SnAgCu焊料蠕变行为试验及微电子功率模块热疲劳失效检测
摘 要：焊料良好的力学行为是微电子芯片高可靠性的重要保证。在交变温度载荷作用下，焊料层的蠕变特性往往直接决定电子芯片的使用寿命。因此开展焊料蠕变行为测试，了解电子芯片热疲劳失效机理是力学专业学生理解并应用力学理论解决工程实际问题的有效尝试。该文结合国家新旧能源转换背景，研发了一组芯片焊料蠕变测试与损伤检测平台，开展了 SnAgCu 焊料蠕变性能及微电子功率模块的热疲劳失效行为研究，为工科学生创造了良好的创新型实践条件。教学实践结果表明，此次实验有助于学生掌握材料蠕变行为的检测原理、过程以及在微电子芯片热疲劳评估中的应用，加深了学生对专业知识在工程实际应用的认识，提升了学生的学习兴趣。
黄小光; 张典豪; 叶贵根， 实验技术与管理 发表时间：2021-07-29 10:04 期刊
关键词：焊料;微电子芯片;蠕变行为;热疲劳
温度对材料力学行为的影响非常显著，常温下塑性较好的材料，在低温下可能发生脆性断裂;而常温中的脆性材料，比如铸铁，高温下可以锻造。同时，某些材料在某一固定温度和应力下，其变形会随着时间不断增加，这种现象称为蠕变，在交变的温度和应力作用下，材料容易发生蠕变疲劳而失效[1]。对于高温压力容器、电子芯片等，蠕变是设计中是不容忽视的一环。尤其对电子芯片而言，焊层的热蠕变疲劳往往是导致其失效的主要原因。焊层作为实现“芯片— 基板—外部底板”之间的“电—机械”互联，承载了微电子功率模块工作状态的热、力和电荷负载[2-3]。由于焊层与芯片、基板热力学行为不匹配、功率波动以及反复的通断电，焊层本身产生塑性应变并不断累积，焊层与芯片、基板的连结界面也会出现交变的拉剪应力，最终导致焊层或连结界面开裂[4-5]。
信息时代的到来促进了电子工业和电子封装产业的飞速发展，电子封装早已从早期为芯片提供机械支撑、保护和电热连接的功能，逐渐融入芯片制造技术和系统集成技术之中。各种先进的封装技术不断涌现，如 BGA、CSP、MCM 等，电子封装技术已经成为 20 世纪发展最快、应用最广的技术之一。芯片在航空航天、汽车、国防军工、石油钻井等领域的推广，势必要求芯片具备大功率、高集成度和高可靠性，而封装密度和功率密度的提高势必要求焊料层的高可靠性[6]。焊料层的强度和寿命主要由焊料本身和界面结合的性能决定，因此焊料应满足适当的熔化温度、良好的粘结性能和足够的粘合强度等要求。随着环境卫生、健康需求的不断提升，传统的 Sn-Pb 系列焊料逐渐被淘汰，无铅焊料特别是 SnAgCu 系列焊料在近 20 年得到了迅速的发展和推广应用。这意味着，在电子器件发展中逐渐积累起来的焊点强度和寿命方面的经验不再有效，为了对芯片强度和寿命做出正确的估计，必须深入了解无铅焊料的蠕变等力学行为，获取描述应力或应变状态的参数和评估，再结合物理实验建立相应的失效准则进行评判[7]。为了促进科研教学协调发展，我系结合科研项目积累，搭建焊料蠕变试验装置与芯片损伤检测平台，通过开展无铅 SnAgCu 焊料的蠕变试验和微电子功率模块的热蠕变疲劳试验，使学生深入了解芯片蠕变特点以及蠕变疲劳引起芯片失效的本质。该实验是学生理解并应用力学理论解决工程实际问题的有效尝试，作为我校工程力学专业开放型实验课程的重点内容，在实验教学中取得了良好效果。
1 SnAgCu 焊料蠕变试验
1 为典型的蠕变曲线，根据应力水平可以分成 3 个阶段：低应力线性粘滞蠕变、中应力幂律蠕变和高应力指数蠕变阶段，σv 称为线性粘性蠕变极限， 为蠕变应变率。高应力区材料很快失效，因此对寿命评价有意义的是低中应力区，而 σv 作为其分界具有重要意义，是建立蠕变本构的重要依据[8-9]。
芯片 SnAgCu 焊料试验可以在 CRIMS 高温蠕变试验机上进行，试验机配置专用的环境箱，如图 2 所示，采用加热电阻将环境箱内温度加至试验温度，采用高温应变规测量试样蠕变应变，在试验过程中试样的实际应力可以由传感器获得。试验选用的焊料型号为 Sn3Ag0.5Cu，蠕变试样如图 3 所示。
实验过程中，首先设计一个试验温度，将试样加载至额定应力恒定不变，测试应变随时间的变化曲线。图 4 为环境温度为 60 ℃、应力等于 75%屈服极限时的一条典型蠕变曲线，可以看出前期蠕变应变率变化较大，1 500 s 之后应力应变基本呈线性关系，即达到所谓的稳定蠕变阶段。由于蠕变本构关系仅适用于稳定蠕变条件，因此回归图 4 所示蠕变曲线就可以得到特定温度下某一应力水平的蠕变应变率。保持试验温度不变，通过设置不同加载应力水平依次开展焊料蠕变实验，可以获得一组同一温度不同应力水平焊料的蠕变应变率数据，拟合这组数据得到一条特定温度下的蠕变应变率随应力变化的完整曲线，如图 5 中单组曲线所示。图 5 列出了 4 组不同温度下 Sn3Ag0.5Cu 焊料的蠕变应变率试验结果，对上述结果进行回归，得到与温度相关的焊料蠕变应变率方程，即蠕变本构方程，如式(1)和(2)所示，相关参数如表 1 所示。式中， 为蠕变应变率，σ 为等效应力，Q 为激活能， R 为气体常数，R=8.314J/(molK)，T 为绝对温度。
2 芯片热疲劳失效检测
芯片的热疲劳失效试验共有两种模式：一种通过正常的通电断电循环模式，此为正常的芯片失效形式;还有一种则采用加速失效试验，将芯片置于预设交变温度载荷的环境箱中经历温度载荷。目前这两种失效模式均可在实验室实现，但由于通电模式太费时，不利于课堂教学，因此根据原来科研工作成果，将通断电循环失效模式录制成视频，在教学过程中播放。加速失效试验可以根据条件在实验教学中开展，实验室配备有实现交互温度变化的温度箱，按照实验要求设置交变温度与保温时间。芯片失效与否则通过测量单组芯片的电子进行判断，按照目前国际上通用方法，芯片电阻升高 15%为判定芯片失效的依据[10-11]。选用的微电子功率模块，共有 5 种不同功率的 18 块芯片，如图 6 所示。将微电子功率模块进行切割，由于芯片 Q3 与 Q5 距离非常近，为避免切割过程芯片损伤，将芯片 Q3、Q5 合在一起，从每块微电子功率模块切下 Q1、Q2、Q4 和(Q3+Q5)4 种芯片。为保证试验可靠性，每一种芯片分别开展 6 组热疲劳试验。将芯片放到温度箱中承受交变温度载荷，芯片上连接数字电阻表，可以测量经历不同温度循环后电阻的变化。为便于实验实施，设置循环高温为 150 ℃，电阻丝将环境箱加热至额定温度，保温 3 min，然后打开环境箱门，采用强制气流将环境箱温度降低为室温 20 ℃，保持 3 min，再升温，如此反复。
图 7—10 分别为 6 组 Q1、Q2、Q4 和(Q3+Q5)芯片电阻随温度循环周期的变化趋势，可以看出，所有芯片电阻随循环周期呈非线性变化，但整体趋势上升。不难看出，芯片与焊层之间由于热力学参数不匹配，在连接界面产生剪切效应，经历热循环周次后，在交互的剪切效应作用下，芯片与焊层的连接逐渐减弱，萌生微裂纹，造成电信号传递阻力增大，电阻升高。为便于观测芯片的微裂纹发育及失效形态，将不同组分别经历 700、800、900、1 000 和 1 100 循环周次的芯片进行切片，如图 11 所示为焊料层以及焊料层与芯片连接界面处裂纹的萌生及分布情况。(Q3+Q5)总电阻为 1 Ω，其中第 6 组芯片经历 1 080 循环周次后电阻上升约 15%。图 12 为(Q3+Q5)经历 1 080 次温度循环后切片的扫描电镜图片，(Q3+Q5)两个芯片焊料层上均出现不同长度的微裂纹，芯片此时已经疲劳失效，可以看出，SEM 观察结果与芯片电阻变化趋势基本是一致的。
3 实践教学及效果
自主设计实验共设计 8 个学时，具体安排为：以 2 个学时为一个单元，分别用于基础理论教学、试验方案制定、蠕变实验实施和芯片热疲劳失效演示实验。第 1 单元由指导老师向学生讲解焊料温度相关的力学行为，焊料蠕变本构模型与关键参数的确定方法，焊料蠕变试验、芯片热疲劳试验、芯片电阻测试原理与方法等，并结合实验室蠕变测试试样，演示应变规安装、温度控制操作及数据采集器的使用。实验原理讲解结束之后，要求学生课下进行分组，结合实验说明书，制定详细的试验方案，包括蠕变载荷、加载速率、测试点数据处理、蠕变参数回归等技术环节。第 2 单元主要确定实验方案与任务安排，指导教师需要针对学生试验方案中的具体问题进行审核，提高实验方案的可实施性。第 3、4 单元为实验实施和演示阶段。实验实施过程主要包括：蠕变试样与应变规安装、设定蠕变温度和加载速率、应力应变测试、稳定蠕变应变处理以及芯片热疲劳失效试验演示。实验过程考核采取分项记分的方式，主要从查阅文献、制定实验方案、应变规调试、处理实验数据、实验中临场问题处理以及实验分析报告等几个方面综合评定。学生主要收获如下：①加深了对材料蠕变行为的认识，了解了焊料蠕变特点与微电子芯片热疲劳失效之间的联系;②熟悉了蠕变检测系统的组成、检测原理和使用规范，掌握了数据分析及误差处理的原理及过程;③进一步理解了专业知识和测试技术在科学研究和实际应用过程中的重要作用，提高了对专业知识的学习兴趣。
目前芯片焊料蠕变测试与损伤检测验平台已建设完成，并成功应用于我校储运与建筑工程学院工程力学系学生自主设计实验教学和开放型实验之中，参与实验学生人数共 80 人。通过实践过程培养了学生的实践动手能力，特别是运用所学知识创造性地解决工程实际问题的能力。同时也通过教学反馈，进一步完善了实验教学模式。
4 结语
通过蠕变测试与芯片损伤检测实验项目，促使学生对多门课程的专业知识进行综合应用，既熟悉了本专业的工程背景和需要解决的工程问题，又体验了成功应用书本知识解决工程问题的喜悦，激发了学习兴趣，启发学生进行更深层次的思考。开放型实验的开展提升了本科实验教学的质量和效果，特别是增加了本科生从事科研工作的兴趣，为科学研究后备人才的招生和培养打下了基础。同时，该项目达到了教学和科研互相服务和促进的目的，值得进一步借鉴和推广。