电子封装与组装焊点界面反应及微观组织研究进展

- 1 -硅通孔（TSV ）转接板微组装技术研究进展*刘晓阳1，刘海燕2，于大全3，吴小龙1，陈文录1（1. 江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083；2. 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，江苏 无锡 214135；3. 中国科学院微电子研究所，北京 100029）摘　要：以硅通孔（TSV ）为核心的三维集成技术是半导体工业界近几年的研发热点，特别是2.5D TSV 转接板技术的出现，为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片（SoC ）提供了解决方案。

转接板作为中介层，实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连，降低了系统芯片制作成本和功耗。

在基于TSV 转接板的三维封装结构中，新型封装结构及封装材料的引入，大尺寸、高功率芯片和小尺寸、细节距微凸点的应用，都为转接板的微组装工艺及其可靠性带来了巨大挑战。

综述了TSV 转接板微组装的研究现状，及在转接板翘曲、芯片与转接板的精确对准、微组装相关材料、工艺选择等方面面临的关键问题和研究进展。

关键词：硅通孔（TSV ）；转接板；微组装技术；基板；2.5D/3D 集成中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2015）08-0001-08Development of Micropackage Technology for Through SiliconVia (TSV) InterposerLIU Xiaoyang 1, LIU Haiyan 2, YU Daquan 3, WU Xiaolong 1, CHEN Wenlu 1（1. Jiangnan Institute of Computing Technology , Wuxi 214083, China ;2. National Center for Advanced Packaging , Wuxi 214135, China ;3. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029, China ）Abstract: In recent years, 3D integration technology with the key technology of through silicon via (TSV) has been a research and development hotspot of semiconductor industry. Especially, 2.5D TSV interposer technology has been provided a solution for substituting low cost small size die system package for high cost system on chip (SOC). As the medilayer, interposer achieves 3D interconnection between die to die and die to substrate, and has reduced the cost of system on chip and power consumption. In the structure of 3D package based on TSV interposer, there have been very huge challenges for micropackage technology and reliability of interposer, with new type package structuresand materials introduced, and with large size high power die and small size fine pitch microbumps applied. In the paper, the currently research of TSV interposer micropackage was summarized, including the key questions and development of warpage of interposer, pinpoint between die and interposer, materials of micropackage, and technics choice, etc.Key words: through Silicon via (TSV); interposer; micropackage; substrate; 2.5D/3D integration收稿日期：2015-5-4*基金项目：国家科技重大专项（2011ZX02709-2）；国家自然科学基金（61176098）DOI:10.16257/ki.1681-1070.2015.0080电　子　与　封　装第15卷第8期- 2 -1 引言随着电子产品向小型化、高性能、高可靠等方向发展，系统集成度也日益提高。

SMT焊点质量检测方法热循环为确保电子产品德量稳固性和可靠性，或对失效产品进行剖析诊断，一般需进行必要的焊点质量检测。

SM T中焊点质量检测办法很多，应当依据不同元器件、不同检测项目等选择不同的检测方法。

1 焊点质量检测方式焊点质量常用检测方法有非破坏性、破坏性和环境检测3种，见表1所示。

1.1 目视检测目视检测是最常用的一种非破坏检测方法，可用万能投影仪或10倍放大镜进行检测。

检测速度和精度与检测职员才能有关，评价可依照以下基准进行：⑴润湿状况钎料完整笼罩焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于20°，通常以小于3 0°为标准，最大不超过60°。

⑵焊点外观钎料流动性好，表面完全且平滑光明，无针孔、砂粒、裂纹、桥连和拉尖等渺小缺点。

⑶钎料量钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓显明可见。

1.2 电气检测电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所请求的规范。

它能有效地查出目视检测所不能发明的微小裂纹和桥连等。

检测时可应用各种电气丈量仪，检测导通不良及在钎焊进程中引起的元器件热破坏。

前者是由渺小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或助焊剂分解气体引起元器件的腐化和变质等。

1.3 X-ray 检测X-ray检测是应用X射线可穿透物资并在物质中有衰减的特征来发明缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。

目前X射线装备的X光束斑一般在1-5μm范畴内，不能用来检测亚微米规模内的焊点微小开裂。

1.4 超声波检测超声波检测利用超声波束能透进金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边沿发生反射的特色来检测焊点的缺陷。

来自焊点表面的超声波进入金属内部，碰到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特色来断定缺陷的位置、大小和性质。

超声波检验具有敏锐度高、操作便利、检验速度快、本钱低、对人体无害等长处，但是对缺陷进行定性和定量判定尚存在艰苦。

微纳连接技术研究进展王尚;田艳红【摘要】近年来,集成电路不断向短小轻薄的高集成方向发展,推动着器件封装尺寸不断缩小,也使器件封装结构发生着改变.同时,作为信息革命的重要组成部分,集成电路技术往往涉及到多个领域的交叉和相互渗透,如微机电系统、精密仪表以及柔性器件等,而作为电子元器件封装中的关键技术,微纳连接技术的发展直接关系到电子工业中新型封装结构的研发与技术革新.因此,集成电路中微纳连接技术的发展也与多个技术领域密切相关.本文针对电子组装中微连接技术进行归纳和总结,并阐述纳米连接技术所取得的最新研究进展.通过总结微纳连接技术在不同互联尺度下的研究与应用现状,明确了微纳连接技术在电子工业领域中的重要作用,也为目前和未来的相关研究工作提供参考方向.%In recent years, integrated circuit ( IC) is developing towards high integration level, leading to the continuing miniaturization of electronic packages and the change of packages′ structure. Meanwhile, the IC technology, as an important part of information revolution, always connects and interactives with various fields, such as Micro-Electro-Mechanical System ( MEMS ) , Precision Instrument and Machinery, and Flexible Devices. As a key technology of electronic packages, the development of nano- and micro- joining technology is directly related to R&D and technological innovation of new generation of package structures in electronic industry. Hence, the development of nano- and micro- joining technology has a strong relationship with multiple fields. In this paper, the progress of 3D electronics fabrication and nano-joining technology is summarized . Through summarizing theresearch and application status of micro-joining and nano-joining under different scales, the significance of micro- joining and nano- joining technology in electronic industry is clarified. Moreover, the outline of the present and future research directions is provided.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2017(025)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】电子封装;微连接;纳连接;电子元器件;软钎焊【作者】王尚;田艳红【作者单位】先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150001;先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG425.1微纳连接技术在集成电路（IC）封装、电子组装、微电子机械系统制造（MEMS）、医疗器械制造、仪器仪表制造、精密机械制造、柔性电子等领域具有广泛的应用并发挥着关键的作用［1］.随着微电子系统、MEMS、精密仪器及机械、电力电子及功率器件等向着更加微型化、多功能方向的发展，其对焊接过程中的温度也越来越敏感［2］.尤其对于一些新出现的基板及涂层材料，如柔性材料、机物发光材料、铁电材料以及有机物材料等也无法承受太高的温度.这些特点使得传统的软钎焊技术无法适应.为了适应新的连接要求，目前有两种途径：一是降低铅料熔点［3］；二是采用局部加热的方法［4］.但是随着研究理论的深入，纳米连接的技术与相关理论得到了越来越多的关注.由于纳米材料具有较高的表面能，使得其熔点远远低于块体材料，而当实现连接融合后能得到与块体材料相当的性能，通过复合制备技术还能够得到各种性能的材料［5］，可以在兼容传统再流焊工艺的同时降低钎料的熔点，且不影响焊点连接后的性能.因此，纳米材料焊膏成为现阶段研究的一个重点.但是，纳米材料的连接过程与方法仍在开发阶段.又因为近年来纳米技术的快速发展，纳米连接技术也是当前研究的热点之一.纳米连接技术及相关理论的研究变得十分重要［6］.本文将针对电子器件组装的激光软钎焊技术、熔化微连接技术、功率器件及柔性电子器件中纳米连接技术的研究进展进行归纳和总结.使用纳米材料复合手段制备纳米焊膏可以实现铅料在低温下连接高温下使用.在降低连接温度的同时实现高可靠性大规模连接，纳米焊膏已成为电子封装领域中主流研究方向.但是，如何将纳米材料优异的性能完全发挥出来仍然存在很多挑战.实现纳米线、纳米颗粒之间可靠的连接对封装整体可靠性至关重要［7］.事实上，在纳米连接过程中涉及到纳米线的可控合成、操控、自组装等其他的纳米科技，并且连接技术与纳米材料本身的热性能、光性能和电性能密切相关，不同材料体系的连接方法也有所差异.根据连接原理的不同，目前的纳米连接技术可以分为以下几类：冷压焊法，加热法，超声键合，钎焊法，电子束辐照，焦耳热法，光/激光辐照法. 冷压焊方法的基础理论是，纳米尺度下材料表面原子相互扩散，从而实现纳米线之间或者纳米线和电极之间的互连，而且这一过程是自发的，不需要施加额外的能量［8－9］.冷压焊连接方法是对纳米材料尺寸效应最直接的应用.由于纳米材料表面能较高，活性较强，在室温或高真空环境下直接将2根金纳米线对接或者侧面搭接就能自发完成冷焊接［10］.当连接完成后材料表面能下降，从而实现牢靠的接头焊接.冷压焊的方法可以应用于多种材料体系，可控性强，而且冷压焊法无需加热处理，避免了对材料本身的损伤.但是这种方法能够实现连接的颗粒或者纳米线的尺寸需要小于10 nm［11］，因此研究还是以理论为主，未见有大规模应用的报道.而且，由于连接尺度在纳米量级，无法使用常规试验与表征手段.目前，冷压连接过程研究的主要方法为分子动力学模拟和透射显微镜下的原位研究［12］.虽然表征十分困难，冷压焊方法对研究纳米尺度下原子的扩散行为，具有重要的作用，具有很高的学术研究价值，也是其他连接方法的理论基础.虽然直接利用纳米材料的表面能作为驱动力进行连接十分困难，但是由于尺寸效应，纳米材料的熔点仍然远远低于传统块体材料，这大大降低了纳米连接的温度［13］.因此，通过输入少量能量，在较低的温度下就能实现连接，而连接后材料整体尺寸增大，表面能降低，性能接近块体材料，从而实现低温连接高温使用［14］.目前，纳米颗粒的连接行为已经有了相对完善的理论基础［15－16］.基于纳米材料制备的纳米焊膏已经具有了相对成熟的工艺经验，国内也有一些公司推出了相关产品.因此，当前纳米材料及纳米技术在器件级封装中，应用最为成功、转化最迅速的就是加热法实现纳米焊膏固化，以实现低温连接高温使用［17－18］.除此之外，加热法还被用于功能器件中微型结构的连接与组装，如2011年杨培东等［13］在Ge表面沉积一层碳膜限制Ge熔化之后的形态，在450～600℃淬火使再结晶的Ge纳米线被切断，然后在850～900℃高温加热下，Ge纳米线被连接在一起.即，通过使用限制结构对纳米线的焊接位置进行选择，从而实现纳米线的连接.这一方法为一维纳米功能器件的组装开拓了新的视野.与传统封装中超声丝球键合类似，高频的超声波能量对金属有软化作用，在压力和超声的作用下引起材料发生塑性变形实现连接［19］.例如，利用超声的软化作用能够把一维纳米材料埋入到金属电极中，实现纳米材料与外接电路之间可靠的机械和电连接［20］.虽然CNTs具有良好的热学与电学性能，但是实现CNTs的焊接是比较困难的，而用超声方法能够将CNTs焊接在金属电极上，从而制备如场效应晶体管等纳米器件［21］.超声键合技术适用于多种纳米材料，并且不局限于金属电极.另外，超声键合的方法借助于传统的超声设备，加工效率高，适用于大规模连接.但是，从文献发表情况来看，近年来关于纳米材料超声连接的研究呈下降趋势，相关研究多集中于CNTs与电极［22］以及铝与电极［23］之间的连接.然而，随着纳米线合成及相关性质的广泛研究，纳米线的应用领域也在不断拓展，纳米线与电极之间的连接问题也被广泛研究，这一连接技术仍然具有较大的潜力.如这一方法可以用来连接纳米线与电极来制备纳米传感器［24］等器件，而不需要等离子溅射等方法实现电极连接，能够极大地缩减试验时间与成本.纳米材料较高的表面能除了能进行自身的连接之外，还可以作为钎料连接其他材料［25］.类似焊接领域中的钎焊技术，能够保持被连接的对象维持各自的结构和功能的完整性，而且可以根据需求来选择合适的焊料材料［26］.这一方法能够对纳米线的排列进行控制，形成一定的排布图案.对于MEMS器件而言，使用钎焊技术可以进行微纳尺度的可控组装，如用探针拾取纳米线摆放成预设的形状，再拾取钎料然后对纳米线加电流预热使钎料软化，焊接时施加电压脉冲，产生热量将纳米钎料熔化成焊点并将纳米线焊成一体［27］.但是，不同于微米尺寸的软钎焊连接，精确定位钎料焊接位置仍然比较困难.而随着纳米器件相关技术的不断完善和新技术的不断涌现，以上困难有望解决.另外，结合自组装技术［28］，纳米钎焊法可以用来制备具有特定功能的纳米器件.电子显微镜是表征纳米材料形貌和结构的有效工具，而纳米材料在高能电子束辐照下会局部受热熔化［29］.而且利用这一原理可以实现对纳米线的修饰、切割与连接.使用高能电子束对纳米线进行焊接，已经实现了金纳米线之间［30］和单壁碳纳米管（SWCNTs）之间［31］的连接.这一连接方法的一般过程是，首先将纳米线或纳米管搭接在一起，然后用电子束分别辐照搭接处形成焊接接头，纳米线由于局部受热从而实现连接.通过调整搭接位置，能够实现Y型、X型和T型多种连接形式.除了纳米线的连接以外，电子束辐照法还适用于纳米颗粒的连接［29，32］.此外，电子束辐照法还适用于纳米氧化物之间的连接［33］.这种方法一般在真空度极高的透射电镜中操作，操作复杂，效率低，成本高.但是对于原位研究连接过程与原子扩散行为是十分有效的［34］.当对于金属纳米线输入电流时，其接触点会产生远高于纳米线本体的焦耳热，使纳米线在接触点熔化从而实现连接［35］.由于纳米线接触区域很小，接触电阻很高，产生大量的热而使接触点融化，并在随后的凝固过程中形成牢固的焊点［36］.通过这一方法，可以使纳米铂（Pt）线实现牢固连接［37］.焦耳热法不仅可以通过扫描电镜中的探针操纵实现2根纳米线之间的互连，而且适用于大面积的纳米线网格.焦耳热法还可以使用操作台精确的控制被连接的纳米材料，通过调整电流大小自由实现纳米材料的切断和连接.需要注意的是，电流的输入除了引发接触点产热，还产生了电迁移效应［38］.因此，焦耳热连接方法还可以在扫描电子显微镜下研究纳米材料迁移与扩散过程.除了热力学上的特殊性质，纳米材料也具有独特的光学特性［39］.如银纳米线已经被成功应用于光学传感器、拉曼散射探针增强材料以及纳米光波导器件等［40－41］.同时，利用纳米材料与光波的相互作用，还能够实现快速连接与选择性连接.采用快速光烧结法［42］实现了在聚对苯二甲酸乙二酯（PET，Polyethylene terephthalate）基底上制备铜纳米线透明导电薄膜.研究表明，铜纳米线导电薄膜的光烧结机制是光－热转换效应、表面等离激元共振效应和光致去氧化效应的共同作用.通过光烧结方法最终获得了透光率85%、方阻为34.1 Ohm/sq的铜纳米线透明导电薄膜.使用该快速光烧结技术制备，还成功制备了可传递摩斯密码的应力传感器以及可穿戴的加热器，为铜纳米线可拉伸导电薄膜在柔性电子器件中的应用奠定了基础［43］.当然，光连接技术的也具有一定限制，并不是所有纳米材料均能吸收光能，而且纳米材料的结构也会影响连接效果［44］.综上所述，作为近年来蓬勃发展的新兴领域，纳米连接技术还处于探索阶段.在纳米尺度下，使用传统方法连接的机理都与宏观的连接方式有着巨大差异.开发新的连接技术与手段，从而快捷高效地实现纳米连接是目前这一领域需要研究与探索的问题.目前，在电子封装领域，纳米材料主要被应用与纳米焊膏之中，加热法也是常用的连接方法.但是除了在传统领域的应用，未来纳米连接技术的发展还应着眼于高新技术领域，在完善连接机制的同时不断开发新的连接方法.纳米制造是实现各种纳米结构、纳米器件、甚至是纳米微系统的基础，而纳米连接是纳米制造的关键技术.因此，开发新的材料、连接技术及连接设备，以及相关机理的研究，将成为未来的研究目标和方向.【相关文献】［1］LI J H，WANG D，DUAN J，et al.Structural design and control of a small⁃MRF damper under 50 N soft⁃ landing applications ［J］.IEEE Transactionson Industrial Informatics，2015，11（3）：612－619.［2］LI J H，WANG W，XIA Y，et al.The soft⁃landing features of amicro⁃magnetorheological fluid damper［J］.Applied Physics Letters， 2015， 106（1）：14104－14112.［3］张翼，薛齐文，王云峰.微电子封装的发展历史和新动态［J］.机械工程与自动化，2016（1）：215－216.ZHANG Yi，XUE Qiwen，WANG Yunfeng.Development 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哈尔滨理工大学硕士学位论文无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究姓名：姜志忠申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：孙凤莲20070301钎料的呼声越来越高。

最终拥有悠久历史的传统型ＳｎＰｂ钎料，将会逐渐被新的绿色环保型钎料所替代翻。

如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。

另一方面，微电子产品焊点尺寸越来越小，引线间距越来越窄，而其所承受的热学、电学及力学载荷却都越来越高，这就要求钎料应具有优良的抗疲劳、蠕变性能，而传统的ＳｎＰｂ钎料抗蠕变性能差，已经不能满足使用要求。

工业界一直致力于无铅钎料的开发工作，准备迎接无铅化带来的挑战１６１。

无铅化技术由于钎料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少的会给焊点可靠性带来一定的影响。

而ＳＭＴ、ＭＣＭ焊点是直接实现异质材料间电气及机械连接，它的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量１７１。

图１－１电子封装结构与组装中的微连接技术示意图Ｆｉｇ．１－ｌＳ仇ｌｃｔｕｒｅｓｃｈｅｒｏａｆｉｃｏｆＢＧＡ，ｃＳＰｐａｃｋａｇｅａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１．２无铅钎料的研究现状１．２．１无铅钎料的性能要求在无铅焊接组装工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。

在选择材料时要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。

近年来由于ＳＭＴ的普遍应用，在提高电路的组装密度和可靠性方面，对钎料合金提出了更高的要求嘲：（１）合金共晶温度近似于ｓｎ３７Ｐｂ的共晶温度（１８３＂ｃ），且熔化温度区间越小越好。

Ｃ２）无毒或毒性很小。

（３）润湿性能和机械性能良好，焊点要有足够的可靠性。

图１－２ＢＧＡ焊点中不同大小的空洞Ｆｉｇ．１－２ＶａｒｉｏｕｓｓｉｚｅｏｆｖｏｉｄｓｉｎＢＧＡｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓ空洞对ＥＢＧＡ焊点可靠性的影响，并通过非线性有限元分析方法分析不同位置和不同大小的空洞对焊点应力、应变和可靠性的影响，为制定科学的焊点空洞接收标准提供依据。

微焊点的几何尺寸效应孙凤莲;朱艳【摘要】With electronic products tending to become smaller,lighter and higher in performance,the solder joints used to connect chip and substrate have been miniaturized to just dozens of micron or a few micron.In the mesoscopic scale,the traditional mechanical,electrical and metallographic paramelers for describing micro-joint have been influenced by geometrical size.This must seriously interfere with the evaluation for structure design,reliability and service time of micro-joint.In this paper,the relation between the geometrical size,shape andmechanical,electrical,melallographic performance of micru-joint are summarized.Some currently problems are pointed out.Orienlation in size effect on reliability evaluation is predicted.%随着微电子产品向微型化、高性能方向发展,用于连接芯片与基板的微焊点尺寸也缩小到几十微米甚至几微米.在此细观尺度范围,传统焊点的力学、电学和金属学常数均呈现明显的尺寸效应.这必将对微焊点结构设计、可靠性分析及寿命评估产生重要影响.本文就有关细规尺度下,微焊点的几何尺寸、焊点形态对其微观力学性能、物理及金属学性能的影响进行综合评述.指出了目前研究微焊点可靠性过程中存在的问题,预测了基于几何尺寸效应研究微焊点的结构设计和寿命评估的未来研究趋势.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2012(017)002【总页数】5页(P100-104)【关键词】微焊点;尺寸效应;力学特征;界面扩散【作者】孙凤莲;朱艳【作者单位】哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TG425.10 引言随着微电子产品不断向小型化、便携化和高性能方向发展，电子封装技术也由原始的通孔插装发展到焊球阵列封装(BGA-Ball Grid Array)、圆晶片级封装(WLCSP)和系统级封装(SIP)，用于连接芯片与基板，基板与印刷电路板的微焊点(BGA球或芯片凸点)尺寸由毫米级缩小到几十微米的细观尺度范围.英国的AIT(Advanced Interconnection Technology Ltd)公司［1］目前生产的最小钎料凸点(bump)尺寸可在15 μm，最小凸点间距为20 μm.据专家预测在2020年以前，电子产品的这种发展趋势仍然会遵循摩尔定律(Moore’s law)，即以每十八个月翻一番的速度变化［2-3］.这就预示着未来的焊点尺寸可能在几微米甚至更小.虽然焊点尺寸在减小，其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重.一个微小焊点的失效就可能导致整体器件的失效，当今集成电路的互联技术已经成为影响微电子技术迅速发展的瓶颈，特别是焊点服役性能的正确表征，更是关系到提高微器件设计制造水平和服役可靠性的关键问题.因此，微电子封装焊点服役性能的正确表征方法及相关的理论已成为本领域国内外学者关注的热点.微电子封装焊点的尺寸是介于微观与宏观之间的细观尺度范围.在研究焊点可靠性过程中，几何尺度效应是一个不可忽略的重要问题，其熔化、凝固和时效扩散过程既不能完全用经典的钎焊理论来解释，也不同于纳米尺度下量子尺度效应.在细观尺度下依靠传统的力学、电学、热学和金属学等方法获得的性能参数均表现出试样尺寸依赖性，即这些本应为常数的参数却随试样尺寸变化而变化.纳米尺度下材料的量子尺寸效应、表面效应和界面效应已经得到了材料物理界的深入研究，形成了较系统的理论，并且已成功地开发出多种特殊功能的纳米新材料.而对细观尺度下微结构的特性、加工工艺及服役可靠性的研究，特别是在微电子封装领域却刚刚起步.关于几何尺寸效应与微结构的力学相关性和金属学相关性是研究的重点.本文就微连接领域的尺寸效应问题的研究现状进行综述.1 微焊点的几何尺寸效应与力学特征对焊点的力学可靠性和寿命预测用的最多的方法是有限元数值模拟，常用的数学模型有基于塑性应变的焊点Coffin-Manson疲劳模型和基于蠕变应变的焊点疲劳寿命模型［4-6］.而用此方法必须要涉及到钎料合金的本构方程和合金的力学参数，例如:弹性模量、屈服强度等.然而，由于介观尺度下几何尺寸效应的存在，如果计算中仍然沿用常规的力学实验结果必定导致误差.1.1 纳米压痕与尺寸效应早在2002年 W.W.Gerberich［7］等人在对 W，Al等单晶材料的微区硬度试验中发现:当压痕深度在几百纳米数量级以内时，硬度值存在尺寸效应.压痕深度越浅硬度值越高.George M.［8］等在对金属晶体的研究中发现:当压痕深度小于1μm，试样直径小于100μm时，硬度值存在明显的尺寸效应，结果见图1.图1 硬度与压痕深度的关系1.2 微焊点的蠕变与尺寸效应由于钎料的熔点较低，工作温度相对较高，因此分析焊点的可靠性，蠕变性能是其重要的指标之一.早在2002 年，Villain J. 等人［9］以 Sn-40Pb和 Sn-3.5Ag钎料合金为对象，结合激光技术和应变仪(Laser extensometry and strain gauges)研究了钎料尺寸对其蠕变行为的影响，发现微小尺寸(1.8 mm3)钎料的蠕变应变速率是大尺寸(785 mm3)钎料的25倍;钎料的蠕变特征具有尺寸效应.R.Darveaux等人［10］研究了焊点尺寸对蠕变抗力的影响.哈工大的王凤江博士等人［11］采用标准拉伸试样钎料的体积与BGA焊点钎料体积比为1∶2600的试样分析尺寸效应.指出:由于钎料力学性能的尺寸效应，对体钎料采用常规拉伸和蠕变实验去评价具有微小尺寸焊点力学性能将不再适合.他还采用纳米压痕法推导出小尺寸试样相关力学性能参数.并且提出:钎料压痕p-h曲线有着明显的加载速率相关性，加载速率越大，蠕变量越大.文［12-13］采用纳米压痕技术研究了压痕深度与应力应变的关系.指出:蠕变速率，蠕变应变速率和压痕应力均取决于压痕深度.随最大载荷的增加蠕变速率增加.本文作者项目组2008年完成了题为“微电子组装焊点的纳米级力学行为与寿命预测”的国家自然科学基金资助项目的研究.用纳米压痕技术分析了微焊点的力学尺寸效应［14］，比较了体钎料与BGA焊点的弹性模量、蠕变应力敏感指数等，得出了两者数值相差悬殊的结论.1.3 微焊点的拉伸与尺寸效应研究表明，微焊点与体钎料的静态拉伸存在明显的不同.Zimprich A.［15］等人采用非接触式激光测量方法，分析了焊点静态拉伸条件下的几何尺寸变化与强度的关系.指出:当焊点间隙在50～1 000 μm之间，随间隙的减小其极限抗拉强度显著提高，同时断裂应变降低(见图2).图2 焊点间隙与强度的关系尹立孟等人［16］采用常用的“铜引线/钎料/铜引线”三明治结构模拟焊点试样，其直径在200～675 μm之间，长度在75～525 μm之间变化，研究了微互连模拟焊点在直径和长度变化的条件下准静态微拉伸的力学行为.指出:焊点几何尺度因子d/l对焊点内的力学拘束及接头强度有重要影响;d/l增大时导致焊点中力学拘束和应力三轴度的提高.随着微焊点长度的减小，抗断裂性能有所提高.无论无铅还是含铅钎料，其焊点拉伸强度与焊点体积(z)之间的变化关系符合反比例函数.焊点的强度随焊点体积的减小而显著增大，显示了焊点“越小越强”的“体积”尺寸效应(图3).图3 不同尺寸焊点的平均拉伸强度分布2 微焊点的界面扩散与尺寸效应关于微焊点的界面扩散行为对几何尺寸的依赖已引起学者们的关注.J.H.Lee等人［17］发现倒装芯片凸点(bump)的电迁移存在尺寸效应.指出:随焊盘下金属(UBM)可焊尺寸增加，焊点高度降低，焊点的电迁移寿命增加.Z.H.Huang等人［18］研究了焊盘的几何尺寸对UBM向钎料中扩散行为、界面微结构和焊点力学性能的影响.Islam M N［19］等人研究了Cu焊盘与Sn-Ag-Cu焊球间的界面反应，提出:焊球的直径越大，形成的界面化合物(IMC)层厚度越薄.Cu焊盘的消耗速度与钎料球的大小有关，钎料球直径越大Cu焊盘的消耗越快.C.C.Chang等人［20］亦研究了焊点直径变化对IMC层厚度的影响.指出:直径是400 μm的焊球形成的焊点其IMC层的厚度是直径为958 μm钎料球的1.5倍，即球的直径越大，IMC层越薄.文［21-22］得出了相同的结论.C.E.Ho［23］等人用不同尺寸的微焊点与镀Ni铜盘回流焊后进行时效，发现不同尺寸的焊点最终形成的界面化合物类型不同.C.K.Wong等人［24］分析了尺寸分别为40、80、250 μm的不同直径的凸点与Ni基体(UBM-under bump metal)界面的IMC的关系.指出随焊点尺寸的变化，UBM层的扩散速度、IMC层的生长动力学均不同.钎料金属的体积与凸点下金属的尺寸比例关系(V/A)影响IMC层的厚度，即V/A值越大IMC层越薄(见图4).图4 时效过程中UBM Ni层的残留厚度若V/A值不变，凸点的直径大小对IMC层的生长速度和形貌几乎无影响.但是凸点的直径对Ni层消耗有重要影响，凸点的直径越小Ni层消耗越快，对大尺寸的凸点，钎料组分要跨越更长的距离需要更长的时间才能达到饱和(saturation)，在小凸点中Cu的扩散距离小，加速了IMC的生长和分解，导致Ni层的消耗更快，如图5所示.这与文［18］中在Cu焊盘的结论相反.总之，由于焊点的尺寸和形态影响到焊点中组元的扩散路径和扩散距离，导致化合物的形成和分解，UBM层的消耗均受到几何尺寸的影响.以上的研究均是发现了焊点的某些特征对尺寸的依赖，界面固态扩散与焊点几何尺寸的关联规律的研究，仍需要更深入地进行.图5 尺寸影响钎料凸点中Ni层的消耗3 固态扩散与尺度效应的研究趋势目前在与扩散相关的微焊点失效和可靠性的大量研究中，例如:在IMC层的生长、焊盘Ni阻挡层的消耗、Kirkendall空洞、电迁移及蠕变等的分析计算中，有相当数量的文献［25-31］还一直沿用着适用于半无限长扩散偶的著名Arrhenius扩散系数公式和扩散动力学方程x=x0+■Dt.目前工程中在进行微焊点、焊盘、凸点的尺寸参数(如焊盘上Ni阻挡层的厚度)设计中，尺寸效应至今未引起设计者的广泛注意.因此，获得细观尺度下微焊点在服役过程中依赖尺寸的固态扩散规律，揭示微焊点在服役过程中依赖尺寸的基本参量的动态扩散规律并进行数学表征，建立引入尺寸因子的微焊点固态扩散动力学本构方程.不仅是对微连接扩散动力学理论的重要补充，也为工程中微焊点的结构设计、寿命预测和可靠性评估提供一定的理论依据.4 结语微焊点的力学性能、电迁移性能、界面原子的扩散迁移等均受到焊点几何尺寸的影响，尺寸越小，尺寸效应越明显.在电子封装微焊点的设计和可靠性研究中几何尺寸效应是一个不可忽略的问题，应当引入尺寸因子.参考文献:【相关文献】［1］LIDDLE D E.The Wider Impact of Moore’s Law［J］.Solid-State Circuits Newsletter，2006，8:28-30.［2］DAVID C.Brock.Understanding Moore’s Law:Four Decades of Innovation［M］.Philadelphia，Chemical Heritage 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共晶SnAgCu焊料与Al/Ni（V）/Cu薄膜间界面显微组织的转变摘要研究了两种共晶焊料SnAgCu、SnPb与Al/Ni(V)/Cu薄膜界面在时效过程中显微组织转变过程。

在共晶SnPb体系中，Ni（V）层在220℃回流20次后保存完好。

在SnAgCu焊料体系，在260℃回流5次后，形成（Cu，Ni）6Sn5三元化合物，且在Ni（V）层发现Sn。

回流20次后，Ni（V）层消失，并观察到（Cu，Ni）6Sn5层开始破碎，从而解释了在焊球剪切测试中断裂方式由韧性向脆性断裂的转变现象。

由于Cu在SnAgCu及SnPb系焊料中的溶解度不同，所以两种焊料在熔化时的界面反应不同。

基于Sn-Ni-Cu三元相图讨论了（Cu，Ni）6Sn5相的溶解及形成。

此外，还研究了150℃固态时效过程。

研究发现，SnAgCu在时效1000小时后，Ni（V）层完好，形成的IMC为Cu6Sn5而不是（Cu，Ni）6Sn5，这与共晶SnPb系中观察到的一样。

1．引言铅对人类的毒作用已经被广泛认识。

当今，电子工业排出的大量废弃物导致地下水中Pb含量过高。

如今全球电子工业正在努力禁止在焊料中含铅。

焊料的无铅化迫切要求建立无铅焊料组织、性能、成分、设备的知识体系。

倒装芯片连接系统可以分为UBM层（under bump metallization，凸点下金属化层）、焊球及镀金基板三个部分。

UBM主要起连接，阻碍焊料扩散、反应，润湿焊料及防止氧化等作用。

在锡球沉淀及形成，芯片在基板上封装形成封装元件，以及元件在电路板上组装过程中。

连接的锡球承受一系列热处理，回流焊接成焊点。

锡球连接的机械性能主要受焊球强度以及焊球与基板界面强度影响。

虽然曾报道过很多种结构的UBM，但是目前商业上广泛应用的倒装芯片UBM薄膜主要为IBM开发的Cr-Cu/Cu/Au以及Delco研发的Al/Ni（V）/Cu两种。

UBM薄膜的重要性在于降低了镀层周围硅片的残余应力，从而降低了危险。

微电子封装超声键合机理与技术中的科学问题摘要：我国是世界最重要的制造业大国。

随着世界制造业重心的转移,一批重要的制造业基地正在我国崛起。

中国的制造业吸收了一半的城市就业人口、一半的农村剩余劳动力,财政收入的一半来自制造业，而微电子工业是现代制造业的基础之一,已成为 21 世纪的全球头号产业。

在技术不断发展的过程中，人们意识到要想以自动化方式进行大批量制造，即需要能够从力学以及机械角度对装备的工艺细节进行深入的把握。

以现今的热点技术超声键合为例，对技术重点以及发展方向进行一定的分析。

关键词：微电子封装；超声键合机理；技术电子封装作为集成电路IC与电子系统间的连接桥梁，而电子器件的超薄、轻量化、高温服役、低功耗等发展趋势与迫切需求又对封装互连材料与工艺提出了更高的要求，这也将是推动半导体延续摩尔定律发展的重要关键环节。

此外，具有大电流/大电压、高温服役、高集成度等特性的大功率器件正蓬勃发展，且广泛应用在汽车电子、航空航天、电力电子设备与 5G 通信基站等领域中，它们对封装互连接头提出更为苛刻的要求，如极小互连间距、高服役温度与高可靠性等，因此，针对目前封装互连的共性重大问题，研发微电子互连新材料与工艺已成为我国争夺集成电路引领地位的关键战略之一。

一、微电子封装超声键合科学问题产生在键合过程当中，其科学问题形成的原因主要有：在键合过程中，其同超声疲劳以及微动摩擦过程具有类似的特征，即在工业应用背景方面具有相同的特点，在实际障碍研究方面都体现出数值仿真不准确以及实验困难的情况，且都具有材料微观行为以及微观性质的联系。

在实际超声疲劳以及微动研究当中，研究人员发现当表面的反应层以及吸附层遭到破坏时，暴露在表面的原子键链接则将具有加强的特征。

而当摩擦发生相对运动时，该原子键则会得到撕开，在显微镜观察当中，即可以发现存在咬死焊点以及表面材料转移等情况。

同时需要了解到的情况是，在新键合区域生成方面，将具有围绕已键合区域的情况，原子键的联结加强则可以说是一个具有简化特征的解释。

欧阳总创编 2021..02.13摘要电子组装业有铅钎料禁用期限日益临近。

行业内包括材料、设备、生产等各环节的厂商都在加快无铅制程导入的步伐。

无铅化过程中，表面组装的焊接工艺至为重要，而随着熔点较高的新型钎料陆续应用，焊接过程的冷却速率也逐渐成为被关注点。

无铅钎料熔点较Sn-Pb共晶提高30-40℃，焊接温度相应提高。

炉温的提高对元件和电路板构成挑战，焊接出炉温度也相应提高，钎料液相线上时间相对延长。

较快的冷速可以控制出炉温度，从而一定程度的控制焊点内部组织以及界面化合物的厚度，提高焊点质量。

本文基于实际的回流焊生产工艺，研究冷却速率对无铅焊点质量的影响。

主要研究两种无铅焊膏在不同冷速下焊点微观组织和力学性能的变化。

实测冷速在-4℃/S ～-6.5℃/S之间时形成的无铅焊点具有以下特点：微观组织细化，金属间化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈细颗欧阳总创编 2021..02.13欧阳总创编 2021..02.13粒状在钎料中弥散分布，使焊点断裂为韧窝断裂模式，可以起到类似复合材料的原位增强作用。

在钎料和Cu盘的界面，化合物厚度较小，且呈大波浪形态，容易缓解应力集中的问题，焊点的力学拉脱载荷最大；当冷速小于-1.5℃/S时，组织粗化。

内部Ag3Sn粗大而尖锐，界面的Cu6Sn5呈冰凌状，且厚度较大。

焊点在推剪时这成为裂纹萌生点，焊点的力学拉脱载荷最小。

关键词回流焊；冷却速率；拉脱载荷；推剪；焊点质量；欧阳总创编 2021..02.13欧阳总创编 2021..02.13AbstractThe legislation to ban the use of Pb-based solders will become effective im-mediately, which provide a driving force for enterprises to accelerate Pb-free process. It’s found that reflow soldringplays an important role in Surface Mount-ing Technology ,moreover, cooling rate in reflow soldering profile is getting more and more attention after the use of high-melting-point solders.The melting point of Pb-free solders is 30℃~40℃ higher than Sn-Pb eutectic solder. The increase of temperature in reflower becomes a challenge of Print Circuit Board (PCB) and components. As a result, the TimeAbove Liquid (TAL) of solder joints becomes longer, therefore, fast cooling in reflow soldering is used for controlling the PCBA temperature , improving the microstructure of joints and decreasing the thickness of intermetallic compound , consequently, high quality products can be obtained.How cooling rate affects the quality of soldering joints in lead-free process was studied in this paper. The experiments were based on practical industrial production and it focused on the effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties.When cooled at 4~6℃/S, the microstructure of joints were refined, the IMC of Ag3Sn and Cu6Sn5 phases disperse in eutectic network in joints which present spherical particles. The fracture of these joints after tensile failure presents dimple mode. Furthermore, the thickness of IMC was thin and it present gentle incline morphology. ItKeywords Rflow Soldring;Cooling Rate;Pulll；Push;欧阳总创编 2021..02.13欧阳总创编 2021..02.13目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 研究现状21.2.1 电子组装工艺21.2.2 无铅回流焊工艺31.2.3 无铅回流焊中冷却速率研究现状51.3 本文主要研究内容10第2章不同冷速的无铅焊接工艺实验112.1 引言112.2 试验条件112.2.1 试验材料112.2.2 试验设备132.3 温度曲线调试142.4 焊接试验结果182.5 本章小结19第3章冷速对无铅焊点微观组织的影响213.1 引言213.2 无铅焊点微观组织213.3 冷速对焊点内部组织的影响243.4 冷速对焊点界面组织的影响283.5 不同冷速对时效过程界面IMC生长的影响303.6 本章小结33第4章冷速对无铅焊点力学行为的影响344.1 引言344.2 冷速对无铅焊点力学性能的影响344.2.1 力学测试仪器344.2.2 QFP焊点的力学测试354.3 冷速对无铅焊点断裂行为的影响384.3.1 QFP焊点拉脱断裂模式38欧阳总创编 2021..02.13欧阳总创编 2021..02.134.3.2 QFP焊点的断口特征414.3.3 片式电阻焊点推剪的断口特征414.4 本章小结43第5章无铅回流炉的冷却模块445.1 引言445.2 回流炉结构445.3 本章小节46结论47参考文献48附录49攻读学位期间发表的学术论文50致谢51索引52个人简历53欧阳总创编 2021..02.13欧阳总创编 2021..02.13第1章绪论1.1课题背景欧盟的WEEE和RoHS两指令规定从2006年7月1日起全面实现无铅化电子组装。

-　10 -电子与第9卷第10期第9卷，第10期V ol ．　9，No ．10电子与封装ELECTRONICS & P ACKAGING总 第78期2009年10月Sn-Ag-Cu 无铅焊料性能研究徐建丽（淮安信息职业技术学院，淮安 223003）摘　要：环保和微电子器件高度集成化的发展驱动了高性能无铅焊料的研究和开发，Sn-Ag-Cu 系无铅焊料由于具有良好的焊接性能和使用性能，已逐渐成为一种通用电子无铅焊料。

文章通过实验的方法，研究了8种不同配比的Sn-Ag-Cu 焊料中银、铜含量对合金性能（包括熔点、润湿性和剪切强度）的影响，并对焊料的显微组织进行对比与分析，得出低银焊料的可靠性比高银焊料好，同时Sn-2.9Ag-1.2Cu 的合金具有较低的熔点且铺展性好，为确定综合性能最佳的该系焊料合金提供了依据。

关键词：Sn-Ag-Cu ；无铅焊料；润湿性；显微组织中图分类号：TM21 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2009）10-0010-04Research of Sn-Ag-Cu Lead-free SolderXU Jian-li（Dept.of Electrical Engineering , Huai ’an College of Information Technology , Huai ’an 223003,China ）Abstract:The R&D of the lead-free solder of high performance has been pushed forward by the highly devel-oped environment conservation and integrated microelectronic devices. The electronics industry begins to focus upon the Sn-Ag-Cu system alloys as they have the advantages of good reliability and good solderability.This text studies the influence of the content of Ag and Cu to function of the Sn-Ag-Cu Solder and analysis the microstructure of the solder by experiment. It shows no advantages in terms of processing, reliability,or avail-ability for the high-silver alloys as compared to the low-silver alloys.And the Sn-2.9Ag-1.2Cu solder has the lower melting point and the better spreadability. It provides the basis for the best performance of the Sn-Ag-Cu Lead-free Solder.Key words:Sn-Ag-Cu; lead-free solder; wettability; microstructure封 装 、 组 装 与 测 试收稿日期：2008-07-031 引言在众多无铅焊料中选择哪个系的合金，在确定了合金系后选择哪个成分配比的合金作为锡铅焊料的替代品，仍然需要很多试验和应用的数据来证明。

T echnical/~Column/玖不二QFP封装焊点随机振动分析与优化张伟(中国电子科技集团公司第三十六研究所，嘉兴314033)摘要：随着电子产品与系统的日益复杂化，利用仿真的手段来解决产品尚处在研发阶段的可靠性问题已成为产品可靠性设计的重要一环。

来源于实际的含QFP封装器件的工程案例单板，对QFP封装的引脚和焊点进行详细建模，利用ANSYS Workbench对QFP封装焊点进行了随机振动分析，确定焊点的应力分布及危险焊点所在位置。

根据随机振动仿真结果，对QFP封装进行优化和改进，并将改进后的数字样机进行仿真验证，验证结果表明改进措施有效减小了QFP焊点的等效应力。

关键词：QFP封装；焊点；随机振动；优化中图分类号：TG454文献标识码：A文章编号：1004-7204(2021)02-0120-05Analysis and Optimization of Random Vibration of QFP Package Solder JointsZHANG Wei(The36th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Jiaxing314033) Abstract:With the increasing complexity of electronic products and systems,it has become an important part of product reliability design to use Simulation to solve the reliability problem of products in the research and development stage.Derived from the actual engineering case board containing QFP packaged devices,the QFP package pins and solder joints are modeled in detail,and random vibration analysis of QFP package solder joints is performed using ANSYS Workbench to determine the stress distribution and danger of solder joints where the solder joints are located.According to the random vibration Simulation resuIts,the QFP package is optimized and improved,and the improved digital prototype is Simulated and verified.The verification results show that the improvement measures effectively reduce the equivalerrt stress of the QFP solder joints.Key words:QFP package;solder joints;random vibration;optimization___1—刖旨在当下的电子封装领域中，四方扁平封装(Quad Flat Packaging,QFP)由于工艺成熟、方便操作以及可靠性高等优点在电子封装界占据重要的地位。