SnAgCu焊料蠕變行為試驗及微電子功率模塊熱疲勞失效檢測

　　摘 要：焊料良好的力學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。因此開展焊料蠕變行為測試，了解電子芯片熱疲勞失效機理是力學專業學生理解并應用力學理論解決工程實際問題的有效嘗試。該文結合國家新舊能源轉換背景，研發了一組芯片焊料蠕變測試與損傷檢測平臺，開展了 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，為工科學生創造了良好的創新型實踐條件。教學實踐結果表明，此次實驗有助于學生掌握材料蠕變行為的檢測原理、過程以及在微電子芯片熱疲勞評估中的應用，加深了學生對專業知識在工程實際應用的認識，提升了學生的學習興趣。

　　黃小光; 張典豪; 葉貴根， 實驗技術與管理 發表時間：2021-07-29 10:04 期刊

　　關鍵詞：焊料;微電子芯片;蠕變行為;熱疲勞

　　溫度對材料力學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，某些材料在某一固定溫度和應力下，其變形會隨著時間不斷增加，這種現象稱為蠕變，在交變的溫度和應力作用下，材料容易發生蠕變疲勞而失效[1]。對于高溫壓力容器、電子芯片等，蠕變是設計中是不容忽視的一環。尤其對電子芯片而言，焊層的熱蠕變疲勞往往是導致其失效的主要原因。焊層作為實現“芯片— 基板—外部底板”之間的“電—機械”互聯，承載了微電子功率模塊工作狀態的熱、力和電荷負載[2-3]。由于焊層與芯片、基板熱力學行為不匹配、功率波動以及反復的通斷電，焊層本身產生塑性應變并不斷累積，焊層與芯片、基板的連結界面也會出現交變的拉剪應力，最終導致焊層或連結界面開裂[4-5]。

　　信息時代的到來促進了電子工業和電子封裝產業的飛速發展，電子封裝早已從早期為芯片提供機械支撐、保護和電熱連接的功能，逐漸融入芯片制造技術和系統集成技術之中。各種先進的封裝技術不斷涌現，如 BGA、CSP、MCM 等，電子封裝技術已經成為 20 世紀發展最快、應用最廣的技術之一。芯片在航空航天、汽車、國防軍工、石油鉆井等領域的推廣，勢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必要求焊料層的高可靠性[6]。焊料層的強度和壽命主要由焊料本身和界面結合的性能決定，因此焊料應滿足適當的熔化溫度、良好的粘結性能和足夠的粘合強度等要求。隨著環境衛生、健康需求的不斷提升，傳統的 Sn-Pb 系列焊料逐漸被淘汰，無鉛焊料特別是 SnAgCu 系列焊料在近 20 年得到了迅速的發展和推廣應用。這意味著，在電子器件發展中逐漸積累起來的焊點強度和壽命方面的經驗不再有效，為了對芯片強度和壽命做出正確的估計，必須深入了解無鉛焊料的蠕變等力學行為，獲取描述應力或應變狀態的參數和評估，再結合物理實驗建立相應的失效準則進行評判[7]。為了促進科研教學協調發展，我系結合科研項目積累，搭建焊料蠕變試驗裝置與芯片損傷檢測平臺，通過開展無鉛 SnAgCu 焊料的蠕變試驗和微電子功率模塊的熱蠕變疲勞試驗，使學生深入了解芯片蠕變特點以及蠕變疲勞引起芯片失效的本質。該實驗是學生理解并應用力學理論解決工程實際問題的有效嘗試，作為我校工程力學專業開放型實驗課程的重點內容，在實驗教學中取得了良好效果。

　　1 SnAgCu 焊料蠕變試驗

　　1 為典型的蠕變曲線，根據應力水平可以分成 3 個階段：低應力線性粘滯蠕變、中應力冪律蠕變和高應力指數蠕變階段，σv 稱為線性粘性蠕變極限， 為蠕變應變率。高應力區材料很快失效，因此對壽命評價有意義的是低中應力區，而 σv 作為其分界具有重要意義，是建立蠕變本構的重要依據[8-9]。

　　芯片 SnAgCu 焊料試驗可以在 CRIMS 高溫蠕變試驗機上進行，試驗機配置專用的環境箱，如圖 2 所示，采用加熱電阻將環境箱內溫度加至試驗溫度，采用高溫應變規測量試樣蠕變應變，在試驗過程中試樣的實際應力可以由傳感器獲得。試驗選用的焊料型號為 Sn3Ag0.5Cu，蠕變試樣如圖 3 所示。

　　實驗過程中，首先設計一個試驗溫度，將試樣加載至額定應力恒定不變，測試應變隨時間的變化曲線。圖 4 為環境溫度為 60 ℃、應力等于 75%屈服極限時的一條典型蠕變曲線，可以看出前期蠕變應變率變化較大，1 500 s 之后應力應變基本呈線性關系，即達到所謂的穩定蠕變階段。由于蠕變本構關系僅適用于穩定蠕變條件，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力水平的蠕變應變率。保持試驗溫度不變，通過設置不同加載應力水平依次開展焊料蠕變實驗，可以獲得一組同一溫度不同應力水平焊料的蠕變應變率數據，擬合這組數據得到一條特定溫度下的蠕變應變率隨應力變化的完整曲線，如圖 5 中單組曲線所示。圖 5 列出了 4 組不同溫度下 Sn3Ag0.5Cu 焊料的蠕變應變率試驗結果，對上述結果進行回歸，得到與溫度相關的焊料蠕變應變率方程，即蠕變本構方程，如式(1)和(2)所示，相關參數如表 1 所示。式中，?? 為蠕變應變率，σ 為等效應力，Q 為激活能， R 為氣體常數，R=8.314J/(mol?K)，T 為絕對溫度。

　　2 芯片熱疲勞失效檢測

　　芯片的熱疲勞失效試驗共有兩種模式：一種通過正常的通電斷電循環模式，此為正常的芯片失效形式;還有一種則采用加速失效試驗，將芯片置于預設交變溫度載荷的環境箱中經歷溫度載荷。目前這兩種失效模式均可在實驗室實現，但由于通電模式太費時，不利于課堂教學，因此根據原來科研工作成果，將通斷電循環失效模式錄制成視頻，在教學過程中播放。加速失效試驗可以根據條件在實驗教學中開展，實驗室配備有實現交互溫度變化的溫度箱，按照實驗要求設置交變溫度與保溫時間。芯片失效與否則通過測量單組芯片的電子進行判斷，按照目前國際上通用方法，芯片電阻升高 15%為判定芯片失效的依據[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行切割，由于芯片 Q3 與 Q5 距離非常近，為避免切割過程芯片損傷，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。為保證試驗可靠性，每一種芯片分別開展 6 組熱疲勞試驗。將芯片放到溫度箱中承受交變溫度載荷，芯片上連接數字電阻表，可以測量經歷不同溫度循環后電阻的變化。為便于實驗實施，設置循環高溫為 150 ℃，電阻絲將環境箱加熱至額定溫度，保溫 3 min，然后打開環境箱門，采用強制氣流將環境箱溫度降低為室溫 20 ℃，保持 3 min，再升溫，如此反復。

　　圖 7—10 分別為 6 組 Q1、Q2、Q4 和(Q3+Q5)芯片電阻隨溫度循環周期的變化趨勢，可以看出，所有芯片電阻隨循環周期呈非線性變化，但整體趨勢上升。不難看出，芯片與焊層之間由于熱力學參數不匹配，在連接界面產生剪切效應，經歷熱循環周次后，在交互的剪切效應作用下，芯片與焊層的連接逐漸減弱，萌生微裂紋，造成電信號傳遞阻力增大，電阻升高。為便于觀測芯片的微裂紋發育及失效形態，將不同組分別經歷 700、800、900、1 000 和 1 100 循環周次的芯片進行切片，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 組芯片經歷 1 080 循環周次后電阻上升約 15%。圖 12 為(Q3+Q5)經歷 1 080 次溫度循環后切片的掃描電鏡圖片，(Q3+Q5)兩個芯片焊料層上均出現不同長度的微裂紋，芯片此時已經疲勞失效，可以看出，SEM 觀察結果與芯片電阻變化趨勢基本是一致的。

　　3 實踐教學及效果

　　自主設計實驗共設計 8 個學時，具體安排為：以 2 個學時為一個單元，分別用于基礎理論教學、試驗方案制定、蠕變實驗實施和芯片熱疲勞失效演示實驗。第 1 單元由指導老師向學生講解焊料溫度相關的力學行為，焊料蠕變本構模型與關鍵參數的確定方法，焊料蠕變試驗、芯片熱疲勞試驗、芯片電阻測試原理與方法等，并結合實驗室蠕變測試試樣，演示應變規安裝、溫度控制操作及數據采集器的使用。實驗原理講解結束之后，要求學生課下進行分組，結合實驗說明書，制定詳細的試驗方案，包括蠕變載荷、加載速率、測試點數據處理、蠕變參數回歸等技術環節。第 2 單元主要確定實驗方案與任務安排，指導教師需要針對學生試驗方案中的具體問題進行審核，提高實驗方案的可實施性。第 3、4 單元為實驗實施和演示階段。實驗實施過程主要包括：蠕變試樣與應變規安裝、設定蠕變溫度和加載速率、應力應變測試、穩定蠕變應變處理以及芯片熱疲勞失效試驗演示。實驗過程考核采取分項記分的方式，主要從查閱文獻、制定實驗方案、應變規調試、處理實驗數據、實驗中臨場問題處理以及實驗分析報告等幾個方面綜合評定。學生主要收獲如下：①加深了對材料蠕變行為的認識，了解了焊料蠕變特點與微電子芯片熱疲勞失效之間的聯系;②熟悉了蠕變檢測系統的組成、檢測原理和使用規范，掌握了數據分析及誤差處理的原理及過程;③進一步理解了專業知識和測試技術在科學研究和實際應用過程中的重要作用，提高了對專業知識的學習興趣。

　　目前芯片焊料蠕變測試與損傷檢測驗平臺已建設完成，并成功應用于我校儲運與建筑工程學院工程力學系學生自主設計實驗教學和開放型實驗之中，參與實驗學生人數共 80 人。通過實踐過程培養了學生的實踐動手能力，特別是運用所學知識創造性地解決工程實際問題的能力。同時也通過教學反饋，進一步完善了實驗教學模式。

　　4 結語

　　通過蠕變測試與芯片損傷檢測實驗項目，促使學生對多門課程的專業知識進行綜合應用，既熟悉了本專業的工程背景和需要解決的工程問題，又體驗了成功應用書本知識解決工程問題的喜悅，激發了學習興趣，啟發學生進行更深層次的思考。開放型實驗的開展提升了本科實驗教學的質量和效果，特別是增加了本科生從事科研工作的興趣，為科學研究后備人才的招生和培養打下了基礎。同時，該項目達到了教學和科研互相服務和促進的目的，值得進一步借鑒和推廣。