張 賀，馮佳運(yùn)，叢 森，王 尚，安 榮，吳 朗，田艷紅

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900）

1 引言

電子系統(tǒng)在未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，絕大部分時(shí)間處于貯存或不工作狀態(tài)[1-3]。在貯存過程中，這些電子產(chǎn)品的可靠性將隨著貯存時(shí)間的延長而下降，進(jìn)而直接影響其性能完好率，因此電子產(chǎn)品的貯存可靠性評(píng)估具有十分重大的意義。

隨著高新科技的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，造價(jià)越來越昂貴，貯存可靠性驗(yàn)證難度越來越大，對(duì)于如何開展電子產(chǎn)品貯存壽命指標(biāo)的考核與驗(yàn)證，目前還缺乏有效的手段。如果通過長期的自然貯存來驗(yàn)證貯存期，會(huì)帶來巨大的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本。因此，開展電子產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)技術(shù)研究是適應(yīng)當(dāng)前高可靠性要求的形勢(shì)需要[4]。各種各樣的電子組件作為電子產(chǎn)品的重要組成部分，在氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境等綜合作用下，其互連、材料、界面等發(fā)生演變或者制造階段的缺陷生長不斷積累，最終將導(dǎo)致可靠性的下降或是失效的發(fā)生[5]。一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上互連焊點(diǎn)達(dá)上千個(gè)，一塊印制電路板上互連焊點(diǎn)的數(shù)目達(dá)到上萬個(gè)，而一個(gè)元件、一個(gè)互連的失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電子電路失效[6]。沒有可靠互連的焊點(diǎn)，整個(gè)電子產(chǎn)品就成了廢銅爛鐵。因此，只有解析清楚貯存環(huán)境下的電子類產(chǎn)品封裝互連以及由互連引發(fā)的失效模式和失效機(jī)理，建立相關(guān)數(shù)學(xué)物理模型，根據(jù)失效模式和可靠性理論預(yù)估其壽命，并能針對(duì)關(guān)鍵問題采取有效的延壽措施，才能保證電子產(chǎn)品在預(yù)定的服役期內(nèi)滿足可靠性要求。

錫基合金焊點(diǎn)是電子封裝中最為常用的一種焊接結(jié)構(gòu)，盡管根據(jù)環(huán)保要求，含鉛的錫基釬料已經(jīng)被禁止在民用電子中應(yīng)用，然而，對(duì)于一些高可靠性需求的場景，如航空航天、健康醫(yī)療等領(lǐng)域，含鉛釬料仍然發(fā)揮著不可取代的作用。62Sn36Pb2Ag 具有高耐蝕性能、高強(qiáng)度、低回流溫度等諸多優(yōu)勢(shì)，在高可靠電子領(lǐng)域的應(yīng)用廣闊。研究者們對(duì)錫基焊點(diǎn)的貯存可靠性進(jìn)行了廣泛的研究，如法國MBDA 公司BERTHOU等人對(duì)SAC305 組裝的球柵陣列封裝（BGA）焊點(diǎn)的貯存可靠性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)加速金屬間化合物（IMC）的生長，當(dāng)IMC 過厚時(shí)器件的力學(xué)性能將顯著下降[7]。美國諾基亞研究中心PENG 等人對(duì)銅錫界面貯存過程中的IMC 生長開展了研究，發(fā)現(xiàn)在Cu 和Cu3Sn 的界面處會(huì)形成柯肯達(dá)爾空洞，影響焊點(diǎn)性能[8]。盡管以上研究已經(jīng)取得了一些顯著的進(jìn)展，然而，針對(duì)62Sn36Pb2Ag 表面貼裝的電容焊點(diǎn)及有鉛無鉛混合貼裝的BGA 焊點(diǎn)的報(bào)道仍然十分有限。目前產(chǎn)業(yè)界使用的BGA 焊球尺寸并不統(tǒng)一,根據(jù)不同的使用需求，研究者們往往會(huì)選擇不同尺寸的焊球。例如，大連理工大學(xué)趙寧等人研究了直徑為100 μm、200 μm、400 μm、700 μm 和1200 μm 焊球的β-Sn 晶粒特性[9]。北京工業(yè)大學(xué)郭福等人研究了尺寸為300 nm的BGA 混裝焊點(diǎn)的熱沖擊可靠性。隨著電子產(chǎn)品逐漸朝向小型化、輕量化的方向發(fā)展，BGA 互連焊球的尺寸及間距也在逐漸減小，本文以460 μm 的BGA 焊球?yàn)槔_展了研究[10]。

本文通過高溫貯存試驗(yàn)在較短時(shí)間周期內(nèi)對(duì)兩種典型表面貼裝焊點(diǎn)的貯存可靠性進(jìn)行研究，通過分析焊點(diǎn)在高溫貯存期間界面IMC 的演變規(guī)律，建立其生長動(dòng)力學(xué)模型，探明焊點(diǎn)失效的機(jī)理，并對(duì)焊點(diǎn)的貯存壽命進(jìn)行合理評(píng)估。

2 試驗(yàn)材料及方法

本文共涉及兩種類型的焊點(diǎn)，有鉛釬料貼裝的電容焊點(diǎn)以及有鉛無鉛釬料混合組裝的BGA 焊點(diǎn)，焊球?yàn)闊o鉛SAC305 焊球，焊膏為63Sn37Pb 焊膏，混合組裝焊點(diǎn)的峰值溫度為240 ℃，回流時(shí)間為80 s，冷卻速度為60 ℃/min。BGA 焊球直徑為460 μm。兩種焊點(diǎn)均采用再流焊的方式組裝于印制電路板（PCB）表面，組裝電容的有鉛釬料為62Sn36Pb2Ag。PCB 表面焊盤為化學(xué)鎳金焊盤（Cu/Ni/Au），鎳層厚度約為3 μm，金層厚度約為500 nm。高溫貯存試驗(yàn)在真空干燥箱內(nèi)完成。通過掃描電子顯微鏡（SEM, Quanta200FEG，F(xiàn)EI）對(duì)焊點(diǎn)的微觀形貌進(jìn)行表征，采用ImageJ 軟件測定標(biāo)尺對(duì)應(yīng)的像素，進(jìn)而換算出IMC 的厚度，用于其生長模型的建立。

3 分析與討論

3.1 兩種類型焊點(diǎn)微觀形貌

圖1為兩種類型焊點(diǎn)的微觀形貌。圖1（a）為有鉛釬料貼裝的電容焊點(diǎn)，可以觀察到經(jīng)過回流焊后，焊接接頭連接致密無孔洞，說明經(jīng)過回流焊接之后，成功將電容器件組裝于PCB 板。圖1（b）為圖1（a）白框區(qū)域的放大，在背散射模式下的SEM 圖中，不同的相會(huì)呈現(xiàn)不同的襯度，可以發(fā)現(xiàn)，在互連界面處存在襯度不同的IMC 層，主要成分為Ni3Sn4及(AuxNi1-x)Sn4，界面處形成了牢固的冶金結(jié)合。混合組裝的BGA 焊點(diǎn)內(nèi)部見圖1（c）和（d），圖1（d）為圖1（c）白框區(qū)域的放大，同樣觀察到了均勻連續(xù)的界面IMC 層，主要成分為(CuxNi1-x)6Sn5，(AuxNi1-x)Sn4，說明回流焊后兩種釬料實(shí)現(xiàn)了均勻連續(xù)的混合，實(shí)現(xiàn)了牢固的連接。界面處形成的IMC 對(duì)于焊接接頭的質(zhì)量具有重要的影響。大量研究表明互連焊點(diǎn)性能的退化往往伴隨著IMC的生長與積累，兩者具有顯著聯(lián)系[11-14]，當(dāng)其厚度較小時(shí)對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)可靠性影響不大，但隨著其生長到足夠的厚度時(shí)，脆性的IMC 會(huì)使得焊點(diǎn)的力學(xué)性能下降，影響焊點(diǎn)的可靠性。因此，本文選擇IMC 的厚度作為關(guān)鍵性能退化參數(shù)，對(duì)焊點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)焊點(diǎn)的壽命進(jìn)行預(yù)測。盡管兩種焊點(diǎn)所形成的IMC不同，但其生長行為均滿足菲克擴(kuò)散定律，因此，兩種焊點(diǎn)均可以通過測試IMC 厚度的方式對(duì)其生長動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。

圖1 兩種類型焊點(diǎn)的微觀形貌

3.2 關(guān)鍵性能退化參數(shù)演變

焊點(diǎn)在高溫貯存條件下會(huì)隨著貯存時(shí)間的延長而出現(xiàn)性能退化，可靠性逐漸下降。根據(jù)倒數(shù)等間距原則，選擇了367.15 K、393.15 K 和423.15 K 3 種溫度作為試驗(yàn)條件，分別貯存1 天、4 天、9 天、16 天、25 天、36 天和49 天。采用掃描電子顯微鏡對(duì)不同貯存時(shí)間的微觀形貌進(jìn)行表征，并采用ImageJ 軟件對(duì)平均IMC厚度進(jìn)行了測試，電容焊點(diǎn)及BGA 焊點(diǎn)的IMC 厚度分別如圖2、圖3 所示。雖然2 種焊點(diǎn)的類型不同，但呈現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律，即隨著貯存時(shí)間的延長，焊點(diǎn)界面的IMC 層厚度逐漸增加，并且在高溫下IMC厚度增加得更快，這是由于在高溫下原子的擴(kuò)散速率更快，擴(kuò)散系數(shù)更大所致。

圖2 不同貯存溫度、貯存時(shí)間電容焊點(diǎn)IMC 厚度

圖3 不同貯存溫度、貯存時(shí)間BGA 焊點(diǎn)IMC 厚度

在高溫貯存過程中，焊點(diǎn)界面處IMC 的生長主要由擴(kuò)散控制，即IMC 厚度的增加與時(shí)間的平方根成線性關(guān)系，而擴(kuò)散系數(shù)即為變化的比例系數(shù)。因此，可以通過記錄IMC 厚度在某一溫度下的變化對(duì)其厚度進(jìn)行擬合，從而獲得該溫度下的擴(kuò)散系數(shù)。而擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間滿足阿倫尼烏斯方程[11]，因此可以對(duì)不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行擬合，確定激活能及常數(shù)，進(jìn)而建立IMC 的生長動(dòng)力學(xué)方程。2 種類型焊點(diǎn)及其雙側(cè)界面的生長動(dòng)力學(xué)方程如式（1）～（4）所示。

電容焊點(diǎn)元器件側(cè)：

式中，x為IMC 層厚度，單位為m，R為氣體常數(shù)，值為8.314 J/(kg·K)，T為絕對(duì)溫度，單位為K。

3.3 長期貯存壽命預(yù)測

IMC 生長動(dòng)力學(xué)方程中的激活能反映了擴(kuò)散需要克服的能量勢(shì)壘，因此，其值越大，IMC 的生長越困難，焊點(diǎn)也更加不易發(fā)生失效，即激活能更低的一側(cè)界面將決定整個(gè)焊點(diǎn)的壽命，因此只需對(duì)激活能的一側(cè)焊點(diǎn)進(jìn)行研究。高溫貯存試驗(yàn)的目的在于獲取IMC的生長動(dòng)力學(xué)方程，即關(guān)鍵性能退化函數(shù)，高溫貯存試驗(yàn)只是獲得這個(gè)函數(shù)的一種方式。IMC 的生長是由擴(kuò)散過程控制的，因此通過在高溫下加速試驗(yàn)所建立的IMC 生長模型仍然適用于室溫下IMC 的生長，只是達(dá)到相同厚度時(shí)在室溫下的IMC 的生長速度更慢，所需要的時(shí)間更長。IMC 的生長也必將基于初始IMC的分布，因此可以將初始IMC 分布作為失效密度函數(shù)，進(jìn)而積分獲得可靠度函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測[15]。

對(duì)初始IMC 的厚度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)其服從正態(tài)分布，可以得出失效密度函數(shù)，如式（5）（6）所示。

電容焊點(diǎn)PCB 側(cè)：

BGA 焊點(diǎn)元器件側(cè)：

對(duì)失效密度函數(shù)進(jìn)行積分，即可獲得相應(yīng)的可靠度函數(shù)，進(jìn)而對(duì)2 種類型的特征壽命與中位壽命進(jìn)行預(yù)測，可靠度函數(shù)如式（7）（8）所示。

電容焊點(diǎn)：

BGA 焊點(diǎn)：

圖4和圖5 為2 種類型焊點(diǎn)的可靠度函數(shù)曲線，根據(jù)可靠度曲線，可以獲得電容焊點(diǎn)的中位壽命t0.5為351.33 年，特征壽命t1/e為356.48 年，BGA 焊點(diǎn)的中位壽命t0.5為30.08 年，特征壽命t1/e為32.11 年。可以觀察到，與純有鉛釬料表面貼裝焊點(diǎn)相比，混裝焊點(diǎn)的壽命相對(duì)較低。

圖4 電容焊點(diǎn)的可靠度函數(shù)曲線

圖5 BGA 焊點(diǎn)的可靠度函數(shù)曲線

4 結(jié)論

IMC 層是影響焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素之一，本工作通過研究存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)2 種類型焊點(diǎn)（有鉛釬料組裝的電容焊點(diǎn)和有鉛/無鉛釬料混合組裝的BGA 焊點(diǎn)）IMC 層生長規(guī)律的影響，獲得了焊點(diǎn)室溫貯存壽命，主要得出以下結(jié)論：

（1）再流焊接后，2 種類型焊點(diǎn)的焊盤與基板的界面位置均會(huì)形成IMC 層，隨著貯存時(shí)間的增加，IMC的厚度逐漸增加，且在高溫下IMC 層厚度增長更快；

（2）IMC 的生長主要由擴(kuò)散控制，其厚度正比于時(shí)間的平方根，可據(jù)此推算其在不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)，并依據(jù)阿倫尼烏斯方程建立其生長動(dòng)力學(xué)模型；

（3）選擇IMC 的厚度作為關(guān)鍵性能退化參數(shù)，通過對(duì)初始厚度進(jìn)行擬合，其服從正態(tài)分布，并可以獲得失效密度函數(shù)，進(jìn)一步積分可以獲得可靠度函數(shù)；針對(duì)本文的研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)條件，電容焊點(diǎn)的中位壽命為351.33 年，特征壽命為356.48 年，BGA 焊點(diǎn)的中位壽命為30.08 年，特征壽命為32.11 年。