劉少紅，譚 淇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311100）

1 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)展到微系統(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(guò)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(guò)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(guò)回流焊將芯片拆卸下來(lái)；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，需要通過(guò)外觀檢查和功能測(cè)試來(lái)評(píng)估焊接質(zhì)量[1-3]。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。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(guò)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(guò)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，需要通過(guò)對(duì)芯片返修過(guò)程中的加熱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，研究該過(guò)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(guò)程中的性能變化，提高芯片返修后的可靠性。本文主要通過(guò)對(duì)國(guó)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)。

2 界面IMC 的生長(zhǎng)機(jī)制

無(wú)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(zhǎng)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。第一階段是釬焊過(guò)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(guò)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(guò)程中固態(tài)金屬Cu 在液態(tài)Sn-Ag-Cu（SAC）系釬料中的溶解經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)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(guò)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10-7mm 的范圍內(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[4]。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為[5]，在釬焊過(guò)程中，當(dāng)液態(tài)釬料與Cu 接觸時(shí)，濃度差會(huì)導(dǎo)致極大的驅(qū)動(dòng)力，使Cu 迅速在釬料中溶解并在近界面處達(dá)到亞穩(wěn)定的過(guò)飽和狀態(tài)，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[6]。而第二階段是在焊后服役過(guò)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(guò)程受擴(kuò)散機(jī)制控制。

總的來(lái)說(shuō)，在釬焊過(guò)程中，IMC 的形成和生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)提供了驅(qū)動(dòng)力，但界面IMC 的生長(zhǎng)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(lái)描述這一階段IMC 的生長(zhǎng)，界面IMC 厚度隨溫度和時(shí)效時(shí)間的生長(zhǎng)變化遵循以下規(guī)律[7]：

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(zhǎng)速率以及界面激活能。事實(shí)上，SnAgCu/Cu 界面IMC 的生長(zhǎng)是由Cu 原子和Sn 原子通過(guò)IMC 界面擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一過(guò)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(zhǎng)過(guò)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(lái)描述IMC 的生長(zhǎng)[8]：

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

3 高溫時(shí)效對(duì)返修可靠性的影響

研究高溫時(shí)效過(guò)程中焊點(diǎn)界面的生長(zhǎng)情況對(duì)于分析芯片返修可靠性有重要意義。WANG 等人[9]分析認(rèn)為，界面IMC 的生長(zhǎng)受元素?cái)U(kuò)散機(jī)制控制。所以其生長(zhǎng)速率取決于界面處Cu 和Sn 元素在一定條件下的擴(kuò)散系數(shù)。在等溫時(shí)效試驗(yàn)中，根據(jù)Arrhenius 公式可知：

其中，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 是絕對(duì)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(zhǎng)。這一理論與許多研究者在試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到的IMC 生長(zhǎng)行為基本相符。

為驗(yàn)證這一理論，研究者通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行大量相關(guān)研究。王建華等人[10]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(zhǎng)，SAC305/Cu 焊點(diǎn)界面IMC 層厚度增長(zhǎng)越快，如圖1 所示。也就是說(shuō)，這二者對(duì)于界面IMC 的生長(zhǎng)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[10]

另外，Ni 鍍層對(duì)界面IMC 生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，能夠降低界面IMC 的生長(zhǎng)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)?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(zhǎng)速率更小，其數(shù)值分別為8.60 nm/s1/2，2.54 nm/s1/2，2.17 nm/s1/2，1.25 nm/s1/2，即適當(dāng)增大焊球尺寸也能夠抑制界面IMC 的生長(zhǎng)。

圖2 SAC305/Cu 界面和SAC305/Ni/Cu 界面IMC 形態(tài)[10]

同時(shí)，亦有研究者對(duì)不同焊盤上IMC 的生長(zhǎng)速度進(jìn)行了探究，ZHANG 等人[11]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(zhǎng)厚度均會(huì)增加，但在等時(shí)間、等溫度的時(shí)效過(guò)程中IMC 的生長(zhǎng)速度差別不大。

此外，趙瑪麗[12]通過(guò)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I(lǐng)MC 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。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(zhǎng)。此外，在523~583 K 的溫度范圍內(nèi)，隨著回流溫度的升高，無(wú)鉛焊料在不同鍍層基板上反應(yīng)加快，潤(rùn)濕性能提高。在等溫時(shí)效過(guò)程中，化合物形貌逐漸生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鏍?。而非等溫時(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(zhǎng)增厚，增大IMC 生長(zhǎng)速率。

ZHANG 等人[13]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(wú)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無(wú)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)，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(zhǎng)影響重大。通過(guò)合理設(shè)計(jì)與精確控制時(shí)效過(guò)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(guò)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。

4 多次回流對(duì)返修可靠性的影響

在芯片返修過(guò)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[14]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(méi)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 含鉛釬料在高溫時(shí)效及多次回流后剪切強(qiáng)度有所提高，但對(duì)于SAC305 無(wú)鉛釬料球柵陣列（BGA）球的剪切變形和斷裂行為沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。另外，高溫時(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(wú)鉛釬料焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度和韌性略有下降。

圖3 SAC305 無(wú)鉛釬料經(jīng)不同熱處理后界面IMC 形態(tài)[14]

此外，研究者對(duì)多次回流過(guò)程中焊點(diǎn)界面IMC 層的生長(zhǎng)演變進(jìn)行了觀察，KIM 等人[15]通過(guò)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。重熔時(shí)間（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[16]通過(guò)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(zhǎng)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 厚度也不斷增加，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(zhǎng)主要由晶界擴(kuò)散主導(dǎo)，Ni-Sn 組成的IMC 的生長(zhǎng)則由晶界擴(kuò)散和體擴(kuò)散共同主導(dǎo)。

文惠東等人[17]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(zhǎng)軸狀凸起[18]，5Sn90Pb 和10Sn90Pb 凸點(diǎn)界面處IMC 層則較為平坦?；亓鞔螖?shù)的增加對(duì)于5Sn95Pb 凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度變化影響較大，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[19]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(guò)多次回流后，IMC 層Ni3Sn4針狀組織發(fā)生粗化，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)，1 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。

圖4 Sn3.5Ag0.5Cu 焊點(diǎn)在不同回流次數(shù)下的斷口形貌[19]

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[20]探究了回流次數(shù)對(duì)SAC305 無(wú)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[21]、SHEN 等人[22]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(guò)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?，且向Sn 基側(cè)生長(zhǎng)增厚，生長(zhǎng)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(guò)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，聶京凱、劉平以及GUO 等人[23-25]通過(guò)在釬料中復(fù)合添加Ni元素并進(jìn)行多次回流，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。

圖5 SAC305 焊點(diǎn)在不同回流次數(shù)下的IMC 形貌[20]

此外，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[26]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(guò)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)結(jié)果中可以看出，經(jīng)過(guò)不同返修次數(shù)的焊點(diǎn)在剪切試驗(yàn)后出現(xiàn)2 種失效模式：第一種是韌性斷裂，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，第一次返修后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度小幅下降，之后幾次變化不大，說(shuō)明多次返修對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的影響不大。

圖6 不同返修次數(shù)后BGA 焊球剪切試驗(yàn)結(jié)果[26]

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(shuō)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(shuō)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[27]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(guò)3 次返修，薄型小尺寸封裝（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)行焊接時(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(zhǎng)，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)致可靠性下降28%～80%。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)行多次回流焊接試驗(yàn)，探究焊點(diǎn)性能變化。ZHONG 等人[28]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在OSP 焊盤上進(jìn)行重熔，次數(shù)在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(wú)論經(jīng)過(guò)多少次返修，斷口位置均位于焊盤的IMC 層之上。Sn3Ag0.5Cu8In 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[29]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。非阻焊層限定（NSMD）焊盤在返修下的表現(xiàn)很差。返修后的BGA 焊點(diǎn)在自動(dòng)溫度補(bǔ)償（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，返修過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)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(guò)程中的高溫時(shí)效及多次回流過(guò)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(zhǎng)，脆性IMC 的生長(zhǎng)增厚使得返修可靠性降低。

（2）返修熱過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)于界面IMC 的生長(zhǎng)影響重大。通過(guò)合理設(shè)計(jì)與精確控制熱過(guò)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(guò)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(zhǎng)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?？傮w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(guò)程中的多次回流焊對(duì)芯片可靠性存在負(fù)面影響。通過(guò)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(guò)對(duì)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。