芯片返修回流焊可靠性改善研究进展

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2022-09-15 19:15:23 84

作者：刘少红，谭淇

单位：中国电子科技集团公司第五十二研究所

摘要：在微电子产品的研发过程中，由于技术要求变更或故障维修等需求，需要对已焊接完成的电路板进行芯片的返修操作，而返修过程所涉及的高温时效和多次回流必然会对芯片本身及元器件造成损坏，因此需要通过相关过程可靠性研究指导具体的返修技术。通过分析国内外研究者对于芯片返修可靠性的研究，发现高温时效与多次回流均会使得焊点界面化合物形貌及微结构发生改变，但回流次数对焊点力学性能影响较小。另外，合适的镀层、焊盘或焊球尺寸都能够改善高温时效及多次回流产生的负面影响。

关键词：芯片返修；可靠性；高温时效；多次回流焊

引言

随着电子信息产业的不断发展，微电子技术已经成为改变人们生产和生活面貌的先导技术，当前微电子技术已发展进入微系统时代，芯片上的电子元器件密度已达到人脑中神经元的密度水平。随着芯片技术的发展，为了满足高性能、高可靠、小尺寸的要求，电子元器件产品的微型化制造技术得到了迅速发展。而在微电子产品的研发过程中，由于技术要求变更或故障维修等需求，需要对已焊接完成的电路板进行芯片的返修操作。

具体的芯片返修过程主要为先将元器件放入静电托盘中，再将元器件和托盘一起放入烘箱烘烤，待元器件完成去潮后将其取出自然冷却，之后通过回流焊将芯片拆卸下来；另外，需要先利用扁平头烙铁和吸锡编带清洗焊盘，再用清洗剂进行清洗，之后再重新涂敷焊膏、贴装芯片并将其回流焊接至元器件上；最后，我们需要通过外观检查和功能测试来评估焊接质量。影响芯片返修可靠性的因素较多，包括贴装精度、物料状态（焊球质量等）、凸点下金属化层（UBM）材料及结构、回流焊工艺参数等。其中高温时效与多次回流作为重要的可靠性条件，对焊点组织及性能有重要影响。

在返修过程中，烘烤去潮、拆卸芯片以及多次的回流焊接均涉及到加热操作，即在返修过程中焊点不可避免地要经受高温时效及多次回流焊接，这对于焊点的组织及性能必然会产生一定影响。因此，我们需要通过对芯片返修过程中的加热环节进行分析，研究该过程中焊点界面处金属间化合物（IMC）的演变以及焊点性能的变化，了解电路板在返修过程中的性能变化，提高芯片返修后的可靠性。本文主要通过对国内外芯片返修可靠性研究的综述分析，探究了高温时效与多次回流对于焊点界面IMC形貌及微结构和焊点力学性能的影响，同时研究了如何改善高温时效及多次回流产生的负面影响，对返修技术提供指导。

界面IMC的生长机制

无论是高温时效还是多次回流焊接对于芯片返修可靠性的影响归根结底都要归因于界面IMC的变化，因此首先要对界面IMC的生长机制进行分析。SnAgCu/Cu界面IMC的形成可以分为两个阶段，*阶段是钎焊过程中Cu基板和液态钎料之间发生冶金反应形成的IMC，该阶段形成的界面IMC是形成钎焊焊点的前提条件，对焊点的可靠性也有影响。由于Cu的熔点（1084 ℃）远高于钎料合金Sn3.0Ag0.5Cu的熔点（217 ℃），因此钎焊过程中Cu元素在液态SnAgCu合金中受溶解机制控制。一种观点认为，钎焊过程中固态金属Cu在液态SAC系钎料中的溶解经过两个过程：首先是固体Cu晶格内原有的原子结合键在外界提供的驱动力作用下被破坏，使Cu原子进入液相；随后，进入液相的Cu原子再由边界向基体内部扩散，进而形成IMC。第二种观点认为，钎焊过程中，当液态SAC系钎料合金与固态Cu基板接触时，其组元便会向Cu基板表面扩散，在距离表面厚度约10^-7mm范围内达到饱和浓度，此后再由固体表面层向液相中溶解，进而形成界面IMC。第三种观点认为，在钎焊过程中，当液态钎料与铜接触时，浓度差会导致极大的驱动力，使铜迅速在钎料中溶解并在近界面处达到亚稳定的过饱和状态，由于巨大的化学反应驱动力导致Cu与Sn迅速发生反应生成IMC，在不到1 s的时间内焊盘上就可以铺满IMC。而第二阶段是在焊后服役过程中，外界提供的各元素扩散的驱动力使Cu基板和固态钎料之间相互扩散形成界面IMC，此过程受扩散机制控制。

总的来说，在钎焊过程中，IMC的形成和生长是基板和液态钎料间的冶金反应和元素扩散共同作用的结果。另外，在固相情况下，钎焊焊点在服役的过程中常常受到诸如温度、应力、电流、磁场等外界因素的作用，这些因素为界面IMC的生长提供了驱动力，但界面IMC的生长主要还是由扩散机制决定的。相关研究人员常用Fick扩散定律来描述这一阶段IMC的生长，界面IMC厚度随温度和时效时间的生长变化遵循以下规律：

δ =δ₀+(Dt)^1/2 (1)

其中，δ 是在t时刻界面IMC的厚度（单位m），δ₀是焊后IMC厚度（单位m），t是焊后时间（单位s），D是扩散系数（单位m²/s）。目前已有不少研究者利用该公式计算出了不同温度下SnAgCu/Cu界面IMC的生长速率以及界面激活能。事实上，SnAgCu/Cu界面IMC的生长是由Cu原子和Sn原子通过IMC界面扩散来实现的，这一过程非常复杂，主要表现为体扩散或晶界扩散。

另外，也有一些研究者认为IMC的复杂生长过程并不符合Fick扩散定律，提出了如下更有普遍意义的指数经验公式来描述IMC的生长：

δ =(Dt)ⁿ(2)

其中n为IMC生长指数，可以通过测定不同时刻界面IMC的厚度后进行曲线拟合来计算。

高温时效对返修可靠性的影响

研究高温时效过程中焊点界面的生长情况对于分析芯片返修可靠性有重要意义。王要利等人分析认为，界面IMC的生长受元素扩散机制控制。所以其生长速率取决于界面处Cu和Sn元素在一定条件下的扩散速率。在等温时效试验中，根据Arrhenius扩散系数公式可知：

D =D₀exp[-Q/(RT)] (3)

其中，D为扩散速率，D₀是扩散常数（单位m²/s）；Q是激活能（单位J/mol）；R是Boltzmann常数，具体数值为8.314 J/mol/K；T是*温度（单位K）。

因此，元素的扩散系数与时效温度成指数关系，随着时效温度的升高，扩散系数急剧增大，扩散加快。换言之，在高温时效的条件下，元素扩散大幅增快，促进界面IMC生长。这一理论与许多研究者在试验过程中观测到的IMC生长行为基本相符。

而为验证这一理论，研究者通过试验设计进行大量相关研究。王建华等人发现在焊球尺寸为200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，时效温度为100 ℃、130 ℃、160 ℃ 的条件下，时效温度越高，时效时间越长，SAC305/Cu焊点界面IMC层厚度增长越快，如图1所示。也就是说，这二者对于界面IMC的生长都有促进作用。

图1　不同时效温度下界面IMC厚度与时效时间平方根的关系

另外，Ni镀层对界面IMC生长有明显的抑制作用，能够降低界面IMC的生长速率，使其厚度变薄，增厚速度变缓。SAC305/Cu界面IMC由Cu₆Sn₅及Cu₃Sn构成，而SAC305/Ni/Cu界面的IMC则会演变为(Cu,Ni)₆Sn₅和(Cu,Ni)₃Sn。由图2可以看到，时效后SAC305/Ni/Cu界面IMC层厚度明显小于SAC305/Cu界面。并且随着焊点尺寸由小变大，界面IMC层厚度更薄，IMC的生长速率更小，其数值分别为8.60 nm/s^1/2，2.54 nm/s^1/2，2.17 nm/s^1/2，1.25 nm/s^1/2，即适当增大焊球尺寸也能够抑制界面IMC的生长。

同时，亦有研究者对不同焊盘上IMC的生长速度进行了探究，ZHANG等人研究发现ImAg、ImSn、PbSn这3种焊盘上的焊点界面IMC随着时效时间的延长厚度均会增加，但在等时间、等温度的时效过程中IMC的生长速度差别不大。

（a）SAC305/Cu界面

（b）SAC305/Ni/Cu界面

图2　SAC305/Cu界面和SAC305/Ni/Cu界面IMC形态

此外，赵玛丽通过在Cu基板表面电镀不同镀层系统研究镀层元素以及回流温度对Sn3Ag0.5Cu焊料界面反应的影响，发现Ag镀层中的Ag元素具有较快的扩散速率，会加快焊点界面IMC形核速率，另外界面反应所形成扇贝状IMC中的沟槽会成为Cu元素扩散的便利通道，也会进一步促进IMC的快速形成。Au镀层中的Au元素的扩散速率则更快，会快速形成成分为AuSn₄的IMC。但与前两者形成鲜明反差的是，Ni镀层中的Ni元素向熔融钎料扩散速率较慢，且形成的三元IMC不存在沟槽状通道，因此在一定程度上抑制了IMC的快速生长。此外，在523~583 K的温度范围内，随着回流温度的升高，无铅焊料在不同镀层基板上反应加快，润湿性能提高。在等温时效过程中，化合物形貌逐渐生长转变为平面状。而非等温时效时，焊料重结晶导致焊料基体形成更多晶界，进一步加快Sn、Cu原子的扩散，加快金属间化合物的生长增厚，增大IMC生长速率。

ZHANG等人研究发现随着时效时间和温度的增加，焊点的内应力不断变大，蠕变现象也变得更为严重。焊点的韧性和强度也会随着时效时间的增加而线性下降。但在无铅钎料中随着银含量的上升，焊点抗蠕变性能的稳定性有了一定的提高，其原因可能为第二相粒子（IMC）无铅钎料在未时效时体积很小，可以有效抵抗晶界运动；然而在时效后，第二相粒子不断长大，其钉扎晶格的能力下降，导致其抗蠕变性能下降。虽然相较于SnPb焊料，无铅钎料的抗蠕变性能相对较好，但其时效后的性能却不如SnPb。

从以上研究中可以看出，高温时效会导致IMC的生长，而金属间化合物层的增厚势必会对焊点机械性能产生影响。时效温度与时效时间作为重要的工艺参数，对于界面IMC的生长影响重大。通过合理设计与精确控制时效过程工艺参数，能够在一定程度上提高焊点可靠性。此外，通过增大焊球尺寸及增加镀层等工艺手段也能降低高温时效对IMC界面的负面影响。

多次回流对返修可靠性的影响

在芯片返修过程中，除高温时效以外，多次回流焊也是影响芯片返修可靠性的重要因素。LIANG等人以Sn63Pb37、SnPb90和SAC305钎料为研究对象进行了一系列试验，结果分析显示，125 ℃时效和多次回流均会导致IMC形貌和微结构的变化。相比之下，高温时效对于IMC层厚度增加产生的影响更为明显。但球剪切试验没有显示出任何明显的脆化行为，IMC在10次回流和125 ℃高温时效336 h后发生直接脆断。Sn63Pb37、SnPb90含铅钎料在时效及多次回流后剪切强度有所提高，但对于SAC305无铅钎料BGA球的剪切变形和断裂行为没有产生明显的影响。另外，时效及多次回流使得焊点IMC形貌趋于平滑，厚度有所增加，如图3所示，同时使SAC305无铅钎料焊点剪切强度和韧性略有下降。

（a）初始状态

（b）3次回流后

（c）10次回流后

（d）125 ℃时效两周后

图3 SAC305无铅钎料经不同热处理后界面IMC形态

此外，研究者对多次回流过程中焊点界面IMC层的生长演变进行了观察，KIM DAEGON等人通过试验发现，在UBM焊盘上Sn63Pb37形成的IMC基本为Ni₃Sn₄，SAC305形成的IMC基本为Ni₆Sn₅，但随着回流重熔时间的增加，在IMC与Ni-P层之间出现脆性富P层，界面处开始形成Ni₃Sn₄。但重熔时间（重熔时间从0~25²s）对焊点剪切性能影响不大，断裂模式基本为脆性断裂，原因是焊点中Ni₃Sn₄的形成和IMC脆性。

LIU等人通过试验发现OSP焊盘上SAC387和Sn63Pb37形成的均为贝壳状的Cu₆Sn₅，Ni/Au焊盘上SAC387形成长条状(Cu,Ni)₆Sn₅，Sn63Pb37形成短棍状Ni₃Sn₄。另外，随着重熔时间的增加，IMC厚度也不断变大，同时SAC387产生的IMC的厚度始终大于Sn63Pb37，OSP焊盘上IMC的厚度始终大于Ni/Au焊盘。而Cu-Sn组成的IMC生长主要由晶界扩散主导，Ni-Sn组成的IMC的生长则由晶界扩散和体扩散共同主导。

文惠东等人以63Sn37Pb、10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb 4种不同成分的Sn-Pb凸点为对象，研究回流次数对凸点IMC形貌及力学性能的影响。多次回流后，Sn-Pb凸点界面IMC晶粒尺寸均逐渐增大，IMC层增厚。在10次回流后，3Sn97Pb和63Sn37Pb凸点界面处存在长轴状凸起，5Sn90Pb和10Sn90Pb凸点界面处IMC层则较为平坦。回流次数的增加对于5Sn95Pb凸点的剪切强度影响较大，对其余3种Sn-Pb凸点剪切强度变化影响较小。

采用Sn3.5Ag0.5Cu钎料实现互连时，焊点可靠性与IMC层形态厚度紧密相关，而回流次数对于IMC形态的影响尤为显著。吴丰顺等人研究了回流次数对Sn3.5Ag0.5Cu焊点的几何尺寸、界面形貌、拉伸强度及断口形貌的影响。研究表明，随着回流次数的增加，焊点宽度及IMC层厚度增加。经过多次回流后，IMC层Ni₃Sn₄针状组织发生粗化。在多次回流后，Sn3.5Ag0.5Cu焊料的拉伸强度变化不大，回流后断口形貌如图4所示。对断口进行研究分析发现，*次回流后，断裂发生在焊料中，断口中能够观测到许多韧窝以及撕裂棱，韧窝底部有沉积物，属于塑性断裂。多次回流之后，断裂部分出现在焊料中，部分存在于UBM与焊料的界面之中。此时韧窝较小，撕裂棱逐渐趋平，断口表面出现针状及粗化的Ni₃Sn₄，在塑性断裂发生后又发生了脆性断裂。

（a）1次回流后

（b）2次回流后

（c）3次回流后

（d）4次回流后

图4　Sn3.5Ag0.5Cu焊点不同回流次数下的断口形貌

对于回流次数这一参数的重要影响，也有其他研究者进行了试验探究。吴鸣等人探究了回流次数对SAC305无铅钎料基体、焊点组织演变及可靠性的影响，发现多次回流使得焊点出现宏观裂纹并不断扩展，钎料内部β-Sn枝晶及共晶组织明显粗化。这一粗化倾向与王小京及SHEN等人在试验中的观测一致。图5为不同回流次数下SAC305钎料焊点的IMC层形貌，随着回流次数的增加，过饱和析出的Cu₆Sn₅以及Sn块逐渐消失。IMC层形貌由尖牙状转变为扇贝状，且向Sn基侧生长增厚，生长速率逐渐减缓。多次回流后，焊点剪切强度逐渐下降。通过对断口形貌的分析并结合剪切强度的变化可知，钎料组织的粗化与脆性IMC的增厚使得剪切强度呈现下降趋势，断裂方式由韧性断裂转变为韧脆性混合断裂。此外，文献中还提及聂京凯、刘平以及GUO等人通过在钎料中复合添加Ni元素并进行多次回流，研究发现Ni元素的加入能够有效改善焊点蠕变性能，提高剪切强度。

（c）5次回流后

图5　SAC305焊点不同回流次数下的IMC形貌

此外，球栅阵列（BGA）封装因其特点，难以实现高成功率及高可靠性返修。DARIAVACH等人研究了BGA组件的多次返修对其机械强度的影响以及可能导致的IMC脆性。分析发现在多次返修后，IMC厚度增加。在返修5次后，IMC厚度超过10 μm。返修后的IMC不再是纯粹连续的Sn-Cu化合物，此时的IMC层由富Pb相、富Sn相和IMC混合而成。在图6所示的BGA球剪切试验中可以看出，经过不同返修次数的焊点在推剪试验后出现2种失效模式：*种是韧性断裂，第二种是焊盘PCB分离。从焊点中发生的断裂均为韧性断裂，*次返修后焊点的剪切强度小幅下降，之后几次变化不大，说明多次返修对焊点剪切强度的影响不大。

（c）2次返修后

（e）5次返修后

图6　不同返修次数后BGA焊球剪切试验

焊盘PCB分离为典型的脆性断裂，并且由此推断出多次返修导致焊盘与PCB的连接强度显著变低。DARIAVACH等人在4点弯曲试验中发现在重熔2次之后焊点剪切强度显著下降，说明多次返修导致焊点抗弯曲能力大幅度降低。主要的失效位置为PCB与焊盘连接处，亦有部分失效发生在焊盘上，说明IMC厚度的增加并未导致界面处的强度降低。但随着返修次数的增加，铜垫与PCB板的结合强度降低，导致BGA组件可靠性有所下降。

为实际探究返修次数对元器件焊点产生的影响，CHAI等人对元器件的返修工作进行了模拟，发现多次返修后IMC厚度显著增加。经过3次返修，TSOP使用Sn63Pb37进行焊接时，焊盘上的铜厚度减少量约为10 μm，使用SAC305进行焊接时，焊盘上的铜厚度减少量约为16 μm。2512贴片电阻使用Sn63Pb37进行焊接时，焊盘上的铜厚度减少量约为16 μm，使用SAC305进行焊接时，焊盘上的铜厚度减少量约为18 μm。对于TSOP元器件，使用Sn63Pb37进行连接时，高次数的热循环不但会导致返修的元器件焊点开裂，相邻元器件也会有一定程度的失效。而对于翼形引脚，裂纹从引脚后侧上端萌发，沿着引脚生长，在趾部结束。对于片状电阻，裂纹从可焊端上沿萌发，向下发散传播。对于片状电阻，不同的返修次数导致28%～80%的可靠性下降。对于TSOP元器件，Sn63Pb37的使用会导致一定程度的热循环可靠性下降，而SAC305的使用对热循环可靠性的影响不大。

另有研究者对于不同类型焊盘进行多次回流焊接，通过试验实践探究焊点性能变化。ZHONG等人通过试验发现，在OSP焊盘上重熔次数9次之内时，IMC层厚度增加速度较快，在第9次重熔时，3种钎料产生的IMC厚度均约为8 μm，9次之后亦有增加，但趋势变缓。其认为多次重熔对焊点的抗剪切能力影响不大。SAC305和Sn63Pb37无论经过多少次返修，断口位置均位于焊盘的IMC层之上，Sn–3Ag–0.5Cu–8In在重熔2次之内时，断口位置在IMC层。当重熔次数大于4次时，断口位于焊盘与PCB界面。

MA等人发现，SAC305涂覆的焊盘在相同返修次数下IMC的厚度远小于Ni/Au焊盘。NSMD焊盘在返修下的表现很差。返修后的BGA焊点在ATC（0～100 ℃温度循环，10 ℃/min）条件下主要的失效模式是疲劳失效。返修后的通孔焊点在ATC条件下易产生桶状断裂。但由于焊点的主要失效位置已经由IMC层转向了焊盘与PCB界面，返修后的BGA焊点在冲击试验下可靠性较好。

结合以上研究内容，返修过程中的多次回流焊对芯片可靠性存在负面影响。多次返修后，IMC厚度显著增加，形貌及微观结构发生变化，断裂模式及断裂位置发生改变，可靠性降低。通过优化设计及工艺以减少返修次数是减少多次回流焊导致的可靠性降低的最优途径。此外，通过材料的合理选择、匹配以及参数设置等方式，也能够在一定程度上降低负面影响。

结论

本文通过对国内外研究者对于芯片返修可靠性研究进展的概述，针对高温时效及回流次数两个因素对芯片返修可靠性的影响进行汇总分析，对芯片返修技术研究具有指导意义。所得主要结论如下。

（1）芯片返修可靠性的降低与返修过程中的高温时效及多次回流过程密切相关。高温时效与多次回流使得焊点界面IMC形貌及微结构发生改变。高温时效促进IMC快速生长，脆性IMC的生长增厚使得返修可靠性降低。

（2）返修热过程工艺参数对于界面IMC的生长影响重大。通过合理设计与精确控制热过程工艺参数，能够在一定程度上提高焊点可靠性。此外，通过增大焊球尺寸及增加镀层等工艺手段也能降低高温时效对IMC界面的负面影响。

（3）多次回流后焊点IMC层尺寸逐渐增大，钎料基体及界面组织发生粗化，IMC层增长速率逐渐放缓。不同焊盘及钎料组合在多次回流后表现各异。总体而言，回流次数的增加使得焊点拉伸强度或剪切强度呈现出下降趋势。

（4）结合多次回流后断口显微组织图分析可知，随着回流次数的增加，部分焊点断裂位置由IMC层转移至焊盘与PCB界面，断裂方式由韧性断裂转变为韧脆性混合断裂。

（5）返修过程中的多次回流焊对芯片可靠性存在负面影响。通过优化设计及工艺以减少返修次数是减少多次回流焊导致的可靠性降低的最优途径。通过材料的合理选择、匹配以及参数设置等方式，也能够在一定程度上降低负面影响。

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