷提升，單純依靠電阻變化來評(píng)估系統(tǒng)的電氣性能已不能滿足需要。在高頻情況下，焊點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)出趨膚效應(yīng)，電流都集中在焊點(diǎn)表面?zhèn)鬏敚娮璧淖兓呀?jīng)不能準(zhǔn)確地表征焊點(diǎn)性能的早期退化情況。CAERS 等人[28]對(duì)出現(xiàn)了裂紋的焊點(diǎn)進(jìn)行電阻測(cè)量，結(jié)果表明，直流電阻的變化僅在毫歐級(jí)別，很難以此檢測(cè)到焊點(diǎn)內(nèi)部發(fā)生的細(xì)微變化。因此，在高頻情況下，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)直流電阻來預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的壽命，這種方法容易高估焊點(diǎn)壽命，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)。

KWON 等人[29]提出了1 種檢測(cè)互連性能退化的方法——RF 阻抗分析。采用阻抗測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電阻測(cè)量，在高頻電流和信號(hào)環(huán)境下，檢測(cè)焊點(diǎn)性能退化的靈敏度得到了顯著提升。由于焊點(diǎn)阻抗的不連續(xù)性，KWON 等人使用了反射系數(shù)對(duì)焊點(diǎn)的性能退化情況進(jìn)行表征，并采用時(shí)域反射法（TDR）進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果表明，基于直流電阻測(cè)量的可靠性評(píng)估方法可能會(huì)高估高頻電子組件的使用壽命。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了1 種可以同時(shí)測(cè)量RF 和直流響應(yīng)的測(cè)試電路，在150 ℃下對(duì)焊點(diǎn)施加剪切力并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，RF 阻抗分析對(duì)焊點(diǎn)性能退化情況的敏感性高于直流電阻測(cè)量，焊點(diǎn)失效部位的反射系數(shù)和直流電阻對(duì)比如圖7 所示。在高頻條件下，通常使用S 參數(shù)來評(píng)估電路阻抗。S 參數(shù)是1 個(gè)復(fù)數(shù)矩陣，其描述了RF 信號(hào)與設(shè)備端口的交互作用，S 參數(shù)包含了4 種參數(shù)：反射系數(shù)S11和S22，傳輸系數(shù)S21和S12。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試在不同頻率下輸入/輸出端口的信號(hào)幅度和相位信息，并計(jì)算出S 參數(shù)。S 參數(shù)在高頻電路和微波電路的設(shè)計(jì)和分析中具有重要作用，通過分析雙端口網(wǎng)絡(luò)的S 參數(shù)可以獲得RF 設(shè)備的多種特性，例如反射系數(shù)、電阻值、電容值、插入損耗以及回波損耗等。S 參數(shù)可以直接反映頻域?qū)傩裕瑤椭芯空吡私庑盘?hào)在焊點(diǎn)上的傳輸情況，以保證焊點(diǎn)的電學(xué)性能和信號(hào)完整性。

圖7 焊點(diǎn)失效部位的反射系數(shù)和直流電阻對(duì)比

KANG 等人[30]對(duì)具有不同互連缺陷的S 參數(shù)模型進(jìn)行歸納，開發(fā)出1 種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。該算法不僅可以檢測(cè)出互連中存在的缺陷，還能迅速分析缺陷產(chǎn)生的原因及其嚴(yán)重性。采用360 個(gè)S 參數(shù)模式來訓(xùn)練模型，采用隨機(jī)選取用于測(cè)試的45 個(gè)S 參數(shù)樣本進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)缺陷原因的判定準(zhǔn)確率為95.56%，對(duì)缺陷嚴(yán)重程度的判定準(zhǔn)確率為91.11%。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)互連缺陷的預(yù)測(cè)，并且可以分析出導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的瞬時(shí)原因。

3.2 焊點(diǎn)的信號(hào)完整性

在RF 組件中存在許多潛在的可靠性問題，包括應(yīng)力斷裂、高溫變形、高溫劣化、開路、短路、線路阻抗不匹配及電磁干擾等，嚴(yán)重影響了RF 組件的工作壽命?？煽啃詥栴}主要分為3 類：熱管理問題、機(jī)械應(yīng)力問題和電氣性能問題。RF 組件內(nèi)部的散熱受阻，內(nèi)部溫度上升，封裝材料的CTE 差異較大，封裝結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊和振動(dòng)時(shí)會(huì)受到不規(guī)則機(jī)械應(yīng)力變化的影響，進(jìn)而對(duì)RF 組件的整體電氣性能產(chǎn)生影響。溫度是影響焊點(diǎn)可靠性的最主要因素，熱老化、熱循環(huán)及熱沖擊都可能導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。因此，針對(duì)芯片的熱管理和機(jī)械應(yīng)力的研究一直是業(yè)界的重要方向，其最終目的是保護(hù)RF 組件的電氣性能，從而確保系統(tǒng)信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性。濕氣也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)可靠性造成影響，在回流焊過程中封裝材料內(nèi)部濕氣形成的蒸汽壓會(huì)造成額外的應(yīng)力[31]，焊點(diǎn)在濕氣環(huán)境下也會(huì)發(fā)生腐蝕。

多個(gè)焊點(diǎn)之間存在著電容和電感之間的相互耦合與寄生效應(yīng)，焊點(diǎn)在復(fù)雜環(huán)境下服役時(shí)會(huì)受到應(yīng)力和應(yīng)變的影響，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋、空洞等物理損傷。溫度等物理因素會(huì)引發(fā)焊料的電學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)而改變焊點(diǎn)的阻抗，導(dǎo)致信號(hào)在焊點(diǎn)傳輸過程中受到多種因素影響，如插入損耗、回波損耗、串?dāng)_噪聲和傳播延遲等。研究者們對(duì)焊點(diǎn)失效的評(píng)估參數(shù)從直流電阻轉(zhuǎn)向RF 阻抗，RF 封裝的電學(xué)特性取決于信號(hào)從芯片傳輸?shù)絇CB 時(shí)的完整性，其中互連結(jié)構(gòu)就是影響信號(hào)完整性的主要因素[32]。

隨著數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘速度的不斷提升，以及RF和微波電路工作頻率的日益提高，鍵合線已成為限制系統(tǒng)電氣性能的關(guān)鍵因素。PAN 等人[33]對(duì)WBCSP 封裝和FCCSP 封裝進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，鍵合線的直徑以及其與芯片或其他組件之間的水平間距，均可能對(duì)其性能產(chǎn)生顯著影響，信號(hào)跡線也會(huì)受其影響。WBCSP 封裝通過引線鍵合實(shí)現(xiàn)互連，而FCCSP 封裝則通過芯片和基板之間的焊料凸塊以及基板的通孔來實(shí)現(xiàn)互連。不同的互連方式會(huì)造成電學(xué)參數(shù)的差異，與焊料凸塊和通孔相比，鍵合線具有更大的電阻和電感。因此，WBCSP 封裝的電阻值和電感值大于FCCSP 封裝，而FCCSP 封裝的負(fù)載電容略大于WBCSP 封裝。

焊點(diǎn)互連與引線鍵合相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的引腳數(shù)和更佳的電氣性能。當(dāng)RF 組件的時(shí)鐘頻率變快時(shí)，高頻信號(hào)會(huì)產(chǎn)生傳播延遲、信號(hào)失真和噪聲問題，而噪聲問題與封裝中的寄生電容、電阻和電感有關(guān)。在電子封裝中，為了優(yōu)化焊點(diǎn)的電氣性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮如何將互連中的寄生電阻、電感和電容最小化。在SiP 中，信號(hào)傳輸路徑由基板上的傳輸線、過孔和焊點(diǎn)構(gòu)成，路徑中明顯存在阻抗不連續(xù)性問題，因此必須調(diào)整SiP 結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而改善信號(hào)完整性。具體措施包括選擇具有卓越RF 特性、低介電常數(shù)的基板作為轉(zhuǎn)接板，優(yōu)化焊點(diǎn)的尺寸和排列等[34]。

3.3 焊點(diǎn)信號(hào)完整性的影響因素

3.3.1 電學(xué)參數(shù)變化

在板級(jí)電路的正常服役過程中，電流通過銅引線、焊點(diǎn)和芯片時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)引起溫度變化。隨著溫度的升高，焊點(diǎn)的電阻率和介電常數(shù)會(huì)升高。電學(xué)參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸中的反射和衰減現(xiàn)象，而溫度變化會(huì)進(jìn)一步影響電場(chǎng)的分布。TSV 技術(shù)雖然減少了延時(shí)問題，但是其硅襯底會(huì)導(dǎo)致噪聲耦合。LEE等人[35]測(cè)試了溫度變化對(duì)噪聲耦合的影響，認(rèn)為在數(shù)百M(fèi)Hz 頻率區(qū)間內(nèi)，溫度和介電常數(shù)的變化造成了硅襯底的電阻率增加，從而降低了其抑制噪聲的能力。由于Sn-Pb 焊料具有優(yōu)秀的釬焊性能、加工性能、導(dǎo)電連續(xù)性和低成本等優(yōu)勢(shì)，其被廣泛用于焊點(diǎn)制作。FAZLULLAH 等人[36]從阻抗、介電常數(shù)和介電損耗等方面研究Sn-Pb 焊料在不同頻率下的特性。不同配比Sn-Pb 焊料的電學(xué)參數(shù)隨頻率變化情況如圖8 所示。隨著頻率的升高，焊料的阻抗、介電常數(shù)和介電損耗都會(huì)降低，Pb 的含量對(duì)Sn-Pb 焊料的電氣特性有顯著影響。

圖8 不同配比Sn-Pb 焊料的電學(xué)參數(shù)隨頻率變化情況

Pb 本身具有毒性，易污染環(huán)境。歐盟自2006 年起要求電子器件必須實(shí)現(xiàn)無鉛化生產(chǎn)，此舉大大推動(dòng)了無鉛焊料的發(fā)展。已開發(fā)的無鉛焊料有Sn-Ag 系、Sn-In 系和In-Bi 系等，其中，SnAgCu 合金由于具備良好的焊接性能、抗蠕變性能、熱疲勞可靠性和與電子組件的兼容性，被認(rèn)為是最有前途的Sn-Pb 焊料替代品[37]。HAMMAD 等人[38]的研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以改變Sn2.0Ag0.5Cu2.0Zn 無鉛焊料合金的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，其極限抗拉強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、楊氏模量和伸長(zhǎng)率分別提高了110%、112%、119%和108%。XU 等人[39]對(duì)SAC305 焊料在高溫下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)焊料試樣的應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算與透射波和反射波有關(guān)，與入射波無關(guān)。

在電子產(chǎn)品中，常見的基礎(chǔ)材料、涂層和金屬化層，如銅、鎳、銀及銀鈀合金等，都會(huì)與無鉛焊料的主要元素（Sn）發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而形成IMC。SHIH 等人[40]測(cè)試了經(jīng)過溫循處理后的SAC 焊點(diǎn)的電學(xué)性能，采用傳統(tǒng)的電流-電壓測(cè)量與新型的特殊樣品切片技術(shù)相結(jié)合的方法，評(píng)估了焊點(diǎn)形成的IMC 的電阻特性。結(jié)果表明，無鉛焊料與UBM 層之間發(fā)生了界面反應(yīng)，焊點(diǎn)的電學(xué)參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的演變有關(guān)。

3.3.2 焊點(diǎn)的損傷

信號(hào)完整性損傷的根源在于電路之間的互連。開裂為焊點(diǎn)最常見的故障模式之一，焊點(diǎn)斷裂會(huì)造成開路，導(dǎo)致信號(hào)無法傳輸，焊點(diǎn)的橫截面斷裂還會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失去機(jī)械支撐作用和電氣性能，從而引發(fā)整體組件的性能缺失。AZARIAN 等人[41]認(rèn)為，焊點(diǎn)中的裂紋會(huì)縮短信號(hào)傳輸路徑，從而導(dǎo)致其電感不連續(xù)，信號(hào)在傳輸過程中受到阻礙，信號(hào)通過焊點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過的串聯(lián)或回路電感增加，從而引起焊點(diǎn)區(qū)域的特性阻抗變化。針對(duì)不同開裂程度的焊點(diǎn)建立了傳輸線模型，開裂程度不同的焊點(diǎn)的等效阻抗電路模型如圖9 所示。使用焊點(diǎn)在經(jīng)受循環(huán)應(yīng)力期間的實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和改善，對(duì)比不同開裂程度的焊點(diǎn)在直流和RF 條件下的電阻和阻抗變化特性，結(jié)果表明，RF阻抗對(duì)焊點(diǎn)損傷的響應(yīng)更為迅速。

圖9 開裂程度不同的焊點(diǎn)的等效阻抗電路模型

LIU 等人[42]基于傳輸線理論，根據(jù)焊點(diǎn)的主要失效機(jī)理和模式，對(duì)焊點(diǎn)裂紋的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將2個(gè)損壞的電感視為串聯(lián)的導(dǎo)體，將焊點(diǎn)裂紋視為電容，建立了焊點(diǎn)的傳輸線電氣模型?？紤]到趨膚效應(yīng)和寄生效應(yīng)的影響，LIU 等人推導(dǎo)了焊點(diǎn)的特征阻抗，最終得到焊點(diǎn)裂紋的特征阻抗模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。焊點(diǎn)裂紋會(huì)改變傳輸通道的特性阻抗，進(jìn)而影響焊點(diǎn)的信號(hào)完整性。LIU 等人[43]又建立了等效焊點(diǎn)互連電阻的解析模型，該模型可以預(yù)測(cè)在不同環(huán)境溫度、垂直應(yīng)變和剪切應(yīng)變共同作用下電阻的變化。結(jié)果表明，焊點(diǎn)在受到混合的垂直和剪切應(yīng)變時(shí)，剪切應(yīng)變主導(dǎo)了電阻的變化。溫度等物理場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變和損傷退化，對(duì)焊點(diǎn)的電學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，從而引發(fā)焊點(diǎn)的信號(hào)完整性問題。因此，預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的幾何特性變化及其熱效應(yīng)是保持信號(hào)傳輸速度和電學(xué)信號(hào)保真度的重要環(huán)節(jié)。

3.3.3 焊點(diǎn)形貌

在RF 封裝設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取措施使寄生效應(yīng)最小化，并讓導(dǎo)體在高頻狀態(tài)下表現(xiàn)出更大的阻抗特性。電路在高頻、低頻環(huán)境下有很大差別。低頻環(huán)境下的電阻值、電感值和電容值通常被認(rèn)為是恒定值，而高頻環(huán)境下這些電學(xué)參數(shù)會(huì)隨焊點(diǎn)形貌發(fā)生顯著變化。隨著壓縮應(yīng)變的增大，焊點(diǎn)內(nèi)部的導(dǎo)電電子流動(dòng)路徑變短，導(dǎo)電截面積越大，焊點(diǎn)電阻越小。隨著頻率的增大，電感和電容的電學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致它們?cè)诨ミB電路中的傳輸性能降低[44]，因此在設(shè)計(jì)階段就要進(jìn)行電子封裝的電氣性能分析和噪聲分析。

黃春躍等人[45]建立了完整的傳輸路徑焊點(diǎn)模型，采用回波損耗作為評(píng)估高頻信號(hào)完整性的指標(biāo)，研究結(jié)果表明，BGA 焊點(diǎn)的形態(tài)對(duì)傳輸信號(hào)的完整性有一定的影響。當(dāng)焊點(diǎn)的高度增加時(shí)，完整傳輸路徑的回波損耗會(huì)變小。當(dāng)焊點(diǎn)的徑向尺寸減小至0.50 mm時(shí)，完整傳輸路徑的回波損耗最大。采用響應(yīng)面-遺傳算法對(duì)BGA 焊點(diǎn)的形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真模擬進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化焊點(diǎn)形貌后的完整傳輸路徑的回波損耗明顯減小，焊點(diǎn)形貌優(yōu)化前后的回波損耗對(duì)比如圖10 所示。郭廣闊[46]研究了BGA 焊點(diǎn)形貌對(duì)信號(hào)完整性的影響，并提出了各因素對(duì)信號(hào)完整性影響大小的順序：焊點(diǎn)高度＞BGA 焊盤直徑＞頻率＞BGA 焊點(diǎn)的最大徑向尺寸。若以回波損耗作為評(píng)估BGA 焊點(diǎn)信號(hào)完整性的指標(biāo)，隨著系統(tǒng)信號(hào)頻率的升高和BGA焊點(diǎn)最大徑向尺寸的增大，回波損耗會(huì)相應(yīng)增大，而隨著BGA 焊盤直徑和焊點(diǎn)高度的增加，回波損耗也會(huì)相應(yīng)減少，即隨著系統(tǒng)信號(hào)頻率的升高和BGA 焊點(diǎn)最大徑向尺寸的增大，焊點(diǎn)的信號(hào)完整性變差；隨著BGA 焊盤直徑和焊點(diǎn)高度的增加，焊點(diǎn)的信號(hào)完整性變好。

圖10 焊點(diǎn)形貌優(yōu)化前后的回波損耗對(duì)比

從上述研究可知，焊點(diǎn)在焊接和服役過程中會(huì)受到各種機(jī)械應(yīng)力的作用，應(yīng)力形式包括拉伸、彎曲及振動(dòng)等，應(yīng)力會(huì)改變焊點(diǎn)的幾何形狀和尺寸，導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生形變，焊點(diǎn)形變會(huì)進(jìn)一步影響其高頻阻抗的性能表現(xiàn)。CHANDRAKAR 等人[47]對(duì)錐形TSV 微焊點(diǎn)的電學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)5 種不同形狀的TSV 微焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如圖11 所示。結(jié)果表明，與桶形、圓柱形和沙漏形TSV 微焊點(diǎn)相比，錐形TSV 微焊點(diǎn)將由整體串?dāng)_引起的延遲分別降低了33.22%、28.90%和21.61%，其在降低功率損耗和串?dāng)_方面有很好的表現(xiàn)。CHANDRAKAR 等人[48]還對(duì)應(yīng)用最為廣泛的圓柱形TSV 微焊點(diǎn)的信號(hào)完整性和功率損耗進(jìn)行深入研究，使用特殊的電磁模型分析TSV 上耦合焊點(diǎn)的串?dāng)_延遲現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)行熱分析。將使用32 nm 技術(shù)制造的錐形TSV 微焊點(diǎn)與球形、圓柱形TSV 微焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，在20 GHz 頻率下錐形TSV 微焊點(diǎn)的近端串?dāng)_性能分別提升了5.50%和4.88%，遠(yuǎn)端串?dāng)_性能分別提升了10.86%和11.25%，錐形TSV 微焊點(diǎn)的平均失效時(shí)間改善了50.01%。因此，不能僅從電氣或機(jī)械性能的單一維度來評(píng)估焊點(diǎn)的可靠性，需要將2 者統(tǒng)一起來進(jìn)行分析和優(yōu)化。

圖11 不同形狀的TSV 微焊點(diǎn)

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段針對(duì)焊點(diǎn)在多場(chǎng)耦合下的可靠性研究主要集中在焊點(diǎn)的機(jī)械性能方面，對(duì)于其電氣性能的關(guān)注度不夠。然而，對(duì)于RF 組件等高頻率信號(hào)傳輸系統(tǒng)，確保其信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和比特率的穩(wěn)定是保證其可靠性的關(guān)鍵。在高頻環(huán)境下，焊點(diǎn)的電學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此對(duì)焊點(diǎn)電學(xué)性能的研究不能僅局限于靜態(tài)分析。在面對(duì)溫度變化或沖擊載荷時(shí)，焊點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。在高頻條件下，即使是微小的開裂也可能顯著改變焊點(diǎn)的阻抗，從而對(duì)高速電子電路的性能產(chǎn)生不利影響。多場(chǎng)耦合效應(yīng)導(dǎo)致的焊點(diǎn)退化與其信號(hào)完整性之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。在高頻環(huán)境下，焊點(diǎn)的RF 阻抗成為評(píng)估其機(jī)械退化程度的重要指標(biāo)，焊點(diǎn)形貌的變化也會(huì)影響其信號(hào)傳輸質(zhì)量。

在高頻環(huán)境下，電流會(huì)發(fā)生趨膚效應(yīng)，電流主要在焊點(diǎn)表面?zhèn)鬏敚@意味著表面的裂紋會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)性能。同時(shí)，電流密度的增加可能導(dǎo)致電遷移的發(fā)生。因此，不僅要關(guān)注信號(hào)完整性問題，還要將RF 組件的電遷移現(xiàn)象與頻率、信號(hào)等因素緊密結(jié)合進(jìn)行綜合考慮。隨著電路技術(shù)朝著更小尺寸、更高集成度的方向發(fā)展，封裝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和要求也會(huì)相應(yīng)提高。焊點(diǎn)作為信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在研究其可靠性問題時(shí)，需要綜合考慮其機(jī)械和電氣性能，并對(duì)其進(jìn)行綜合優(yōu)化，以確保高速電子產(chǎn)品的卓越性能。