楊東升，張賀，馮佳運，撒子成，王晨曦，田艷紅

(哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱,150001)

0 序言

電子封裝可以為電子產品提供機械支撐、環(huán)境保護、電氣和信號傳輸以及熱耗散通道，是電子產品加工制造中不可或缺的重要工序[1].在芯片的各級封裝過程中，涉及大量微納連接技術，如實現(xiàn)芯片與引線框架信號傳輸?shù)囊€鍵合技術[2]、表面組裝過程中的軟釬焊技術[3]、功率器件熱界面管理的納米燒結技術[4]等.這些微納連接技術是電子封裝制造的核心技術之一，是實現(xiàn)從芯片到器件、產品乃至系統(tǒng)的橋梁.隨著現(xiàn)代電子產品逐漸向小型化、多功能的方向發(fā)展，芯片制程不斷縮減，I/O 端口數(shù)不斷增加，元件密度持續(xù)上升，電子封裝中的互連尺度不斷下降，必須不斷開發(fā)先進的微納連接技術，以滿足日益增長的集成電路制造需求[5].

與宏觀尺度下的焊接技術相比，電子工業(yè)界中的焊接技術具有顯著的特殊性，主要體現(xiàn)在以下4 個方面[6].

(1)工藝特殊性.當互連材料的尺寸非常微小時，傳統(tǒng)大尺度連接中的可忽略因素甚至會對整個連接過程和質量起到不可忽視的影響，如擴散、溶解、表面張力、電子風力等.

(2)性能要求特殊性.力學性能是機械領域焊接中最為關注的指標，然而電子產品中的微納連接焊點更加注重功能性要求，如導電性能、導熱性能、電磁兼容性能等.

(3)結構特殊性.隨著近年來納米材料、納米器件的不斷發(fā)展，電子封裝中的互連已橫跨納—微—宏多級尺度、芯片—基板—印制電路板(printed circuit board，PCB)板—母板多級層次，因此，微納連接工藝的開發(fā)必須考慮多級互連間的兼容性.

(4)過程特殊性.電子領域內焊點尺寸微小精細，互連界面承受的力、熱等極易隨時間變化，因此需要連接精度高、連接過程短、能量輸入準.

電子封裝中互連焊點的可靠性對于整個電子產品的質量具有重要的影響，將直接決定整個電子產品乃至系統(tǒng)的壽命[7].電子產品60%以上的失效是由于焊點的失效引發(fā).因此，對于互連焊點可靠性的研究的重要性絲毫不亞于對互連方法的開發(fā).與機械領域中焊點不同，電子封裝中焊點尺寸更加微小、服役環(huán)境更加苛刻(熱—電—振動多物理場耦合)，焊點的失效行為及機制更為復雜，可靠性分析及壽命預測也更加具有挑戰(zhàn)性.

盡管微納連接工藝及失效行為的研究困難重重，國內外的研究者仍然不斷探索，并取得了一些顯著的研究進展，但仍然缺乏系統(tǒng)的總結與綜述.因此，有必要對電子封裝中微納連接及失效行為的相關研究進行全面的了解，以準確把握領域的發(fā)展思路，為進一步開展相關工作帶來指導和啟發(fā).

1 微納連接方法

不同級別的電子封裝中涉及各種微納連接技術，如以固相連接為主要原理的引線鍵合技術，以電流、激光等為能量源的熔化微連接技術，以錫基釬料為主的軟釬焊連接等.近年來，隨著互連尺寸逐漸縮短及柔性電子的興起，互連尺寸逐漸縮減至納米尺度，該章節(jié)主要對這些微納連接方法進行總結.

1.1 引線鍵合

引線鍵合是電子封裝中最為重要的形成電氣互連的技術之一[8]，直至目前，仍有一半以上的芯片采用引線鍵合的方式實現(xiàn)電氣連接.根據(jù)輸入的能量不同，引線鍵合技術可大體分為3 類：熱壓鍵合、超聲鍵合和超聲熱壓鍵合.熱壓鍵合僅在壓力和溫度的作用下實現(xiàn)引線與焊盤之間的冶金結合，因此，對鍵合溫度和鍵合壓力要求較高，易對芯片造成損傷.超聲鍵合利用超聲振動引發(fā)引線、焊盤發(fā)生塑性變形，進而實現(xiàn)室溫鍵合，可避免高溫、高壓帶來的損傷.超聲鍵合又可分為球形鍵合和楔形鍵合.球形鍵合效率較高，在電子工業(yè)界中的應用也更為廣泛.楔形鍵合則多應用于一些特定場合，如一些微波器件、光學器件.

近年來，隨著器件尺寸的不斷縮減，引線線徑也在逐漸減小.然而，當引線線徑過細時，電路的寄生效應、趨膚效應也更為顯著，電磁兼容性能逐漸下降.為改善這一問題，研究者們對引線形狀進行了優(yōu)化，將傳統(tǒng)的圓線改進為扁帶.鄒軍等人[9]發(fā)現(xiàn)金帶鍵合的微波特性優(yōu)于金線鍵合.2021 年，王尚等人[10-11]采用超聲熱壓楔形鍵合的方式實現(xiàn)了25 μm × 5 μm 的金帶與金焊盤之間的冶金結合，系統(tǒng)分析了鍵合過程中的鍵合壓力、時間及焊點微觀形貌、鍵合強度的影響規(guī)律，圖1 為金帶引線鍵合微觀形貌及電磁性能仿真[10-11].借助于有限元仿真技術分析了0～ 20 GHz 內中引線尺寸、橫截面積、厚度、鍵合根數(shù)等對于電路射頻性能的影響規(guī)律，如圖1b 所示[11].

圖1 金帶引線鍵合微觀形貌及電磁性能仿真Fig. 1 Microstructure and electromagnetic performance simulation of bonded Au ribbon. (a) microstructure of bonded Au ribbon; (b) electromagnetic performance simulation of bonded Au ribbon with different thickness

1.2 熔化微連接

熔化微連接是電子工業(yè)界中一種重要的互連方式[12]，其應用十分廣泛，如醫(yī)療電子、微機電系統(tǒng)(micro electromechanical system，MEMS)器件封裝等.激光和電流是電子工業(yè)界應用最為廣泛的兩種能量源.程戰(zhàn)等人[13]使用波長為800 nm 的飛秒激光實現(xiàn)了石英玻璃與硅之間的連接，當激光脈沖聚焦于石英玻璃與硅的互連界面時，聚焦區(qū)域累積的能量會使得兩種材料局部熔化，并快速凝固形成接頭，且不會損傷非聚焦區(qū)域，如圖2 所示[13].此外，該團隊還采用激光實現(xiàn)了應用于植入醫(yī)療器件的Pt-Ir 絲與316 不銹鋼絲之間的互連，發(fā)現(xiàn)隨著激光脈沖功率的增加，界面結合機理逐漸從固相連接轉變?yōu)槿刍竅14-15].

圖2 激光焊連接玻璃和硅微觀形貌[13]Fig. 2 Microstructure of bonded glass and silicon by laser joining

與激光微連接相比，電阻微連接操作更加簡便、效率更高，成本更加低廉.電阻微連接主要利用電流流經工件接觸面及鄰近區(qū)域時產生電阻熱將被焊件不同部位的金屬熔化形成熔化連接(熔核)或固相連接.陳偉彥等人[16]對太陽能電池平行間隙電阻焊的互連工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)域的溫度受焊接電壓的影響最大.Zhang 等人[17-18]和Wang 等人[19]對細絲與薄膜之間的微電阻焊展開了較為系統(tǒng)深入的研究，利用平行間隙電阻焊實現(xiàn)了銅絲與鍍金銅焊盤、AuNi9 絲與金焊盤、鋁絲與鍍金銅焊盤之間的互連(圖3[19])，并深入揭示了鋁線與鍍金銅焊盤之間的界面金屬間化合物形成及演變，發(fā)現(xiàn)了銅側及金側界面存在馬氏體相變，馬氏體的顯微結構為微孿晶，成分為γ 相.

圖3 微電阻連接鋁絲與鍍金銅焊盤微觀形貌[19]Fig. 3 Microstructure of bonded Al wire with gold plated copper pad by micro-resistance welding

1.3 軟釬焊

軟釬焊是指連接溫度位于450 ℃以下的釬焊連接技術，是電子工業(yè)界重要的連接技術之一，在器件內部的可控塌陷芯片連接(controlled collapse chip connect，C4)和芯片連接(chip connect，C2)封裝及器件與PCB 板的組裝工藝中應用尤為顯著.錫鉛共晶釬料基釬料具有熔點低、力學性能優(yōu)異、潤濕性好、成本低廉等諸多優(yōu)勢，是應用最廣的軟釬焊材料[20].然而，由于Pb 元素帶來的污染問題，軟釬料逐漸向無鉛化的方向發(fā)展.多種合金元素也被添加到錫基釬料改善性能，如Ag，Cu，Bi 等元素，其中以Sn-3.0Ag-0.5Cu 的應用最為廣泛[21].插裝器件的組裝多采用波峰焊的方式，通過泵將熔融釬料噴成所需波峰，釬料在毛細作用下會滲入到引腳與焊盤之間實現(xiàn)連接.再流焊多應用于表面組裝器件的封裝及器件內部C4，C2 互連，利用加熱實現(xiàn)預制釬料層的重熔實現(xiàn)連接.

除了以熱源作為能量源實現(xiàn)軟釬焊互連，激光、電流軟釬焊技術也相繼被研究.Tian 等人[22-23]在激光軟釬焊技術開展了一系列的研究，開發(fā)了應用于硬盤磁頭及MEMS 三維微結構的激光植球自組裝技術及裝備，尺寸范圍100～ 1 000 μm 的釬料凸點的植球鍵合，該方法避免了整體加熱方式造成內部芯片溫升過高以及封裝器件變形過大而導致后期組裝和服役過程中的失效.在此研究基礎上，開發(fā)了超細錫球激光鍵合技術制備微磁頭焊點，實現(xiàn)磁頭傳感器與基板的連接.

界面金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)對于互連焊點的性能具有重要影響，全IMC焊點有望改善熱失配、提高電遷移可靠性，并且高的熔點有利于在高溫環(huán)境下的應用.Yao 等人[24]發(fā)現(xiàn)在260 ℃下加熱5 h 后，獲得了全Cu3Sn IMC焊點.然而，單純依賴加熱獲得全IMC 焊點往往時間較長，研究者們嘗試通過外加輔助能場的方式加快IMC 形成速率.Li 等人[25]利用超聲加速原子擴散實現(xiàn)了全IMC 焊點的快速制備，成功將全IMC焊點的形成時間由小時級縮減至秒級，在常溫下實現(xiàn)了以Sn 為中間層的Ti/Ni/Cu 金屬化的硅晶圓鍵合.Feng 等人[26]和Liu 等人[27-28]基于電流焦耳熱效應和電子風力促進金屬原子固液互擴散的原理，利用電流載荷的輔助作用在毫秒量級便獲得了沿[100]晶向定向生長的全Cu3Sn 焊點，如圖4所示[27]，并進一步通過量子力學及投影面原子密度發(fā)現(xiàn)[100]方向為電阻較小路徑，實現(xiàn)了力學性能的提升.

圖4 電流輔助全IMC 焊點的微觀形貌[27]Fig. 4 Microstructure of full-IMC solder joint assisted by electric current

1.4 納米焊膏燒結連接

以SiC，GaN 為代表的第三代半導體器件具有高禁帶寬度、高擊穿電壓、高熱導率等優(yōu)良特性，在航空航天、汽車電子、電力機車、石油勘探等領域的應用日趨廣泛.相較于傳統(tǒng)硅基器件，第三代半導體器件的服役環(huán)境更為苛刻，面臨著高溫(＞300 ℃)、大溫變(-100～ 600 ℃)，對互連界面材料也提出了更高的要求.納米焊膏可以在低溫下連接，燒結后形成塊體可以在高溫下服役，并且具有良好的導電、導熱性能，吸引了越來越多的關注.目前，針對于納米焊膏的研究多圍繞于新材料和新工藝的開發(fā)兩個方向展開.

納米銀顆粒是目前發(fā)展最為成熟、研究最為深入的納米焊膏材料，其制備工藝成熟，且導電、導熱性能優(yōu)異.20 世紀80 年代，Schwarzbauer 等人[29]采用一種基于擴散焊的低溫連接技術成功在240 ℃對納米銀焊膏下進行燒結形成互連接頭.但銀易發(fā)生電遷移引發(fā)短路失效，影響可靠性，且成本也較為昂貴.銅具有與銀相當?shù)膶щ?、導熱性能，且成本低廉，不會發(fā)生電遷移失效，同樣成為研究熱點，但銅極易發(fā)生氧化，提高燒結溫度并影響導電性能[30].Tian 等人[31]提出了Cu@Ag 核殼和Liu 等人[32]提出了Cu-Ag 合金結構的新型互連材料來兼顧優(yōu)點、克服缺點.該團隊將直徑小于10 nm 的銀納米顆粒包覆于均徑57.5 nm 的銅納米顆粒外層，可有效避免銅納米顆粒的氧化問題，且在相同條件下進行燒結，銅銀核殼納米焊膏燒結后的焊點具有更高的互連強度(圖5[31]).與核殼結構不同，Cu-Ag合金焊膏直接將銅元素引入到Ag 元素晶格內部，形成超飽和固溶體，兼顧銀的耐氧化和銅的抗電遷移性能，與銅基板互連強度可達117 MPa.為進一步降低成本，Zhong 等人[33]和Guo 等人[34]進一步開發(fā)了以低廉Cu，Sn 元素為主的IMC納米焊膏，如Cu6Sn5，Cu10Sn3等，在低溫燒結后可獲得高溫服役的全IMC 焊點.為改善銀納米焊膏的電遷移性能，Jia 等人[35]采用激光脈沖沉積的方式制備了Ag-Pd 合金納米焊膏，可以300 ℃下燒結，為高可靠功率電子的封裝帶來了新思路.

圖5 Cu/Cu@Ag 納米焊膏/Cu 三明治焊點抗剪強度[31]Fig. 5 Shear strength of sintered Cu/Cu@Ag nanopaste/Cu sandwich joint

目前，納米焊膏的燒結工藝集中于無壓燒結工藝的開發(fā).付善燦[36]在納米銀的無壓燒結開展了深入的研究，通過焊膏鋼網(wǎng)印刷十字架形狀的方式替代傳統(tǒng)方形印刷的方式加速氣泡的排除，以緩解大面積燒結鐘的孔洞問題.Zhang 等人[37]通過優(yōu)化納米顆粒形貌，以銀納米片為主要原料配置納米焊膏，在250 ℃下無壓燒結，燒結強度可達40 MPa.外加輔助能場可以降低燒結溫度、壓力減小燒結時間.黃圓等人[38]采用脈沖電流輔助燒結銅銀核殼納米焊膏，可在超短時間(低于200 ms)實現(xiàn)超高強度(80 MPa)的互連.Ji 等人[39]還發(fā)現(xiàn)超聲振動對納米焊膏的冶金具有顯著的影響，當利用超聲燒結Cu@Ag 焊膏時，可促進銅芯的接觸和生長及銀殼的剝離和互連，燒結溫度可下降至160 ℃.Liu 等人[40]對納米銀燒結接頭在–50～ 250 ℃的溫度區(qū)間內進行了溫度循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)僅經過1 000 次循環(huán)后，強度降低為原來的一半.

1.5 導電膠連接

導電膠是一種固化后具有一定導電、導熱、力學性能的膠黏劑，是彌補傳統(tǒng)釬料一種新型環(huán)保互連材料，與傳統(tǒng)釬料比，它具有以下幾個顯著優(yōu)點：①不含有鉛等有毒金屬，更加綠色環(huán)保；②焊前、焊后無需清洗，無需助焊劑，工藝更加便捷；③固化溫度低，甚至可以在室溫下互連；④質量輕、密度小，更加適用于輕質化的電子產品發(fā)展需求.導電膠通?？梢苑譃楦飨蛲詫щ娔z和各向異性導電膠兩種.二者均由樹脂基材和導電填料組成，但導電填料的組成含量有所差別，各向同性導電膠導電填料含量大約在20%～ 40%，而各向異性導電膠導電填料含量(5%～10%)則通常較低.

Liu 等人[41]采用納米銀顆粒與微米片復合的各向同性導電膠，結果發(fā)現(xiàn)，當加載比為88%時，銀納米顆粒的添加對導電膠的電導率和熱傳導率有積極影響，這可能是由于納米顆粒填充了銀片之間的間隙.Wen 等人[42]通過在銀基導電膠內摻雜聚苯胺共軛導電高分子納米顆粒的方式突破了銀基導電膠高成本與高導電之間的矛盾，研究發(fā)現(xiàn)，僅添加微量的聚苯胺導電高分子材料后，導電性能可以提升至13 倍以上，實現(xiàn)了低銀含量的高導電膠制備，顯著降低了成本，且該導電膠可在室溫下固化，實現(xiàn)銅基板的牢固粘接(圖6[42])，抗剪強度達11 MPa，這一技術成果將有助于低成本、高導電銀膠的大規(guī)模工業(yè)化應用，值得一提的是，該團隊還將這一導電膠作為導電墨水應用于柔性電路的制備.Cao 等人[43]采用聚噻吩共軛導電高分子納米顆粒摻雜于導電銀膠內部，同樣發(fā)現(xiàn)了導電性能的顯著提升.

圖6 聚苯胺改性的各向同性導電膠連接Cu-Cu 焊盤的微觀結構[42]Fig. 6 Microstructure of Cu-Cu pad joined by polyaniline modified isotropic conductive adhesive

各向異性導電膠在垂直方向導電、水平方向絕緣，主要應用于顯示器的封裝.聚合物/金屬導電復合微球具有聚合物核層和金屬殼層，可以兼具聚合物微球的圓度、粒徑均勻度、彈性以及金屬的導電性，是目前各向異性導電膠最為主流的應用結構.馬躍輝[44]通過分散聚合法制備了微米級別的單分散聚苯乙烯微球，并在采用化學鍍法在其表面曝光了導電鎳、銅、銀層，以環(huán)氧樹脂為高分子基底，具備良好的導電性能和粘接性能.王正家[45]和陳顯才[46]對各向異性導電膠的互連工藝進行了深入的研究，結果發(fā)現(xiàn)，較小的固化壓力和溫度、低彈性模量的導電膠以及柔性基板有利于各向異性導電膠互連的機械可靠性；適度提高壓力可獲得良好的力學與電氣綜合性能，并發(fā)現(xiàn)互連接點電阻與鍵合壓力滿足冪函數(shù)關系[45-46].液態(tài)金屬是一種性能優(yōu)異的各向異性導電膠材料，Bo 等人[47]以不同直徑的具有核殼結構的液態(tài)金屬Ga-In-Sn 制備了具有各向異性的導電膠.

1.6 表面活化鍵合

表面活化鍵合是指經過拋光的兩種光滑、平整的表面在分子間作用力或化學鍵的作用下實現(xiàn)晶圓表面之間連接的過程，是半導體芯片制造與集成過程中不可替代的重要技術.常規(guī)的半導體晶圓鍵合方法(如濕法表面處理)由于退火溫度高，熱擴散和熱應力難控制，無法滿足電子/光學等多元器件異質集成的要求.相比濕法表面處理，等離子體活化鍵合利用O2，N2，Ar 等多種氣體電離的等離子體對材料表面進行照射，能夠簡單高效地實現(xiàn)對材料表面的活化，大幅降低鍵合溫度 (200～ 400 ℃)，是一種極具潛力的低溫鍵合候選方案.然而，由于半導體、陶瓷、金屬材料表面理化性質均不同，目前采用單一的等離子體難以在異種材料表面形成多種類、高密度的活性官能團，逐步限制了該方法的進一步應用.

為了克服單一等離子體活化對晶圓鍵合的局限性，Wang 等人[48]提出了一系列二元協(xié)同等離子體活化法并取得一定進展.在等離子體放電氣氛中通入少量水蒸氣，利用水蒸氣輔助等離子體調控晶圓表面懸掛官能團(-OH)密度和吸附的水分子層，研制出水蒸氣輔助等離子體活化系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)室溫條件下無需加熱即能達到足夠高的鍵合強度，從根本上解決了鍵合過程中因高溫帶來的一系列問題.該方法成功應用于硅基 (Si，SiO2和石英) 材料之間的室溫鍵合[48].對材料表面微觀形貌及官能團進行表征分析，建立了分子/宏觀尺度的鍵合模型，闡明了室溫及低溫鍵合機理.基于該原理，該團隊進一步研制出水蒸氣輔助表面活化鍵合工藝和設備，將該鍵合方法用于多功能微納流控芯片開發(fā)與制造，獲得了異質材料室溫/低溫鍵合的基礎理論及數(shù)據(jù)，為下一代晶圓級三維異質集成奠定理論基礎和技術支撐.

1.7 新興納米連接

近年來，隨著柔性電子技術的不斷發(fā)展，柔性器件的封裝對互連技術也帶來的新的挑戰(zhàn).與傳統(tǒng)剛性基底上的互連相比，柔性電子中的互連有以下兩點主要區(qū)別：①柔性基底材料多為高分子材料，難以承受高溫；②柔性電子產品的制造過程中涉及大量納米材料，需要更加精準的控制.為應對這些需求，需要開發(fā)兼容于柔性電子制造的低溫、高精度互連方法[49].

盡管與塊體材料相比，納米材料的熔點顯著降低，但是其燒結溫度一般仍位于150 ℃以上，這一溫度仍易對柔性基底造成損傷，如柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)基底便會發(fā)生不可逆轉變形.激光、電阻熱具有更加集中的能量密度和加熱區(qū)域更加適用于納米級別互連，Lin 等人[50]采用激光實現(xiàn)了銀納米線之間的互連.然而直接的能量輸入實現(xiàn)連接，需要進行精準的控制，避免對周圍區(qū)域帶來損傷，因此眾多研究者們致力于開發(fā)一些無需能量直接輸入的溫和互連方法.Zhang 等人[51]開發(fā)了一種電沉積互連方法，利用電流驅動溶液中的金屬離子還原沉積于銀、銅納米線界面位置，作為橋梁實現(xiàn)了納米線網(wǎng)絡的大面積互連.Huang 等人[52]還利用銀納米線納米間隙的毛細作用，選擇性吸附硝酸銀前驅體及抗壞血酸還原劑實現(xiàn)了納米銀線網(wǎng)絡的自限制釬焊，為柔性電子器件中高性能透明電極室溫、大面積互連帶來了可能(圖7[52]).

圖7 自限制納米釬焊連接銀納米線[52]Fig. 7 Joining of silver nanowires by self-limited nanosoldering

除了可以采用液相還原的納米銀釬料實現(xiàn)銀納米線之間的連接以外，還可以通過外加一些二維材料作為釬料實現(xiàn)連接.Ding 等人[53]通過氧化石墨烯成功實現(xiàn)了通納米線網(wǎng)絡之間的連接，將柔性透明導電薄膜的方阻由25 000 Ω/sq 降低至351 Ω/sq.Ding 等人[53]還進一步采用分子動力學仿真了添加氧化石墨烯之后銀納米線網(wǎng)絡的連接行為，如圖8 所示[53]，發(fā)現(xiàn)外加的氧化石墨烯可以為納米線之間提供一個作用力，實現(xiàn)納米線之間的緊密接觸，從而改善導電性能.

圖8 添加氧化石墨烯前后的仿真[53]Fig. 8 Simulation before and after adding graphene oxide

2 軟釬焊焊點失效行為

焊點是電子設備中最為薄弱的環(huán)節(jié)，對焊點在服役過程中的失效行為進行分析非常必要.在嚴重的熱、電、力載荷下，焊點可能會因拉伸、元素擴散、疲勞和蠕變等產生失效，尤其以軟釬焊為代表.

2.1 熱載荷失效

熱載荷根據(jù)溫度及升降溫速率分為熱老化、熱循環(huán)、熱沖擊.一般認為，在熱老化過程中焊點內形成適量的IMC 可通過晶粒細化和沉淀強化機理改善焊點力學性能.然而，IMC 的脆性和易蠕變性又使其在服役過程中更易損傷.在焊點老化過程中，IMC 厚度與老化時間的平方根成正比，老化溫度越高，生長速率越快.在IMC 生長過程中，由于不同元素原子擴散速率的差異，會在焊點界面處形成Kirkendall 孔洞.與熱老化過程相比，交變溫度場(熱循環(huán)和熱沖擊)對焊點的損傷更大，在材料熱失配的作用下會產生出各種缺陷.Gao 等人[54]對SAC/Fe-Ni 焊點的熱循環(huán)過程的失效行為進行了觀察，發(fā)現(xiàn)隨熱膨脹系數(shù)失配程度增加，焊點依次會發(fā)生再結晶、塑性變形及裂紋萌生擴展.Mattila 等人[55]發(fā)現(xiàn)隨著熱循環(huán)載荷的逐漸嚴苛，裂紋逐漸從沿晶斷裂向穿晶斷裂發(fā)展.在深空探測中，航天電子產品不可避免會承受極端的高低溫嚴酷環(huán)境，常規(guī)溫度范圍(-55～ 125 ℃)的研究已經難以滿足需求.Ji 等人[56]和Tian 等人[57]自主搭建了低溫原位拉伸試驗臺，對錫基釬料在極端溫度環(huán)境下(-196～150 ℃)焊點失效行為進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的下降，焊點斷裂行為將會發(fā)生韌脆轉變，力學性能下降.當在低溫下進行長時間存儲時，在應力梯度驅動下，界面處IMC 生長，且隨貯存溫度下降，生長速率將加快，如圖9 所示[57].

圖9 不同溫度下貯存不同時間IMC 厚度變化[57]Fig. 9 Variation of IMC thickness after storing at different time at different temperature

2.2 電載荷失效

隨著電子產品逐漸小型化、高功率化，焊點所承受的電流密度也日益增加，引發(fā)電流擁擠效應，使得在電子入口處形成指狀空洞，并沿著焊點界面擴展，造成失效.同時，由于焦耳熱的存在，熱遷移也往往伴隨電遷移同時存在，Chen 等人[58]對無鉛的倒裝鍵合互連焊點進行有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)在焊盤與焊球的接觸位置溫度最高，與焊點內部的溫差足以引起熱遷移失效.Chang 等人[59]利用3D 同步X 射線層析掃描成像技術完整觀測了電遷移作用下焊點電流擁擠區(qū)域空洞群萌生和增長情況，如圖10 所示[59].結果表明，在電流集中區(qū)域的各個位置，空洞會隨機的萌生長大，并逐漸形成空洞群，進而影響焊點的力學可靠性.Liu 等人[60]對具有非對稱幾何形狀球柵陣列(ball grid array,BGA)焊點的電遷移退化行為進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，在電流應力作用下，由于焊點中電流密度和溫度分布不均勻使得具有不同微觀結構的富鉛相在陽極聚集，從而導致最終的開路失效.

圖10 焊點電遷移失效行為[59]Fig. 10 Failure behavior of solder joints under electromigration

2.3 機械載荷失效

與熱載荷和點載荷不同，機械載荷是一種力學載荷，通過應力施加可直接促使裂紋的萌生和擴展，Luan 等人[61]通過高速攝像研究了PCB 板級焊點在跌落沖擊過程中的循環(huán)彎曲試驗，結果發(fā)現(xiàn)，反復彎曲引起的拉、壓應力交替作用是導致焊點產生裂紋直至失效的主要原因.后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，正剝離應力是焊點失效的主要原因，焊點裂紋將在IMC 與焊盤界面處產生及擴展.隨后，Marjamaki等人[62]對跌落測試和沖擊測試兩種載荷特征的差異進行了深入的研究，結果發(fā)現(xiàn)，簡諧振動會致使焊點失效模式由IMC 層失效轉變?yōu)轶w釬料失效，而跌落沖擊導致焊點內部存在“應力松弛”的作用，導致焊點承受高強度應力.Liu 等人[63]在對無鉛的BGA 焊點的隨機振動載荷研究中發(fā)現(xiàn)隨著振動功率譜密度的增加，失效模式會由焊點體釬料疲勞斷裂轉變?yōu)榻缑鍵MC 的脆性斷裂，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征.李躍等人[64]對PCB 板級封裝焊點的不同裝卡可靠性進行了仿真分析，整個仿真模型涉及BGA、柵格陣列、四方扁平封裝等12 種類型、104 個器件，器件尺度橫跨微米到厘米，發(fā)現(xiàn)當不同位置螺絲松動會導致固有頻率發(fā)生改變，易引發(fā)共振，導致焊點承受應力增大，如圖11 所示[64].

圖11 機械固定對應力分布的影響[64]Fig. 11 Effect of fixation on stress distribution

2.4 多物理場耦合失效

小型化趨勢下焊點服役環(huán)境愈加苛刻，有時候很難區(qū)分主要環(huán)境應力和次要環(huán)境應力，因此多物理場耦合可靠性研究也是近年來焊點可靠性的研究熱點之一.器件在服役過程中會經歷溫度變化，并且電載荷同樣會產生熱量，加之兩者在失效機理方面有類似之處，所以熱—電耦合是最多被研究的.當熱載荷和電載荷同時存在時，二者方向相同，會加速IMC 的形成，而當方向相反時會互相削弱.Feng 等人[65]和Ye 等人[66]對Sn-Bi，Pb-Sn 焊點進行研究，均觀察到了這一現(xiàn)象.此外，焊點的尺寸對于多物理場耦合作用下焊點的失效行為同樣具有顯著的影響，李望云[67]進行了深入研究發(fā)現(xiàn)，在電—熱—力耦合載荷下，隨焊點尺寸下降，焊點的等效彈性模量和抗拉強度將逐漸上升.而當焊點的服役環(huán)境面臨極端情況時，熱-電耦合載荷的影響也將更為嚴峻，李勝利等人[68]發(fā)現(xiàn)在極端低溫熱沖擊和電流密度雙場耦合條件下，疲勞裂紋在焊點拐角處萌生并貫穿焊點.

3 結束語

近年來，國內外微納連接科技人員在連接新材料、新工藝、新方法及失效行為、可靠性等領域展開了大量廣泛深入的研究.結合在電子封裝微納連接領域的研究基礎，對目前電子封裝中的微連接工藝、軟釬焊焊點的失效行為相關的研究現(xiàn)狀進行了如下總結.

(1) 總結了電子封裝中引線鍵合技術、熔化微連接、軟釬焊、納米焊膏燒結、導電膠粘接、表面活化鍵合及新興的納米連接技術等具有代表性的微納方法，并指出隨著微電子產品逐漸朝向小型化、多功能化的方向發(fā)展，微納連接技術的尺寸也在日益縮減.

(2) 綜述了電子封裝中軟釬焊微焊點在不同服役載荷(熱載荷、電載荷、機械載荷及多場耦合)下的失效行為.隨著電子產品的服役環(huán)境愈加苛刻，軟釬焊焊點面臨的載荷也更加復雜，逐漸從單一載荷失效向熱—電—力多物理場耦合轉變，失效行為更加復雜.

(3) 開發(fā)新型綠色高可靠的新材料和智能高效的新技術是未來微納連接領域的研究重點，盡管研究者們已經開發(fā)出了無鉛釬料、納米焊膏等新型互連材料，但在使用過程中仍需添加釬劑、分散劑等有機輔助材料，引發(fā)環(huán)保問題.

(4) 軟釬焊焊點的失效行為研究需發(fā)展新的研究體系.基于人工智能及大數(shù)據(jù)、機器學習建立互連焊點的工藝—失效行為—壽命預測評價體系，并對電子產品乃至系統(tǒng)服役壽命進行準確預測對未來高可靠電子產品的研發(fā)及應用具有重要意義.