作者：劉少紅，譚淇

單位：中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所

摘 要：在微電子產(chǎn)品的研發(fā)過程中，由于技術(shù)要求變更或故障維修等需求，需要對(duì)已焊接完成的電路板進(jìn)行芯片的返修操作，而返修過程所涉及的高溫時(shí)效和多次回流必然會(huì)對(duì)芯片本身及元器件造成損壞，因此需要通過相關(guān)過程可靠性研究指導(dǎo)具體的返修技術(shù)。通過分析國內(nèi)外研究者對(duì)于芯片返修可靠性的研究，發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)效與多次回流均會(huì)使得焊點(diǎn)界面化合物形貌及微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，但回流次數(shù)對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能影響較小。另外，合適的鍍層、焊盤或焊球尺寸都能夠改善高溫時(shí)效及多次回流產(chǎn)生的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞：芯片返修；可靠性；高溫時(shí)效；多次回流焊

引   言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)成為改變?nèi)藗兩a(chǎn)和生活面貌的先導(dǎo)技術(shù)，當(dāng)前微電子技術(shù)已發(fā)展進(jìn)入微系統(tǒng)時(shí)代，芯片上的電子元器件密度已達(dá)到人腦中神經(jīng)元的密度水平。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，為了滿足高性能、高可靠、小尺寸的要求，電子元器件產(chǎn)品的微型化制造技術(shù)得到了迅速發(fā)展。而在微電子產(chǎn)品的研發(fā)過程中，由于技術(shù)要求變更或故障維修等需求，需要對(duì)已焊接完成的電路板進(jìn)行芯片的返修操作。

具體的芯片返修過程主要為先將元器件放入靜電托盤中，再將元器件和托盤一起放入烘箱烘烤，待元器件完成去潮后將其取出自然冷卻，之后通過回流焊將芯片拆卸下來；另外，需要先利用扁平頭烙鐵和吸錫編帶清洗焊盤，再用清洗劑進(jìn)行清洗，之后再重新涂敷焊膏、貼裝芯片并將其回流焊接至元器件上；最后，我們需要通過外觀檢查和功能測(cè)試來評(píng)估焊接質(zhì)量。影響芯片返修可靠性的因素較多，包括貼裝精度、物料狀態(tài)（焊球質(zhì)量等）、凸點(diǎn)下金屬化層（UBM）材料及結(jié)構(gòu)、回流焊工藝參數(shù)等。其中高溫時(shí)效與多次回流作為重要的可靠性條件，對(duì)焊點(diǎn)組織及性能有重要影響。

在返修過程中，烘烤去潮、拆卸芯片以及多次的回流焊接均涉及到加熱操作，即在返修過程中焊點(diǎn)不可避免地要經(jīng)受高溫時(shí)效及多次回流焊接，這對(duì)于焊點(diǎn)的組織及性能必然會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，我們需要通過對(duì)芯片返修過程中的加熱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，研究該過程中焊點(diǎn)界面處金屬間化合物（IMC）的演變以及焊點(diǎn)性能的變化，了解電路板在返修過程中的性能變化，提高芯片返修后的可靠性。本文主要通過對(duì)國內(nèi)外芯片返修可靠性研究的綜述分析，探究了高溫時(shí)效與多次回流對(duì)于焊點(diǎn)界面IMC形貌及微結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響，同時(shí)研究了如何改善高溫時(shí)效及多次回流產(chǎn)生的負(fù)面影響，對(duì)返修技術(shù)提供指導(dǎo)。

界面IMC的生長機(jī)制

無論是高溫時(shí)效還是多次回流焊接對(duì)于芯片返修可靠性的影響歸根結(jié)底都要?dú)w因于界面IMC的變化，因此首先要對(duì)界面IMC的生長機(jī)制進(jìn)行分析。SnAgCu/Cu界面IMC的形成可以分為兩個(gè)階段，[敏感詞]階段是釬焊過程中Cu基板和液態(tài)釬料之間發(fā)生冶金反應(yīng)形成的IMC，該階段形成的界面IMC是形成釬焊焊點(diǎn)的前提條件，對(duì)焊點(diǎn)的可靠性也有影響。由于Cu的熔點(diǎn)（1084 ℃）遠(yuǎn)高于釬料合金Sn3.0Ag0.5Cu的熔點(diǎn)（217 ℃），因此釬焊過程中Cu元素在液態(tài)SnAgCu合金中受溶解機(jī)制控制。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，釬焊過程中固態(tài)金屬Cu在液態(tài)SAC系釬料中的溶解經(jīng)過兩個(gè)過程：首先是固體Cu晶格內(nèi)原有的原子結(jié)合鍵在外界提供的驅(qū)動(dòng)力作用下被破壞，使Cu原子進(jìn)入液相；隨后，進(jìn)入液相的Cu原子再由邊界向基體內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)而形成IMC。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，釬焊過程中，當(dāng)液態(tài)SAC系釬料合金與固態(tài)Cu基板接觸時(shí)，其組元便會(huì)向Cu基板表面擴(kuò)散，在距離表面厚度約10^-7 mm范圍內(nèi)達(dá)到飽和濃度，此后再由固體表面層向液相中溶解，進(jìn)而形成界面IMC。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，在釬焊過程中，當(dāng)液態(tài)釬料與銅接觸時(shí)，濃度差會(huì)導(dǎo)致極大的驅(qū)動(dòng)力，使銅迅速在釬料中溶解并在近界面處達(dá)到亞穩(wěn)定的過飽和狀態(tài)，由于巨大的化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致Cu與Sn迅速發(fā)生反應(yīng)生成IMC，在不到1 s的時(shí)間內(nèi)焊盤上就可以鋪滿IMC。而第二階段是在焊后服役過程中，外界提供的各元素?cái)U(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力使Cu基板和固態(tài)釬料之間相互擴(kuò)散形成界面IMC，此過程受擴(kuò)散機(jī)制控制。

總的來說，在釬焊過程中，IMC的形成和生長是基板和液態(tài)釬料間的冶金反應(yīng)和元素?cái)U(kuò)散共同作用的結(jié)果。另外，在固相情況下，釬焊焊點(diǎn)在服役的過程中常常受到諸如溫度、應(yīng)力、電流、磁場(chǎng)等外界因素的作用，這些因素為界面IMC的生長提供了驅(qū)動(dòng)力，但界面IMC的生長主要還是由擴(kuò)散機(jī)制決定的。相關(guān)研究人員常用Fick擴(kuò)散定律來描述這一階段IMC的生長，界面IMC厚度隨溫度和時(shí)效時(shí)間的生長變化遵循以下規(guī)律：

δ =δ₀+(Dt)^1/2                    (1)

其中，δ 是在t時(shí)刻界面IMC的厚度（單位m），δ₀是焊后IMC厚度（單位m），t是焊后時(shí)間（單位s），D是擴(kuò)散系數(shù)（單位m²/s）。目前已有不少研究者利用該公式計(jì)算出了不同溫度下SnAgCu/Cu界面IMC的生長速率以及界面激活能。事實(shí)上，SnAgCu/Cu界面IMC的生長是由Cu原子和Sn原子通過IMC界面擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，這一過程非常復(fù)雜，主要表現(xiàn)為體擴(kuò)散或晶界擴(kuò)散。

另外，也有一些研究者認(rèn)為IMC的復(fù)雜生長過程并不符合Fick擴(kuò)散定律，提出了如下更有普遍意義的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式來描述IMC的生長：

δ =(Dt)ⁿ                             (2)

其中n為IMC生長指數(shù)，可以通過測(cè)定不同時(shí)刻界面IMC的厚度后進(jìn)行曲線擬合來計(jì)算。

高溫時(shí)效對(duì)返修可靠性的影響

研究高溫時(shí)效過程中焊點(diǎn)界面的生長情況對(duì)于分析芯片返修可靠性有重要意義。王要利等人分析認(rèn)為，界面IMC的生長受元素?cái)U(kuò)散機(jī)制控制。所以其生長速率取決于界面處Cu和Sn元素在一定條件下的擴(kuò)散速率。在等溫時(shí)效試驗(yàn)中，根據(jù)Arrhenius擴(kuò)散系數(shù)公式可知：

D =D₀exp[-Q/(RT)]              (3)

其中，D為擴(kuò)散速率，D₀是擴(kuò)散常數(shù)（單位m²/s）；Q是激活能（單位J/mol）；R是Boltzmann常數(shù)，具體數(shù)值為8.314 J/mol/K；T是[敏感詞]溫度（單位K）。

因此，元素的擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)效溫度成指數(shù)關(guān)系，隨著時(shí)效溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大，擴(kuò)散加快。換言之，在高溫時(shí)效的條件下，元素?cái)U(kuò)散大幅增快，促進(jìn)界面IMC生長。這一理論與許多研究者在試驗(yàn)過程中觀測(cè)到的IMC生長行為基本相符。

而為驗(yàn)證這一理論，研究者通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行大量相關(guān)研究。王建華等人發(fā)現(xiàn)在焊球尺寸為200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，時(shí)效溫度為100 ℃、130 ℃、160 ℃ 的條件下，時(shí)效溫度越高，時(shí)效時(shí)間越長，SAC305/Cu焊點(diǎn)界面IMC層厚度增長越快，如圖1所示。也就是說，這二者對(duì)于界面IMC的生長都有促進(jìn)作用。

圖1　不同時(shí)效溫度下界面IMC厚度與時(shí)效時(shí)間平方根的關(guān)系

另外，Ni鍍層對(duì)界面IMC生長有明顯的抑制作用，能夠降低界面IMC的生長速率，使其厚度變薄，增厚速度變緩。SAC305/Cu界面IMC由Cu₆Sn₅及Cu₃Sn構(gòu)成，而SAC305/Ni/Cu界面的IMC則會(huì)演變?yōu)?/span>(Cu,Ni)₆Sn₅和(Cu,Ni)₃Sn。由圖2可以看到，時(shí)效后SAC305/Ni/Cu界面IMC層厚度明顯小于SAC305/Cu界面。并且隨著焊點(diǎn)尺寸由小變大，界面IMC層厚度更薄，IMC的生長速率更小，其數(shù)值分別為8.60 nm/s^1/2，2.54 nm/s^1/2，2.17 nm/s^1/2，1.25 nm/s^1/2，即適當(dāng)增大焊球尺寸也能夠抑制界面IMC的生長。

同時(shí)，亦有研究者對(duì)不同焊盤上IMC的生長速度進(jìn)行了探究，ZHANG等人研究發(fā)現(xiàn)ImAg、ImSn、PbSn這3種焊盤上的焊點(diǎn)界面IMC隨著時(shí)效時(shí)間的延長厚度均會(huì)增加，但在等時(shí)間、等溫度的時(shí)效過程中IMC的生長速度差別不大。

（a）SAC305/Cu界面

（b）SAC305/Ni/Cu界面

圖2　SAC305/Cu界面和SAC305/Ni/Cu界面IMC形態(tài)

此外，趙瑪麗通過在Cu基板表面電鍍不同鍍層系統(tǒng)研究鍍層元素以及回流溫度對(duì)Sn3Ag0.5Cu焊料界面反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)Ag鍍層中的Ag元素具有較快的擴(kuò)散速率，會(huì)加快焊點(diǎn)界面IMC形核速率，另外界面反應(yīng)所形成扇貝狀IMC中的溝槽會(huì)成為Cu元素?cái)U(kuò)散的便利通道，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)IMC的快速形成。Au鍍層中的Au元素的擴(kuò)散速率則更快，會(huì)快速形成成分為AuSn₄的IMC。但與前兩者形成鮮明反差的是，Ni鍍層中的Ni元素向熔融釬料擴(kuò)散速率較慢，且形成的三元IMC不存在溝槽狀通道，因此在一定程度上抑制了IMC的快速生長。此外，在523~583 K的溫度范圍內(nèi)，隨著回流溫度的升高，無鉛焊料在不同鍍層基板上反應(yīng)加快，潤濕性能提高。在等溫時(shí)效過程中，化合物形貌逐漸生長轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鏍睢６堑葴貢r(shí)效時(shí)，焊料重結(jié)晶導(dǎo)致焊料基體形成更多晶界，進(jìn)一步加快Sn、Cu原子的擴(kuò)散，加快金屬間化合物的生長增厚，增大IMC生長速率。

ZHANG等人研究發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)效時(shí)間和溫度的增加，焊點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力不斷變大，蠕變現(xiàn)象也變得更為嚴(yán)重。焊點(diǎn)的韌性和強(qiáng)度也會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間的增加而線性下降。但在無鉛釬料中隨著銀含量的上升，焊點(diǎn)抗蠕變性能的穩(wěn)定性有了一定的提高，其原因可能為第二相粒子（IMC）無鉛釬料在未時(shí)效時(shí)體積很小，可以有效抵抗晶界運(yùn)動(dòng)；然而在時(shí)效后，第二相粒子不斷長大，其釘扎晶格的能力下降，導(dǎo)致其抗蠕變性能下降。雖然相較于SnPb焊料，無鉛釬料的抗蠕變性能相對(duì)較好，但其時(shí)效后的性能卻不如SnPb。

從以上研究中可以看出，高溫時(shí)效會(huì)導(dǎo)致IMC的生長，而金屬間化合物層的增厚勢(shì)必會(huì)對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械性能產(chǎn)生影響。時(shí)效溫度與時(shí)效時(shí)間作為重要的工藝參數(shù)，對(duì)于界面IMC的生長影響重大。通過合理設(shè)計(jì)與精確控制時(shí)效過程工藝參數(shù)，能夠在一定程度上提高焊點(diǎn)可靠性。此外，通過增大焊球尺寸及增加鍍層等工藝手段也能降低高溫時(shí)效對(duì)IMC界面的負(fù)面影響。

多次回流對(duì)返修可靠性的影響

在芯片返修過程中，除高溫時(shí)效以外，多次回流焊也是影響芯片返修可靠性的重要因素。LIANG等人以Sn63Pb37、SnPb90和SAC305釬料為研究對(duì)象進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，結(jié)果分析顯示，125 ℃時(shí)效和多次回流均會(huì)導(dǎo)致IMC形貌和微結(jié)構(gòu)的變化。相比之下，高溫時(shí)效對(duì)于IMC層厚度增加產(chǎn)生的影響更為明顯。但球剪切試驗(yàn)沒有顯示出任何明顯的脆化行為，IMC在10次回流和125 ℃高溫時(shí)效336 h后發(fā)生直接脆斷。Sn63Pb37、SnPb90含鉛釬料在時(shí)效及多次回流后剪切強(qiáng)度有所提高，但對(duì)于SAC305無鉛釬料BGA球的剪切變形和斷裂行為沒有產(chǎn)生明顯的影響。另外，時(shí)效及多次回流使得焊點(diǎn)IMC形貌趨于平滑，厚度有所增加，如圖3所示，同時(shí)使SAC305無鉛釬料焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度和韌性略有下降。

（a）初始狀態(tài)

（b）3次回流后

（c）10次回流后

（d）125 ℃時(shí)效兩周后

圖3  SAC305無鉛釬料經(jīng)不同熱處理后界面IMC形態(tài)

此外，研究者對(duì)多次回流過程中焊點(diǎn)界面IMC層的生長演變進(jìn)行了觀察，KIM DAEGON等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在UBM焊盤上Sn63Pb37形成的IMC基本為Ni₃Sn₄，SAC305形成的IMC基本為Ni₆Sn₅，但隨著回流重熔時(shí)間的增加，在IMC與Ni-P層之間出現(xiàn)脆性富P層，界面處開始形成Ni₃Sn₄。但重熔時(shí)間（重熔時(shí)間從0~25² s）對(duì)焊點(diǎn)剪切性能影響不大，斷裂模式基本為脆性斷裂，原因是焊點(diǎn)中Ni₃Sn₄的形成和IMC脆性。

LIU等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)OSP焊盤上SAC387和Sn63Pb37形成的均為貝殼狀的Cu₆Sn₅，Ni/Au焊盤上SAC387形成長條狀(Cu,Ni)₆Sn₅，Sn63Pb37形成短棍狀Ni₃Sn₄。另外，隨著重熔時(shí)間的增加，IMC厚度也不斷變大，同時(shí)SAC387產(chǎn)生的IMC的厚度始終大于Sn63Pb37，OSP焊盤上IMC的厚度始終大于Ni/Au焊盤。而Cu-Sn組成的IMC生長主要由晶界擴(kuò)散主導(dǎo)，Ni-Sn組成的IMC的生長則由晶界擴(kuò)散和體擴(kuò)散共同主導(dǎo)。

文惠東等人以63Sn37Pb、10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb 4種不同成分的Sn-Pb凸點(diǎn)為對(duì)象，研究回流次數(shù)對(duì)凸點(diǎn)IMC形貌及力學(xué)性能的影響。多次回流后，Sn-Pb凸點(diǎn)界面IMC晶粒尺寸均逐漸增大，IMC層增厚。在10次回流后，3Sn97Pb和63Sn37Pb凸點(diǎn)界面處存在長軸狀凸起，5Sn90Pb和10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC層則較為平坦。回流次數(shù)的增加對(duì)于5Sn95Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度影響較大，對(duì)其余3種Sn-Pb凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度變化影響較小。

采用Sn3.5Ag0.5Cu釬料實(shí)現(xiàn)互連時(shí)，焊點(diǎn)可靠性與IMC層形態(tài)厚度緊密相關(guān)，而回流次數(shù)對(duì)于IMC形態(tài)的影響尤為顯著。吳豐順等人研究了回流次數(shù)對(duì)Sn3.5Ag0.5Cu焊點(diǎn)的幾何尺寸、界面形貌、拉伸強(qiáng)度及斷口形貌的影響。研究表明，隨著回流次數(shù)的增加，焊點(diǎn)寬度及IMC層厚度增加。經(jīng)過多次回流后，IMC層Ni₃Sn₄針狀組織發(fā)生粗化。在多次回流后，Sn3.5Ag0.5Cu焊料的拉伸強(qiáng)度變化不大，回流后斷口形貌如圖4所示。對(duì)斷口進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，[敏感詞]次回流后，斷裂發(fā)生在焊料中，斷口中能夠觀測(cè)到許多韌窩以及撕裂棱，韌窩底部有沉積物，屬于塑性斷裂。多次回流之后，斷裂部分出現(xiàn)在焊料中，部分存在于UBM與焊料的界面之中。此時(shí)韌窩較小，撕裂棱逐漸趨平，斷口表面出現(xiàn)針狀及粗化的Ni₃Sn₄，在塑性斷裂發(fā)生后又發(fā)生了脆性斷裂。

對(duì)于回流次數(shù)這一參數(shù)的重要影響，也有其他研究者進(jìn)行了試驗(yàn)探究。吳鳴等人探究了回流次數(shù)對(duì)SAC305無鉛釬料基體、焊點(diǎn)組織演變及可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)多次回流使得焊點(diǎn)出現(xiàn)宏觀裂紋并不斷擴(kuò)展，釬料內(nèi)部β-Sn枝晶及共晶組織明顯粗化。這一粗化傾向與王小京及SHEN等人在試驗(yàn)中的觀測(cè)一致。圖5為不同回流次數(shù)下SAC305釬料焊點(diǎn)的IMC層形貌，隨著回流次數(shù)的增加，過飽和析出的Cu₆Sn₅以及Sn塊逐漸消失。IMC層形貌由尖牙狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹睿蚁?/span>Sn基側(cè)生長增厚，生長速率逐漸減緩。多次回流后，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度逐漸下降。通過對(duì)斷口形貌的分析并結(jié)合剪切強(qiáng)度的變化可知，釬料組織的粗化與脆性IMC的增厚使得剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g脆性混合斷裂。此外，文獻(xiàn)中還提及聶京凱、劉平以及GUO等人通過在釬料中復(fù)合添加Ni元素并進(jìn)行多次回流，研究發(fā)現(xiàn)Ni元素的加入能夠有效改善焊點(diǎn)蠕變性能，提高剪切強(qiáng)度。

（c）5次回流后

圖5　SAC305焊點(diǎn)不同回流次數(shù)下的IMC形貌

此外，球柵陣列（BGA）封裝因其特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)高成功率及高可靠性返修。DARIAVACH等人研究了BGA組件的多次返修對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度的影響以及可能導(dǎo)致的IMC脆性。分析發(fā)現(xiàn)在多次返修后，IMC厚度增加。在返修5次后，IMC厚度超過10 μm。返修后的IMC不再是純粹連續(xù)的Sn-Cu化合物，此時(shí)的IMC層由富Pb相、富Sn相和IMC混合而成。在圖6所示的BGA球剪切試驗(yàn)中可以看出，經(jīng)過不同返修次數(shù)的焊點(diǎn)在推剪 試驗(yàn)后出現(xiàn)2種失效模式：[敏感詞]種是韌性斷裂，第二種是焊盤PCB分離。從焊點(diǎn)中發(fā)生的斷裂均為韌性斷裂，[敏感詞]次返修后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度小幅下降，之后幾次變化不大，說明多次返修對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的影響不大。

（c）2次返修后

（e）5次返修后

圖6　不同返修次數(shù)后BGA焊球剪切試驗(yàn)

焊盤PCB分離為典型的脆性斷裂，并且由此推斷出多次返修導(dǎo)致焊盤與PCB的連接強(qiáng)度顯著變低。DARIAVACH等人在4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在重熔2次之后焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度顯著下降，說明多次返修導(dǎo)致焊點(diǎn)抗彎曲能力大幅度降低。主要的失效位置為PCB與焊盤連接處，亦有部分失效發(fā)生在焊盤上，說明IMC厚度的增加并未導(dǎo)致界面處的強(qiáng)度降低。但隨著返修次數(shù)的增加，銅墊與PCB板的結(jié)合強(qiáng)度降低，導(dǎo)致BGA組件可靠性有所下降。

為實(shí)際探究返修次數(shù)對(duì)元器件焊點(diǎn)產(chǎn)生的影響，CHAI等人對(duì)元器件的返修工作進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)多次返修后IMC厚度顯著增加。經(jīng)過3次返修，TSOP使用Sn63Pb37進(jìn)行焊接時(shí)，焊盤上的銅厚度減少量約為10 μm，使用SAC305進(jìn)行焊接時(shí)，焊盤上的銅厚度減少量約為16 μm。2512貼片電阻使用Sn63Pb37進(jìn)行焊接時(shí)，焊盤上的銅厚度減少量約為16 μm，使用SAC305進(jìn)行焊接時(shí)，焊盤上的銅厚度減少量約為18 μm。對(duì)于TSOP元器件，使用Sn63Pb37進(jìn)行連接時(shí)，高次數(shù)的熱循環(huán)不但會(huì)導(dǎo)致返修的元器件焊點(diǎn)開裂，相鄰元器件也會(huì)有一定程度的失效。而對(duì)于翼形引腳，裂紋從引腳后側(cè)上端萌發(fā)，沿著引腳生長，在趾部結(jié)束。對(duì)于片狀電阻，裂紋從可焊端上沿萌發(fā)，向下發(fā)散傳播。對(duì)于片狀電阻，不同的返修次數(shù)導(dǎo)致28%～80%的可靠性下降。對(duì)于TSOP元器件，Sn63Pb37的使用會(huì)導(dǎo)致一定程度的熱循環(huán)可靠性下降，而SAC305的使用對(duì)熱循環(huán)可靠性的影響不大。

另有研究者對(duì)于不同類型焊盤進(jìn)行多次回流焊接，通過試驗(yàn)實(shí)踐探究焊點(diǎn)性能變化。ZHONG等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在OSP焊盤上重熔次數(shù)9次之內(nèi)時(shí)，IMC層厚度增加速度較快，在第9次重熔時(shí)，3種釬料產(chǎn)生的IMC厚度均約為8 μm，9次之后亦有增加，但趨勢(shì)變緩。其認(rèn)為多次重熔對(duì)焊點(diǎn)的抗剪切能力影響不大。SAC305和Sn63Pb37無論經(jīng)過多少次返修，斷口位置均位于焊盤的IMC層之上，Sn–3Ag–0.5Cu–8In在重熔2次之內(nèi)時(shí)，斷口位置在IMC層。當(dāng)重熔次數(shù)大于4次時(shí)，斷口位于焊盤與PCB界面。

MA等人發(fā)現(xiàn)，SAC305涂覆的焊盤在相同返修次數(shù)下IMC的厚度遠(yuǎn)小于Ni/Au焊盤。NSMD焊盤在返修下的表現(xiàn)很差。返修后的BGA焊點(diǎn)在ATC（0～100 ℃溫度循環(huán)，10 ℃/min）條件下主要的失效模式是疲勞失效。返修后的通孔焊點(diǎn)在ATC條件下易產(chǎn)生桶狀斷裂。但由于焊點(diǎn)的主要失效位置已經(jīng)由IMC層轉(zhuǎn)向了焊盤與PCB界面，返修后的BGA焊點(diǎn)在沖擊試驗(yàn)下可靠性較好。

結(jié)合以上研究?jī)?nèi)容，返修過程中的多次回流焊對(duì)芯片可靠性存在負(fù)面影響。多次返修后，IMC厚度顯著增加，形貌及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，斷裂模式及斷裂位置發(fā)生改變，可靠性降低。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝以減少返修次數(shù)是減少多次回流焊導(dǎo)致的可靠性降低的最優(yōu)途徑。此外，通過材料的合理選擇、匹配以及參數(shù)設(shè)置等方式，也能夠在一定程度上降低負(fù)面影響。

結(jié)  論

本文通過對(duì)國內(nèi)外研究者對(duì)于芯片返修可靠性研究進(jìn)展的概述，針對(duì)高溫時(shí)效及回流次數(shù)兩個(gè)因素對(duì)芯片返修可靠性的影響進(jìn)行匯總分析，對(duì)芯片返修技術(shù)研究具有指導(dǎo)意義。所得主要結(jié)論如下。

（1）芯片返修可靠性的降低與返修過程中的高溫時(shí)效及多次回流過程密切相關(guān)。高溫時(shí)效與多次回流使得焊點(diǎn)界面IMC形貌及微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。高溫時(shí)效促進(jìn)IMC快速生長，脆性IMC的生長增厚使得返修可靠性降低。

（2）返修熱過程工藝參數(shù)對(duì)于界面IMC的生長影響重大。通過合理設(shè)計(jì)與精確控制熱過程工藝參數(shù)，能夠在一定程度上提高焊點(diǎn)可靠性。此外，通過增大焊球尺寸及增加鍍層等工藝手段也能降低高溫時(shí)效對(duì)IMC界面的負(fù)面影響。

（3）多次回流后焊點(diǎn)IMC層尺寸逐漸增大，釬料基體及界面組織發(fā)生粗化，IMC層增長速率逐漸放緩。不同焊盤及釬料組合在多次回流后表現(xiàn)各異。總體而言，回流次數(shù)的增加使得焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度或剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

（4）結(jié)合多次回流后斷口顯微組織圖分析可知，隨著回流次數(shù)的增加，部分焊點(diǎn)斷裂位置由IMC層轉(zhuǎn)移至焊盤與PCB界面，斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g脆性混合斷裂。

（5）返修過程中的多次回流焊對(duì)芯片可靠性存在負(fù)面影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝以減少返修次數(shù)是減少多次回流焊導(dǎo)致的可靠性降低的最優(yōu)途徑。通過材料的合理選擇、匹配以及參數(shù)設(shè)置等方式，也能夠在一定程度上降低負(fù)面影響。





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