SnAgCu焊料蠕變行為試驗(yàn)及微電子功率模塊熱疲勞失效檢測(cè)

　　摘 要：焊料良好的力學(xué)行為是微電子芯片高可靠性的重要保證。在交變溫度載荷作用下，焊料層的蠕變特性往往直接決定電子芯片的使用壽命。因此開(kāi)展焊料蠕變行為測(cè)試，了解電子芯片熱疲勞失效機(jī)理是力學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生理解并應(yīng)用力學(xué)理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的有效嘗試。該文結(jié)合國(guó)家新舊能源轉(zhuǎn)換背景，研發(fā)了一組芯片焊料蠕變測(cè)試與損傷檢測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展了 SnAgCu 焊料蠕變性能及微電子功率模塊的熱疲勞失效行為研究，為工科學(xué)生創(chuàng)造了良好的創(chuàng)新型實(shí)踐條件。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，此次實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生掌握材料蠕變行為的檢測(cè)原理、過(guò)程以及在微電子芯片熱疲勞評(píng)估中的應(yīng)用，加深了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)在工程實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

　　黃小光; 張典豪; 葉貴根， 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理 發(fā)表時(shí)間：2021-07-29 10:04 期刊

　　關(guān)鍵詞：焊料;微電子芯片;蠕變行為;熱疲勞

　　溫度對(duì)材料力學(xué)行為的影響非常顯著，常溫下塑性較好的材料，在低溫下可能發(fā)生脆性斷裂;而常溫中的脆性材料，比如鑄鐵，高溫下可以鍛造。同時(shí)，某些材料在某一固定溫度和應(yīng)力下，其變形會(huì)隨著時(shí)間不斷增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變，在交變的溫度和應(yīng)力作用下，材料容易發(fā)生蠕變疲勞而失效[1]。對(duì)于高溫壓力容器、電子芯片等，蠕變是設(shè)計(jì)中是不容忽視的一環(huán)。尤其對(duì)電子芯片而言，焊層的熱蠕變疲勞往往是導(dǎo)致其失效的主要原因。焊層作為實(shí)現(xiàn)“芯片— 基板—外部底板”之間的“電—機(jī)械”互聯(lián)，承載了微電子功率模塊工作狀態(tài)的熱、力和電荷負(fù)載[2-3]。由于焊層與芯片、基板熱力學(xué)行為不匹配、功率波動(dòng)以及反復(fù)的通斷電，焊層本身產(chǎn)生塑性應(yīng)變并不斷累積，焊層與芯片、基板的連結(jié)界面也會(huì)出現(xiàn)交變的拉剪應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊層或連結(jié)界面開(kāi)裂[4-5]。

　　信息時(shí)代的到來(lái)促進(jìn)了電子工業(yè)和電子封裝產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子封裝早已從早期為芯片提供機(jī)械支撐、保護(hù)和電熱連接的功能，逐漸融入芯片制造技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)之中。各種先進(jìn)的封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如 BGA、CSP、MCM 等，電子封裝技術(shù)已經(jīng)成為 20 世紀(jì)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。芯片在航空航天、汽車(chē)、國(guó)防軍工、石油鉆井等領(lǐng)域的推廣，勢(shì)必要求芯片具備大功率、高集成度和高可靠性，而封裝密度和功率密度的提高勢(shì)必要求焊料層的高可靠性[6]。焊料層的強(qiáng)度和壽命主要由焊料本身和界面結(jié)合的性能決定，因此焊料應(yīng)滿足適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟取⒘己玫恼辰Y(jié)性能和足夠的粘合強(qiáng)度等要求。隨著環(huán)境衛(wèi)生、健康需求的不斷提升，傳統(tǒng)的 Sn-Pb 系列焊料逐漸被淘汰，無(wú)鉛焊料特別是 SnAgCu 系列焊料在近 20 年得到了迅速的發(fā)展和推廣應(yīng)用。這意味著，在電子器件發(fā)展中逐漸積累起來(lái)的焊點(diǎn)強(qiáng)度和壽命方面的經(jīng)驗(yàn)不再有效，為了對(duì)芯片強(qiáng)度和壽命做出正確的估計(jì)，必須深入了解無(wú)鉛焊料的蠕變等力學(xué)行為，獲取描述應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的參數(shù)和評(píng)估，再結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)建立相應(yīng)的失效準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判[7]。為了促進(jìn)科研教學(xué)協(xié)調(diào)發(fā)展，我系結(jié)合科研項(xiàng)目積累，搭建焊料蠕變?cè)囼?yàn)裝置與芯片損傷檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)開(kāi)展無(wú)鉛 SnAgCu 焊料的蠕變?cè)囼?yàn)和微電子功率模塊的熱蠕變疲勞試驗(yàn)，使學(xué)生深入了解芯片蠕變特點(diǎn)以及蠕變疲勞引起芯片失效的本質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生理解并應(yīng)用力學(xué)理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的有效嘗試，作為我校工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好效果。

　　1 SnAgCu 焊料蠕變?cè)囼?yàn)

　　1 為典型的蠕變曲線，根據(jù)應(yīng)力水平可以分成 3 個(gè)階段：低應(yīng)力線性粘滯蠕變、中應(yīng)力冪律蠕變和高應(yīng)力指數(shù)蠕變階段，σv 稱(chēng)為線性粘性蠕變極限， 為蠕變應(yīng)變率。高應(yīng)力區(qū)材料很快失效，因此對(duì)壽命評(píng)價(jià)有意義的是低中應(yīng)力區(qū)，而 σv 作為其分界具有重要意義，是建立蠕變本構(gòu)的重要依據(jù)[8-9]。

　　芯片 SnAgCu 焊料試驗(yàn)可以在 CRIMS 高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)配置專(zhuān)用的環(huán)境箱，如圖 2 所示，采用加熱電阻將環(huán)境箱內(nèi)溫度加至試驗(yàn)溫度，采用高溫應(yīng)變規(guī)測(cè)量試樣蠕變應(yīng)變，在試驗(yàn)過(guò)程中試樣的實(shí)際應(yīng)力可以由傳感器獲得。試驗(yàn)選用的焊料型號(hào)為 Sn3Ag0.5Cu，蠕變?cè)嚇尤鐖D 3 所示。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)溫度，將試樣加載至額定應(yīng)力恒定不變，測(cè)試應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。圖 4 為環(huán)境溫度為 60 ℃、應(yīng)力等于 75%屈服極限時(shí)的一條典型蠕變曲線，可以看出前期蠕變應(yīng)變率變化較大，1 500 s 之后應(yīng)力應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，即達(dá)到所謂的穩(wěn)定蠕變階段。由于蠕變本構(gòu)關(guān)系僅適用于穩(wěn)定蠕變條件，因此回歸圖 4 所示蠕變曲線就可以得到特定溫度下某一應(yīng)力水平的蠕變應(yīng)變率。保持試驗(yàn)溫度不變，通過(guò)設(shè)置不同加載應(yīng)力水平依次開(kāi)展焊料蠕變實(shí)驗(yàn)，可以獲得一組同一溫度不同應(yīng)力水平焊料的蠕變應(yīng)變率數(shù)據(jù)，擬合這組數(shù)據(jù)得到一條特定溫度下的蠕變應(yīng)變率隨應(yīng)力變化的完整曲線，如圖 5 中單組曲線所示。圖 5 列出了 4 組不同溫度下 Sn3Ag0.5Cu 焊料的蠕變應(yīng)變率試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行回歸，得到與溫度相關(guān)的焊料蠕變應(yīng)變率方程，即蠕變本構(gòu)方程，如式(1)和(2)所示，相關(guān)參數(shù)如表 1 所示。式中，?? 為蠕變應(yīng)變率，σ 為等效應(yīng)力，Q 為激活能， R 為氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol?K)，T 為絕對(duì)溫度。

　　2 芯片熱疲勞失效檢測(cè)

　　芯片的熱疲勞失效試驗(yàn)共有兩種模式：一種通過(guò)正常的通電斷電循環(huán)模式，此為正常的芯片失效形式;還有一種則采用加速失效試驗(yàn)，將芯片置于預(yù)設(shè)交變溫度載荷的環(huán)境箱中經(jīng)歷溫度載荷。目前這兩種失效模式均可在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，但由于通電模式太費(fèi)時(shí)，不利于課堂教學(xué)，因此根據(jù)原來(lái)科研工作成果，將通斷電循環(huán)失效模式錄制成視頻，在教學(xué)過(guò)程中播放。加速失效試驗(yàn)可以根據(jù)條件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)室配備有實(shí)現(xiàn)交互溫度變化的溫度箱，按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置交變溫度與保溫時(shí)間。芯片失效與否則通過(guò)測(cè)量單組芯片的電子進(jìn)行判斷，按照目前國(guó)際上通用方法，芯片電阻升高 15%為判定芯片失效的依據(jù)[10-11]。選用的微電子功率模塊，共有 5 種不同功率的 18 塊芯片，如圖 6 所示。將微電子功率模塊進(jìn)行切割，由于芯片 Q3 與 Q5 距離非常近，為避免切割過(guò)程芯片損傷，將芯片 Q3、Q5 合在一起，從每塊微電子功率模塊切下 Q1、Q2、Q4 和(Q3+Q5)4 種芯片。為保證試驗(yàn)可靠性，每一種芯片分別開(kāi)展 6 組熱疲勞試驗(yàn)。將芯片放到溫度箱中承受交變溫度載荷，芯片上連接數(shù)字電阻表，可以測(cè)量經(jīng)歷不同溫度循環(huán)后電阻的變化。為便于實(shí)驗(yàn)實(shí)施，設(shè)置循環(huán)高溫為 150 ℃，電阻絲將環(huán)境箱加熱至額定溫度，保溫 3 min，然后打開(kāi)環(huán)境箱門(mén)，采用強(qiáng)制氣流將環(huán)境箱溫度降低為室溫 20 ℃，保持 3 min，再升溫，如此反復(fù)。

　　圖 7—10 分別為 6 組 Q1、Q2、Q4 和(Q3+Q5)芯片電阻隨溫度循環(huán)周期的變化趨勢(shì)，可以看出，所有芯片電阻隨循環(huán)周期呈非線性變化，但整體趨勢(shì)上升。不難看出，芯片與焊層之間由于熱力學(xué)參數(shù)不匹配，在連接界面產(chǎn)生剪切效應(yīng)，經(jīng)歷熱循環(huán)周次后，在交互的剪切效應(yīng)作用下，芯片與焊層的連接逐漸減弱，萌生微裂紋，造成電信號(hào)傳遞阻力增大，電阻升高。為便于觀測(cè)芯片的微裂紋發(fā)育及失效形態(tài)，將不同組分別經(jīng)歷 700、800、900、1 000 和 1 100 循環(huán)周次的芯片進(jìn)行切片，如圖 11 所示為焊料層以及焊料層與芯片連接界面處裂紋的萌生及分布情況。(Q3+Q5)總電阻為 1 ?，其中第 6 組芯片經(jīng)歷 1 080 循環(huán)周次后電阻上升約 15%。圖 12 為(Q3+Q5)經(jīng)歷 1 080 次溫度循環(huán)后切片的掃描電鏡圖片，(Q3+Q5)兩個(gè)芯片焊料層上均出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的微裂紋，芯片此時(shí)已經(jīng)疲勞失效，可以看出，SEM 觀察結(jié)果與芯片電阻變化趨勢(shì)基本是一致的。

　　3 實(shí)踐教學(xué)及效果

　　自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì) 8 個(gè)學(xué)時(shí)，具體安排為：以 2 個(gè)學(xué)時(shí)為一個(gè)單元，分別用于基礎(chǔ)理論教學(xué)、試驗(yàn)方案制定、蠕變實(shí)驗(yàn)實(shí)施和芯片熱疲勞失效演示實(shí)驗(yàn)。第 1 單元由指導(dǎo)老師向?qū)W生講解焊料溫度相關(guān)的力學(xué)行為，焊料蠕變本構(gòu)模型與關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，焊料蠕變?cè)囼?yàn)、芯片熱疲勞試驗(yàn)、芯片電阻測(cè)試原理與方法等，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室蠕變測(cè)試試樣，演示應(yīng)變規(guī)安裝、溫度控制操作及數(shù)據(jù)采集器的使用。實(shí)驗(yàn)原理講解結(jié)束之后，要求學(xué)生課下進(jìn)行分組，結(jié)合實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)，制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案，包括蠕變載荷、加載速率、測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、蠕變參數(shù)回歸等技術(shù)環(huán)節(jié)。第 2 單元主要確定實(shí)驗(yàn)方案與任務(wù)安排，指導(dǎo)教師需要針對(duì)學(xué)生試驗(yàn)方案中的具體問(wèn)題進(jìn)行審核，提高實(shí)驗(yàn)方案的可實(shí)施性。第 3、4 單元為實(shí)驗(yàn)實(shí)施和演示階段。實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程主要包括：蠕變?cè)嚇优c應(yīng)變規(guī)安裝、設(shè)定蠕變溫度和加載速率、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試、穩(wěn)定蠕變應(yīng)變處理以及芯片熱疲勞失效試驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核采取分項(xiàng)記分的方式，主要從查閱文獻(xiàn)、制定實(shí)驗(yàn)方案、應(yīng)變規(guī)調(diào)試、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)中臨場(chǎng)問(wèn)題處理以及實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告等幾個(gè)方面綜合評(píng)定。學(xué)生主要收獲如下：①加深了對(duì)材料蠕變行為的認(rèn)識(shí)，了解了焊料蠕變特點(diǎn)與微電子芯片熱疲勞失效之間的聯(lián)系;②熟悉了蠕變檢測(cè)系統(tǒng)的組成、檢測(cè)原理和使用規(guī)范，掌握了數(shù)據(jù)分析及誤差處理的原理及過(guò)程;③進(jìn)一步理解了專(zhuān)業(yè)知識(shí)和測(cè)試技術(shù)在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的重要作用，提高了對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

　　目前芯片焊料蠕變測(cè)試與損傷檢測(cè)驗(yàn)平臺(tái)已建設(shè)完成，并成功應(yīng)用于我校儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)之中，參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)共 80 人。通過(guò)實(shí)踐過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，特別是運(yùn)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性地解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)也通過(guò)教學(xué)反饋，進(jìn)一步完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)蠕變測(cè)試與芯片損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促使學(xué)生對(duì)多門(mén)課程的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，既熟悉了本專(zhuān)業(yè)的工程背景和需要解決的工程問(wèn)題，又體驗(yàn)了成功應(yīng)用書(shū)本知識(shí)解決工程問(wèn)題的喜悅，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考。開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提升了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果，特別是增加了本科生從事科研工作的興趣，為科學(xué)研究后備人才的招生和培養(yǎng)打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，該項(xiàng)目達(dá)到了教學(xué)和科研互相服務(wù)和促進(jìn)的目的，值得進(jìn)一步借鑒和推廣。