微电子封装焊点疲劳失效研究综述

　　摘要：微电子封装具有微型化、高密度、低成本和良好的电气性能的特点，焊点负责内部芯片与电路板间的电气和机械连接。由于生产设计过程中产生的缺陷或经受温度变化、振动和冲击等环境载荷，焊点易发生失效。本文总结了焊点常见的疲劳失效原因，X射线、染色分析等失效分析技术可以实现失效焊点的精准定位，便于分析失效原因。随后，总结了焊点疲劳寿命预测模型的应用和研究现状，比较了各模型优缺点及适用范围，可为微电子封装的可靠性分析与评估提供理论指导。

　　关键词：微电子封装；焊点；综述；疲劳失效；寿命预测模型

　　随着电子产品朝轻量化、多功能化、高集成度方向发展，微电子封装技术以其高密度和高性能的特点成为当前电子封装技术的主流趋势[1]。微电子封装是指将芯片及其他元件固定连接在基板上并用外壳包裹引出引脚或端子，以构成整体结构的工艺。它对内部集成电路的保护作用概括起来主要有以下几点：一是起机械支撑、环境保护和应力缓和作用，减少外界环境和应力对内部芯片的影响；二是起传输信号和分配电源的作用；三是提供散热通道，导出封装内部器件产生的热量等[2]。微电子封装不仅影响着器件的性能，还对实现高密度封装集成起到重要作用，涉及的关键技术主要包括焊球阵列封装(BallGridArray，BGA)、芯片尺寸封装(ChipScalePackage，CSP)、圆片级封装(WaferLevelPackage，WLP)、多芯片组件技术(Multi-ChipModule，MCM)、表面贴装技术(SurfaceMountTechnology，SMT)和系统级封装(SysteminPackage，SiP)等。

　　微电子封装产品广泛应用于航空航天、航海和军事等领域，在使用过程中影响其可靠性的因素主要有温度、振动冲击、湿气及灰尘。根据美国空军电子工业部门的统计：在电子元器件失效的原因中，55%是温度变化导致的，20%是振动冲击作用引起的，19%是由于湿气的原因，6%是由灰尘造成的[3]。焊点是产品各组成部分互相连接的关键部位，不仅用于电气、机械连接，还为芯片提供热耗散通道，其可靠性很大程度上决定了电子产品的质量。焊点在经历热循环、振动、冲击等应力时，由于各结构材料热膨胀系数失配、弹性模量不同等原因，会发生应变累积，使得焊点的初始裂纹[4]或新生裂纹不断扩展直至发生断裂，同时芯片也会发生热膨胀变形及热翘曲变形[5]，造成电性能失效，最终导致整个电子产品或设备发生故障[6-7]。

　　微电子封装的可靠性通常取决于焊点的疲劳寿命[8]，对焊点进行失效分析并找出失效原因，便于对器件进行可靠性评估，为改进焊点的形貌尺寸及工艺提供建议。焊点的疲劳寿命通常通过实验观测或者基于经验公式进行预测。基于实验的寿命测定需要高精度的试验测试设备并制备需求的测试试样，在观察裂纹萌生和裂纹扩展过程中测出裂纹从开裂到失稳扩展的实际时间来得到最终失效寿命，如激光全息法等。实验法获取寿命虽然具有直观、可靠性高、可信度高的特点，但由于其实验时间长、成本高，现有测试技术的精度受限，且结果是某一具体产品在特定情况下的数据。同时，随着焊点向小尺寸和细间距的方向发展，计算机性能和软件仿真能力不断提升，往往借助有限元仿真软件来进行焊点寿命预测[9]。有限元分析是一种功能强大、应用广泛的数值分析方法，它可以准确地对焊点及其周围构件在模拟应力作用下的力学响应及变化规律进行全方位、全过程的描述。利用有限元建模和仿真方法可以对器件进行环境应力下的应力应变分析，得到关键焊点位置的应力应变及能量密度等信息，并结合实际情况选取合适的疲劳寿命预测公式来计算焊点的疲劳寿命[10]。

　　本研究在总结焊点疲劳失效原因和失效分析技术的基础上，比较了各类寿命预测模型的理论依据与适用情况，可为微电子封装焊点的疲劳失效分析与可靠性分析提供参考。

　　1焊点疲劳失效原因

　　在复杂的环境载荷下，焊点的失效模式主要有两种：一种是疲劳失效，其中包括由热应力或电迁移引起的塑性形变、脆性断裂或蠕变损伤和由机械应力(振动和冲击)导致的机械损伤；另一种是腐蚀失效，大部分是由于助焊剂中的酸性残留物或使用过程中的水汽导致的化学腐蚀和电化学腐蚀引起的[11]。

　　焊点的疲劳失效可以表现为裂纹萌生[12]、焊点开裂[13]、IMC断裂[14]和阻值增大等，分别如图1、图2和图3所示。焊点的主要失效位置有：焊球内部球体断裂失效；焊点和金属层界面间金属间化合物(IntermetallicCompound，IMC)断裂失效；微孔结构焊盘失效和PCB(PrintedCircuitBoard)板加强层断裂失效[15]。研究表明，焊点和金属层界面间IMC断裂失效发生最多，焊点内部出现裂缝其次，微孔结构焊盘失效和PCB板加强层断裂失效发生的最少[16]。

　　在实际工作环境中，焊点的损伤大多是由于多种环境应力的共同作用造成的[17]。与单应力相比，多应力耦合作用下的焊点的失效机理及失效特征更为复杂。如机械应力在互联部位产生的动态应力会与温度循环载荷产生的应力发生相互作用，从而加速焊点的失效进程。此外，电迁移现象除了会引起焊点的界面组织发生改变，还会加速断裂机制从塑性断裂向脆性断裂转变的进程，从而导致焊点的力学性能和疲劳寿命下降。

　　2焊点失效分析技术

　　电子显微技术的发展，使得测试手段呈多样化发展，检测结果更为准确，对于焊点内部化学成分及结构的变化观察更为直观，能够更好地了解其失效原因与失效部位的分布状态[18-19]。以是否破坏器件整体结构为区分，失效分析中的检测技术可分为无损检测和破环性检测。

　　无损检测技术主要有光学显微、电子显微、X射线检测、高频超声检测、激光全息检测和红外热波无损检测等，这些技术都可用于电子封装表面、亚表面与内部缺陷检测。X射线检测技术可以有效地探测焊点形貌异常，如焊点空洞、裂纹等，可结合实际情况进行二维X射线检测或3D断层扫描检测。高频超声检测可以通过亮度来定性表征焊点内部裂纹的萌生和扩展[20]，如图4所示。激光全息检测是一种非接触测量，可测量任意形状和表面状况的三维焊件表面，可获得焊件开裂点处环形干涉条纹或干涉条纹有畸变的位移场分布图，并配合声发射监测系统准确地测出开裂点的位置。红外热波无损检测技术灵敏度较高，可被用来检测焊接质量，适合于微细裂纹、锈蚀及分层等的检测。

　　破坏性检测主要有染色分析、金相检测、扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)及能量色散谱(EnergyDispersiveSpectroscopy，EDS)分析，可以进行界面分析并检测大部分失效焊点[21]。染色实验可以提供全部焊点信息，并通过观察着色区域得到裂纹在焊点内部的分布[20]，如图5所示。金相检测一般与SEM和EDS相结合使用，可以得到焊点的几何构型、裂纹位置、界面金属间化合物的形貌等精细结构。扫描电子显微镜结合能量色散X射线谱仪(EnergyDispersiveX-raySpectroscopy，EDX)还可以获得微区成分信息，如铜锡金属间化合物层等，便于分辨微小裂纹、断口界面等信息。

　　3焊点的疲劳寿命预测模型

　　电子封装破坏的最主要的形式是疲劳失效[22]。根据不同的破坏形式，可将其焊点寿命预测模型分为以下几种：以塑性变形为基础的寿命预测模型；以蠕变变形为基础的寿命预测模型；以断裂力学为基础的寿命预测模型和以能量为基础的寿命预测模型等。这些模型分别从不同的角度以不同的准确度在一定的范围内反映了焊点的疲劳规律，适用于不同的应力条件或失效类型下的疲劳寿命预测。

　　3.1以塑性变形为基础的焊点疲劳寿命预测模型

　　以塑性变形为基础的寿命预测模型主要考虑与时间无关的塑性效应，比较有代表性的是Coffin-Manson模型、Engelmaier模型、Soloman模型和Norris-Landzberg模型[23]。这类模型中作为主要表征参量的塑性剪切应变可以通过理论计算、数值模拟或者试验的方法得到，和相关常数一起带入相应经验公式，从而计算出焊点的失效循环次数(即疲劳寿命)[24-25]。

　　3.2以蠕变变形为基础的焊点疲劳寿命预测模型

　　焊点在高温或低温或交变温度作用下，将发生与加载时间相关的蠕变效应。由于蠕变机制较为复杂，此类模型难以准确描述蠕变过程[23]，同时忽略了塑性应变的影响[30]，因此它的应用具有一定的局限性。

　　3.3以断裂力学为基础的焊点疲劳寿命预测模型

　　以断裂力学为基础的焊点疲劳寿命预测模型主要是以断裂参量为基础，通过计算裂纹的累积与扩展所造成的损伤来进行寿命预测，常见的模型有

　　Paris模型和J积分模型。这类模型考虑了应变能耗散与材料的结构损伤对疲劳寿命的影响，但由于必须预先假设裂纹萌生的位置和裂纹扩展的路径，且焊点的疲劳寿命没有包括裂纹萌生之前的寿命，故存在一定的局限性。

　　3.4以能量为基础的焊点疲劳寿命预测模型

　　基于能量的疲劳模型主要是根据焊点的应力应变迟滞能量来计算每一次循环的应变能或者应变能密度，从而估算其疲劳寿命。主要有两种方法：一种是利用经验方程直接预测；另一种是先预测焊点萌生裂纹时的循环次数，再利用断裂力学的内容计算裂纹扩展速率，推算出裂纹扩展至整个焊点失效时的循环次数，最后将二者相加得到焊点的疲劳寿命[33]。第一种方法常见的模型有Akay模型，第二种方法常见的有Darveaux模型。这类模型综合考虑了应力和应变的作用，在一定程度上是对以应变为基础的模型的补充和改进。特别是在处理复杂的应力应变迟滞曲线时，能更简单地获取累积损伤的大小。

　　在热应力或机械应力条件下，Darveaux模型基于焊点之间的应力、应变或能量，描述了焊点的物理常数与焊点实际寿命之间的关系[34]，广泛应用于BGA等封装。基于能量的Darveaux模型，可以分别计算焊点的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命，两者相加即可得到总循环寿命[29]。此方法依赖于能描述焊点的与时间相关的蠕变和与时间无关的塑性本构模型，方便在有限元仿真中完成计算。但该理论的相关系数较多，且大多数焊点失效并不是焊点完全断裂导致失效，而是裂纹扩展至一定程度后发生电性能失效[3]，因此具有一定的局限性。

　　4总结

　　微电子封装器件中焊点、引线等互联结构在经受振动、冲击、温度变化等条件时容易发生疲劳失效，最终导致整器件甚至是系统的损坏失效。本文对微电子封装焊点的疲劳失效原因进行了分析，并总结了实际应用较多的无损检测和有损检测技术，随后对目前普遍使用的焊点疲劳寿命预测模型进行了归纳说明，可结合具体的微电子封装器件及其使用情况采取合适的方法进行寿命预测与失效分析。

　　由于焊点的应力应变难以测量，只能通过仿真计算的方式获得，且疲劳寿命的研究涉及到材料力学、热力学、振动力学、疲劳理论等多领域，无法准确描述实际疲劳寿命。对焊点可靠性预测的准确性取决于对材料特性、几何变量、焊点质量、膨胀失配和操作条件等不确定性的正确处理。一般可以通过实验结果校正模型或拟合参数来提高预测的准确度。此外，随着封装技术的发展，焊点的形态预测以三维为主，在建立形态模型时应充分考虑焊料自重及表面张力等的影响，使得假设条件更为合理。同时，无铅焊料的应用也使得焊点疲劳失效的高精度观测和寿命预测模型值得进行研究和探索。