陶瓷柱柵陣列封裝電路器件級熱學環境可靠性評估

李菁萱，謝曉辰，王勝杰，林鵬榮，王 勇

(北京微電子技術研究所，北京 100076)

1 引言

隨著微電子封裝技術向高密度、大尺寸、窄節距和高性能的方向發展，陶瓷平面陣列封裝因其較高的I/O封裝密度、優良的熱學可靠性及規范的工藝流程在航空、航天及軍事等封裝領域獲得越來越廣泛的應用[1-2]。陶瓷柱柵陣列（CCGA）是目前應用最為廣泛的陶瓷平面陣列封裝形式之一。其封裝模式主要以預先焊接在陶瓷基板上的焊柱為封裝的外引線，然后通過釬焊的方法用釬料將焊柱焊接到印刷電路板上[3,4]。常用的焊柱結構為鑄造型焊柱、增強型焊柱、銅柱等類型，其中覆銅帶增強型焊柱的強度更高、韌性更好，焊點的熱疲勞壽命更長，可顯著提高高密度、高可靠宇航用CCGA器件的焊接質量和長期可靠性。電子器件在實際服役過程中，承受著大溫差、高溫等熱學沖擊，這些沖擊均有可能引起封裝焊點失效[5]。不僅由熱循環導致的低循環疲勞是影響電子組件可靠性的主要因素，由高溫導致的熱疲勞也會對可靠性產生重要影響[6-8]。同時多次返工再焊接的過程對器件的長期可靠性產生的影響也有待研究。因此，需要對CCGA電路器件級的溫度循環、高溫存儲以及多次返工的可靠性進行研究。CCGA元器件常用的外引出端種類為鑄造型焊柱、覆銅帶增強型焊柱等。因此，本文主要研究熱學環境下覆銅帶增強型焊柱植柱電路的器件級可靠性。

目前在CCGA植柱領域相關技術及其機理方面已經取得了諸多成果。丁榮崢等人研究了CCGA器件返工再植后器件焊點的外觀、強度的變化，以及普通CCGA焊盤能承受的返工次數。結果表明，返工5次內焊點的外觀、強度等均不會發生明顯變化[9]。林鵬榮等人研究了CCGA器件的板級可靠性，發現焊點在溫度循環條件下易發生蠕變，從而導致焊點失效[10]。呂強等人采用了非線性有限元分析方法，研究了焊柱在受力作用下的熱疲勞壽命，結果表明焊柱在力載荷條件下的熱疲勞壽命會明顯降低[11]。在CCGA植柱領域的研究主要為器件級的返工分析、封裝后器件級的質量驗證以及板級的可靠性分析，并未對覆銅帶增強型焊柱植柱電路的器件級可靠性進行分析。

為了研究覆銅帶增強型焊柱植柱電路的器件級溫度循環、高溫存儲以及多次返工的可靠性，本文針對覆銅帶增強型焊柱植柱電路在熱學環境下的器件級可靠性問題，選取封裝形式為CCGA1144的典型封裝器件，對高溫存儲、溫度循環、多次返工后的器件焊點進行分析，并進行了截面掃描電子顯微鏡（SEM）分析，分析了高溫存儲、溫度循環、多次返工對元器件級外引出端焊點的影響，為陶瓷柱柵陣列封裝元器件的實際應用提供了理論支撐。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

樣品制備所需要的關鍵原材料包括CCGA1144陶瓷基板、增強型80Pb20Sn焊柱、37Pb63Sn焊膏等，主要性能參數如表1所示。陶瓷基板均由京瓷公司生產，陶瓷種類為A440，CCGA采用NiAu焊盤，其中Au層厚度為0.03～0.20μm，Ni層厚度大于等于1.27μm；芯片為硅基芯片；試驗用的焊膏均由銦泰公司生產，種類為63Sn37Pb焊膏；焊柱均由Topline公司生產，種類為80Pb20Sn覆銅帶增強型焊柱，焊柱直徑為0.51 mm，長度為0.31 mm。具體各項材料的性能如表1所示。

表1 原材料性能參數

2.2 試驗內容

本文針對CCGA封裝器件的熱學環境下的器件級可靠性問題，進行高溫存儲試驗、溫度循環試驗以及返工試驗，通過拉脫力測試和剖面分析等手段對覆銅帶增強型焊柱植柱電路在熱學環境下的器件級可靠性問題進行研究。

具體流程如圖1所示，選取21只封裝形式為CCGA1144的典型陶瓷基板，首先對7只陶瓷基板按照63Sn37Pb焊膏的推薦曲線進行植柱。隨后對其中3只分別在150℃下進行500 h、1000 h、2000 h的高溫存儲試驗，3只分別進行500次、1000次和2000次的-65～150℃溫度循環試驗，并對全部試驗樣品進行測試和分析。隨后，剩余14只平均分成2組樣品，分別進行返工1次和返工3次的處理，返工溫度為200～230℃，之后再進行植柱，然后每組取3只在150℃下進行500 h、1000 h、2000 h的高溫存儲試驗，每組取3只進行500次、1000次和2000次的-65～150℃溫度循環試驗，并對全部試驗樣品進行測試和分析。拉脫力測試抽樣方法和試驗方法是按照GB/T36479-2018《集成電路焊柱陣列試驗方法》5.4節中的要求進行抽樣和試驗。具體試驗條件如表2所示。

圖1 返工CCGA器件級可靠性研究流程圖

表2 可靠性考核條件

3 試驗結果與分析

3.1 高溫存儲對比分析

高溫存儲試驗是通過低于焊料熔點的高溫老化試驗，本文按照GJB548B-2005選用150℃作為高溫儲存溫度，觀察焊柱焊點與焊盤界面處的狀態，進而評估焊點的連接可靠性。高溫老化后焊點的微觀組織結構會發生變化，比如界面IMC增厚等現象，會導致焊點的抗拉脫強度和斷裂模式發生變化。

未進行高溫儲存的植柱器件焊點照片及其剖面SEM照片如圖2所示，焊點表面光滑，有金屬光澤，IMC厚度約為0.5μm，IMC處EDS結果如表3所示，由于SEM樣品做了噴金處理，同時金元素不參與反應，則Ni與Sn的比例約為3.3∶2，因此回流后界面處首先生成Ni3Sn2。在經歷了500 h高溫存儲后，焊點表面與未儲存電路焊點相比變化不大，如圖3(a)所示。焊點整體的剖面狀態外觀變化不大，如圖3(d)所示。IMC輕微變厚，約為1μm，如圖3(g)所示。IMC處Ni與Sn的比例約為3∶4.6，此時界面化合物應為Ni3Sn4。在經歷了1000 h高溫存儲后，焊點表面與儲存500 h電路焊點相比外觀變化不大，如圖3(b)所示。焊點整體的剖面狀態變化不大，如圖3(e)所示。IMC輕微變厚，約為1.4μm，如圖3(h)所示。IMC處Ni與Sn的比例約為3∶5.1，此時界面化合物應為Ni3Sn4。在經歷了2000 h高溫存儲后，焊點表面與儲存1000 h電路焊點相比外觀變化不大，如圖3(c)所示。焊點整體的剖面狀態變化不大，如圖3(f)所示。IMC輕微變厚，約為2.5μm，如圖3(i)所示。IMC處Ni與Sn的比例約為3∶4.9，此時界面化合物應為Ni3Sn4。因此，可以得出，高溫存儲2000 h不會導致焊點表面狀態以及剖面狀態發生較大改變，但會導致IMC層變厚。經分析，回流后界面處首先生成Ni3Sn2，當高溫存儲500 h后，界面IMC轉化為Ni3Sn4，高溫存儲500 h后界面IMC層形貌幾乎不發生變化。

圖2 CCGA器件焊點照片和剖面SEM照片

表3 IMC處的質量百分比(%)

由于IMC層變厚會導致焊點的拉脫力變差，進而可能發生脆性斷裂。因此，分別測試未高溫存儲的植柱器件、500 h高溫存儲后的植柱器件、1000 h高溫存儲后的植柱器件以及2000 h高溫存儲后的植柱器件的拉脫力，各個器件上選取22個測試焊點求得平均力，測試結果如圖4所示。結果表明，4種器件的焊柱拉脫力均符合GB/T36479-2018中的規定（≥5.6 N），斷裂模式均為韌性斷裂。高溫存儲500 h后的樣品較未高溫存儲的植柱器件，拉脫力有輕微下降，而高溫存儲1000 h、2000 h后的器件與高溫存儲500 h后的器件的拉脫力相比變化不大，其斷裂模式、斷裂面均未發生變化，均為焊柱柱體斷裂。因此，可能是高溫存儲使柱體與銅帶之間的結合力變弱，進而拉脫測試時柱體先于銅帶斷裂，而不是一起斷裂，因此拉脫力下降。

圖3 高溫儲存后CCGA器件焊點照片和剖面SEM照片

上述結果表明，高溫存儲對于器件級CCGA器件的焊點可靠性影響較小，2000 h高溫存儲后器件IMC不足3μm，也未出現失效情況。

3.2 溫度循環對比分析

溫度循環試驗是通過不斷升溫、降溫，使得焊點產生反復的應力應變，焊點內部塑性變形逐漸積累，出現裂紋，再進一步擴展，進而產生斷裂面，發生失效。本文按照GJB548B-2005選用-65～150℃作為溫度循環的測試溫度區間，觀察焊柱焊點與焊盤界面處的狀態，進而評估焊點的連接可靠性。

圖4 高溫存儲后的焊柱拉脫力測試結果

未進行溫度循環的植柱器件焊點照片及其剖面SEM照片如圖2所示，焊點表面光滑，有金屬光澤，焊點焊接狀態良好。在經歷了500次溫度循環后，焊點表面變得粗糙，褶皺明顯，如圖5(a)所示。焊點整體的剖面可發現焊點邊緣開始出現裂紋，如圖5(d)所示。在經歷了1000次溫度循環后，焊點表面與溫度循環500次電路焊點相比焊點表面變得更加粗糙，顆粒感更為明顯，焊柱出現輕微傾斜，如圖5(b)所示。焊點整體的剖面可發現焊點邊緣裂紋開始深入，銅帶邊緣也出現了較大裂紋，如圖5(e)所示。在經歷了2000次溫度循環后，焊點表面與溫循1000次電路焊點相比變得凹凸不平，焊柱出現大幅度傾斜，如圖5(c)所示。焊點整體的剖面可發現焊點處裂紋進一步擴大，連接區域不足焊柱直徑的10%，銅帶邊緣裂紋變大，如圖5(f)所示。因此，可以得出，溫度循環2000次會導致焊點表面狀態以及剖面狀態發生較大改變，焊點與焊盤之間出現裂紋、銅帶與柱體之間出現裂紋，隨著次數的增加，裂紋進一步擴大。這是由于焊柱焊點與陶瓷、焊柱柱體與銅帶之間的熱膨脹系數不匹配導致的界面分層進而開裂。

圖5 溫度循環后CCGA器件焊點照片和剖面SEM照片

由于熱膨脹系數會導致焊點的拉脫力變差，進而可能發生脆性斷裂。因此，分別測試未經溫度循環的植柱器件、500次溫度循環后的植柱器件、1000次溫度循環后的植柱器件以及2000次溫度循環后的植柱器件的拉脫力，各個器件上選取22個測試焊點求得平均力，測試結果如圖6(a)所示。結果表明，4種器件的焊柱拉脫力均符合GB/T36479-2018中的規定（≥5.6 N），未經溫度循環的植柱器件、500次溫度循環后的植柱器件、1000次溫度循環后的植柱器件焊柱的斷裂模式均為韌性斷裂，斷裂位置為焊柱柱體，但2000次溫度循環后的植柱器件的斷裂模式均為焊接層破裂，斷裂位置的SEM照片如圖6（b）所示，EDS結果為SnPb，可以確定斷裂位置為焊點內部。溫度循環500次和1000次后的樣品較未經溫度循環的植柱器件，拉脫力有輕微下降，但其斷裂模式、斷裂面均未發生變化，均為焊柱柱體斷裂。這可能是由于溫度循環使柱體與銅帶之間出現裂紋，進而拉脫測試時柱體先于銅帶斷裂，而不是一起斷裂，因此拉脫力下降。溫度循環2000次的樣品的斷裂模式則是焊點與陶瓷之間出現較大裂紋導致的失效。

上述結果表明，溫度循環對于器件級CCGA器件的焊點可靠性影響較大，CCGA器件的抗溫度循環能力較差。

圖6 溫度循環后的焊柱拉脫力測試結果

3.3 多次返工后的力學性能

返工一般是由于焊柱損傷、變形等原因導致不合格后進行的處理，返工后可以重新進行植柱。常見焊盤的鍍層為Ni-Au（Ni≥3.5μm，Au≤0.3μm）。返工過程中會對Au層和Ni層進行溶蝕，第一次返工就會將全部Au層溶蝕，之后返工會繼續溶蝕Ni層。一般返工5次時，Ni層厚度仍能滿足焊接要求[6]。但是考慮到板級裝聯時仍可能會進行返工的情況，所以器件級植柱應適當減少返工次數。因此，本文研究了1次和3次返工的器件在熱學環境下的器件級可靠性問題。

在經歷了1次和3次返工后的器件焊點照片及其剖面SEM照片如圖7所示，焊點表面光滑，有金屬光澤，焊點焊接狀態良好，與未進行返工的植柱器件焊點照片及其剖面SEM照片（如圖2所示）相比差異不大。對返工器件進行高溫存儲500 h、1000 h和2000 h處理后其外觀和剖面形貌如圖8所示，與未返工器件經高溫存儲后的焊點形貌差異不大（圖3），均為隨著高溫存儲時間的增加，焊點的狀態變化不大。對返工器件進行了溫度循環500次、1000次和2000次處理后其外觀和剖面形貌如圖9所示，與未返工器件經溫度循環后的焊點形貌差異不大（圖5），均為隨著溫循次數的增加，焊點開裂越來越顯著。在經歷了1次和3次返工后的器件焊柱拉脫力結果如圖10所示，變化趨勢與未經歷返修的器件的拉脫力結果趨勢一致，均為高溫存儲2000 h對拉脫力的變化影響不大，而溫度循環2000次后焊點發生焊接層破裂，拉脫力急劇下降。

綜上所述，返工3次以內對于植柱器件在熱學環境下的長期可靠性影響不大。

圖7 返工1次和3次器件的焊柱焊點形貌

4 結論

本文主要研究了熱學環境下CCGA電路的器件級可靠性，主要針對CCGA電路器件級的溫度循環、高溫存儲以及多次返工的可靠性進行研究，分別研究了2000 h高溫存儲、2000次溫度循環以及3次返工過程對CCGA元器件焊點的影響。結果表明，CCGA器件在高溫存儲后焊點未發生失效，拉脫力滿足要求，斷裂模式屬于正常失效，且隨著存儲時間的增加，直至存儲2000 h，焊柱和焊點的狀態變化不大，拉脫力變化不大。但在溫度循環后焊點內部發生了斷裂，且隨著次數增加斷裂面積增大，隨著溫循次數達到2000次，焊柱發生歪斜，拉脫失效也變為焊料內部斷裂。返工3次內的器件焊點的熱學環境可靠性結果與未經歷過返工的試驗結果差異不大。這說明，150℃下高溫存儲對CCGA植柱器件的焊點焊柱影響不大，但-65～150℃范圍的溫度循環對CCGA植柱器件的焊點破壞力極強。返工3次內對于CCGA器件焊點的影響不大，熱學環境可靠性結果與未返修器件大致相同。

圖9 溫度循環后返工1次和3次器件的焊柱焊點形貌

圖10 溫度循環后返工1次和3次器件的焊柱拉脫力結果