《工程科学学报》：62Sn36Pb2Ag组装焊点长期贮存界面化合物生长动力学及寿命预测

《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.11.14.002©北京科技大学2020 工程科学学报DO: 62S36Pb2Ag组装焊点长期贮存界面化合物生长 动力学及寿命预测 张贺)，冯佳运，丛森2)，王尚)，安荣)，吴朗火 艳红) 1)哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨1500012)中国工程物理研究院电予工 所，绵阳621900 ☒通信作者，E-mail:tianyh@hit.edu..cn 摘要锡基合金焊接接头是电子产品不可或缺的关键部位，是实现电子元器件能化的基础，电子整机失效往往由 于焊点的损伤所导致，焊点的寿命预测对电子产品的可靠性研究具有重要意义。金属间化合物(MC)厚度是衡量 焊点质量的重要参数，本文以IMC层厚度为关键性能退化参数，以62Sn6Pb2Ag组装的QFP器件焊点为研究对象， 采用对在94℃，120℃和150℃三种温度贮存不同时间后的微观形貌进行观察，测量了IMC层的厚度，基于阿伦 尼乌斯方程建立了双侧界面金属间化合物生长动力学模型。并以其作为关键性能退化函数，通过对初始MC厚度进 行正态分布拟合获得失效密度函数，进而获得可靠度函数对焊点的长期贮存失效寿命进行了预测。本研究结果有望 对长期贮存焊点的寿命预测方式提供新的思路，为O2S36Pb2Ag钎料的可靠应用提供试验和数据支撑。 关键词62Sn36Pb2Ag:QFP器件：金属间化合物：软纤焊，长期贮存：寿命预测 分类号TB383.1 Long-term StorageLife Prediction and Growth Kinetics of Intermetallic Compounds in 62Sn36Pb2Ag solder joints ZHANG He,FENG Ji yun CONG Sen2,WANG Shang,AN Rong,WU Lang,TIAN Yan-hong 1)State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China 2)Institute of Electronic Engmneering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China Corresponding author E-mail:tianyh@hit.edu.cn ABSTRACT Tin-based alloy solder joints are indispensable key part of electronic products and the basis of realizing the functionalization of electronic components.The failure of electronic product is often caused by solder joint damage.Life prediction of the solder joint is of great significance for the reliability research of electronic products.Intermetallic compound (IMC)thickness is an important parameter to evaluate the quality of solder joints.In this paper,the thickness of IMC layer is taken as the key performance degradation parameter,and the assembly solder joints of 62Sn36Pb2Ag QFP device are taken as the research object.After reflowing process,CuSns and CuSn IMC phases were observed at the copper lead side,and (Cu Ni.x)Sns phase was observed at the PCB side.The evolution of interfacial microstructures was observed by scanning 败高日期2021-11-14 演自：黑龙江省“头雁”团队经费资助

工程科学学报 DOI: 62Sn36Pb2Ag 组装焊点长期贮存界面化合物生长 动力学及寿命预测1 张 贺 1)，冯佳运 1)，丛 森 2)，王 尚 1)，安 荣 1)，吴 朗 1)，田艳红 1) 1) 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001 2) 中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900  通信作者，E-mail:tianyh@hit.edu.cn 摘 要 锡基合金焊接接头是电子产品不可或缺的关键部位，是实现电子元器件功能化的基础，电子整机失效往往由 于焊点的损伤所导致，焊点的寿命预测对电子产品的可靠性研究具有重要意义。金属间化合物（ IMC）厚度是衡量 焊点质量的重要参数，本文以 IMC 层厚度为关键性能退化参数，以 62Sn36Pb2Ag 组装的 QFP 器件焊点为研究对象， 采用对在 94 °C , 120 °C 和 150 °C 三种温度贮存不同时间后的微观形貌进行观察，测量了 IMC 层的厚度，基于阿伦 尼乌斯方程建立了双侧界面金属间化合物生长动力学模型。并以其作为关键性能退化函数，通过对初始 IMC 厚度进 行正态分布拟合获得失效密度函数，进而获得可靠度函数对焊点的长期贮存失效寿命进行了预测。本研究结果有望 对长期贮存焊点的寿命预测方式提供新的思路，为 62Sn36Pb2Ag 钎料的可靠应用提供试验和数据支撑。 关键词 62Sn36Pb2Ag；QFP 器件；金属间化合物；软钎焊；长期贮存；寿命预测 分类号 TB383.1 Long-term Storage Life Prediction and Growth Kinetics of Intermetallic Compounds in 62Sn36Pb2Ag solder joints ZHANG He1) , FENG Jia-yun1) , CONG Sen2) , WANG Shang1) , AN Rong1) , WU Lang1) , TIAN Yan-hong1)  1) State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 2) Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China  Corresponding author, E-mail: tianyh@hit.edu.cn ABSTRACT Tin-based alloy solder joints are indispensable key part of electronic products and the basis of realizing the functionalization of electronic components. The failure of electronic product is often caused by solder joint damage. Life prediction of the solder joint is of great significance for the reliability research of electronic products. Intermetallic compound (IMC) thickness is an important parameter to evaluate the quality of solder joints. In this paper, the thickness of IMC layer is taken as the key performance degradation parameter, and the assembly solder joints of 62Sn36Pb2Ag QFP device are taken as the research object. After reflowing process, Cu6Sn5 and Cu3Sn IMC phases were observed at the copper lead side, and (CuxNi1-x)6Sn5 phase was observed at the PCB side. The evolution of interfacial microstructures was observed by scanning 1收稿日期:2021-11-14 基金项目: 黑龙江省“头雁”团队经费资助 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.11.14.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

electron microscope(SEM).The thickness of IMC layer after storage at 94C,120C and 150C for different time(1 day,4 day.9 day,16 day,25 day,36 day,49 day)was monitored.The growth process of IMC is controlled by diffusion.As the storage time increased,the thickness of the IMC layer gradually increased.The growth rate of IMC layer increases with the increase of storage temperature,because the higher diffusion coefficient.Based on Arrhenius equation,the growth kinetics model of IMC with bilateral interface is established.The failure density function is obtained by fitting the initial IMC thickness with normal distribution,and then the reliability function is obtained to predict the long-term storage failure life of QFP assembly solder joints.Finally,we calculate the median life and characteristic life of QFP assembly solder joints,which are 16092 years and 17471 years,respectively.These results are expected to provide a new way to predict the life of solder joints stored for a long time,and provide experimental and data support for the reliable application of 62Sn36Pb2Ag solder KEY WORDS 62Sn36Pb2Ag:QFP device:Intermetallic compounds;Soldering:Long-term Storage:Life prediction 电子器件的封装互连结构中广泛存在着大量的锡基合金焊点，如芯片基板，集板-印制电路板 (PCB)之间的相互连接，这些互连接头是连接电子产品各部件、实现电器件功能化复杂化的 关键部位。尽管在2006年7月欧盟颁布实施的《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指 令》中禁止了含铅钎料在消费电子领域中的应用，但在航空航天、医疗健康等一些高可靠需求的领域， 含铅钎料仍然不可取代7。S63Pb37共晶钎料是最为常用的一种含铅钎料它在金、银、铜、镍等基 板表面均具有优异的润湿性能，但是其剪切强度较低、抗腐蚀性能差。为解决以上问题，目前业界 多采用62S36Pb2Ag作为互连材料，这种接近饱和状态(Ag在Sn-Pb共晶钎料中的溶解度约3%)的 银含量可以有效抑制了界面附近脆性AgSn相富集，提高耐蚀性能，弥散分布的AgSn相可以对接 头强化，提高焊点的力学性能网：并且银元素的添加还可以使熔点下降，降低回流温度， 62S36Pb2Ag的熔点仅为178C。然而，目前关予62S36P%2Ag钎料互连接头可靠性的研究仍然十 分有限。 在电子产品的整机故障中，近50%是由焊点的失效引起。大量的研究指出互连接头性能的衰 退往往与互连界面的金属间化合物(IMC)演变行为息息相关，过厚的金属间化合物(MC)会使 得连接不够可靠，诱导裂纹及缺陷的形成导致失效，。即使在不施加外部载荷的长期贮存过程中， 焊点也会因为内部界面金属间化合物的生长及演变而发生失效。因此，焊点的长期贮存失效寿命预 测是电子产品可靠性分析的重要组成部分。众多的研究者对铜与锡基钎料之间的界面反应及焊点强 度等行为进行了深入的研究。犬连理上大学赵宁等人用准原位的方式成功建立了温度梯度下B-S晶 粒取向与MC生长的关系必南昌大学胡小武等人发现Ni改进的多壁碳纳米管(MWCNTs)以及 Cu改进的石墨烯可以抑制SAC③05/Cu界面处MC的生长，提高焊点强度s,16。上海工程技术大学 陈捷狮等人发现在纯Sn纤料中糁杂少量的Ni元素便可以抑制NiSn的生长，改善微焊点性能)。 有限元仿真高以避免复杂昂贵的可靠性试验，成本低廉，是目前应用最为广泛的焊点寿命 预测方式之一2-《例如，Jin等人利用有限元仿真和修正的Coffin-Manson寿命预测方程对LGA 焊点的热疲旁命进行了预测四。在我们之前的研究中，基于ANSYS软件对PCB组装板级多器件 跨尺度焊点的疲寿命进行了有限元计算)。尽管学术界和产业界的研究者们提出了各种各样的焊 点寿命预测模型，这种方式的预测精度仍然有限，往往为实际寿命的2~3倍。焊点材料的非线性 性能变化规律、形状、结构均会对失效寿命带来影响，这些参数难以完全在有限元中模拟。因此，这 种方式的寿命预测精度难以取代试验。 焊点的失效主要是由于硬脆的金属间化合物层的过度积累导致缺陷的萌生与扩展s,2,因此可 以选取MC层厚度作为关键性能退化参数对焊点寿命进行预测。然而，室温贮存试验时间往往需要 持续20年以上，如此长的试验周期势必会带来昂贵的时间及经济成本。有界面MC生长行为主要 由扩散过程控制，因此可以采用提高贮存温度的方式加快其生长速率，从而加速贮存可靠性试验的 进程，进而实现快速、准确的焊点失效寿命预测阿

electron microscope (SEM). The thickness of IMC layer after storage at 94 °C, 120 °C and 150 °C for different time (1 day, 4 day, 9 day, 16 day, 25 day, 36 day, 49 day) was monitored. The growth process of IMC is controlled by diffusion. As the storage time increased, the thickness of the IMC layer gradually increased. The growth rate of IMC layer increases with the increase of storage temperature, because the higher diffusion coefficient. Based on Arrhenius equation, the growth kinetics model of IMC with bilateral interface is established. The failure density function is obtained by fitting the initial IMC thickness with normal distribution, and then the reliability function is obtained to predict the long-term storage failure life of QFP assembly solder joints. Finally, we calculate the median life and characteristic life of QFP assembly solder joints, which are 16092 years and 17471 years, respectively. These results are expected to provide a new way to predict the life of solder joints stored for a long time, and provide experimental and data support for the reliable application of 62Sn36Pb2Ag solder. KEY WORDS 62Sn36Pb2Ag; QFP device; Intermetallic compounds; Soldering; Long-term Storage; Life prediction 电子器件的封装互连结构中广泛存在着大量的锡基合金焊点，如芯片-基板，基板-印制电路板 （PCB）之间的相互连接[1-6]，这些互连接头是连接电子产品各部件、实现电子器件功能化复杂化的 关键部位。尽管在 2006 年 7 月欧盟颁布实施的《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指 令》中禁止了含铅钎料在消费电子领域中的应用，但在航空航天、医疗健康等一些高可靠需求的领域， 含铅钎料仍然不可取代[7]。Sn63Pb37 共晶钎料是最为常用的一种含铅钎料，它在金、银、铜、镍等基 板表面均具有优异的润湿性能[8]，但是其剪切强度较低、抗腐蚀性能差。为解决以上问题，目前业界 多采用 62Sn36Pb2Ag 作为互连材料，这种接近饱和状态(Ag 在 Sn-Pb 共晶钎料中的溶解度约 3 %)的 银含量可以有效抑制了界面附近脆性 Ag3Sn 相富集，提高耐蚀性能，弥散分布的 Ag3Sn 相可以对接 头强化，提高焊点的力学性能 [9]；并且银元素的添加还可以使熔点下降，降低回流温度 ， 62Sn36Pb2Ag 的熔点仅为 178 °C。然而，目前关于 62Sn36Pb2Ag 钎料互连接头可靠性的研究仍然十 分有限。 在电子产品的整机故障中，近 50 %是由焊点的失效引起[10]。大量的研究指出互连接头性能的衰 退往往与互连界面的金属间化合物（IMC）演变行为息息相关，过厚的金属间化合物（IMC）会使 得连接不够可靠，诱导裂纹及缺陷的形成导致失效[11-13]。即使在不施加外部载荷的长期贮存过程中， 焊点也会因为内部界面金属间化合物的生长及演变而发生失效。因此，焊点的长期贮存失效寿命预 测是电子产品可靠性分析的重要组成部分。众多的研究者对铜与锡基钎料之间的界面反应及焊点强 度等行为进行了深入的研究。大连理工大学赵宁等人用准原位的方式成功建立了温度梯度下 β-Sn 晶 粒取向与 IMC 生长的关系[14]。南昌大学胡小武等人发现 Ni 改进的多壁碳纳米管（MWCNTs）以及 Cu 改进的石墨烯可以抑制 SAC305/Cu 界面处 IMC 的生长，提高焊点强度[15,16]。上海工程技术大学 陈捷狮等人发现在纯 Sn 钎料中掺杂少量的 Ni 元素便可以抑制 Ni3Sn4的生长，改善微焊点性能[17]。 有限元仿真分析可以避免复杂昂贵的可靠性试验，成本低廉，是目前应用最为广泛的焊点寿命 预测方式之一[9-12][18-21]。例如，Jin 等人利用有限元仿真和修正的 Coffin-Manson 寿命预测方程对 LGA 焊点的热疲劳寿命进行了预测[22]。在我们之前的研究中，基于 ANSYS 软件对 PCB 组装板级多器件 跨尺度焊点的疲劳寿命进行了有限元计算[23]。尽管学术界和产业界的研究者们提出了各种各样的焊 点寿命预测模型，这种方式的预测精度仍然有限，往往为实际寿命的 2~3 倍[24]。焊点材料的非线性 性能变化规律、形状、结构均会对失效寿命带来影响，这些参数难以完全在有限元中模拟。因此，这 种方式的寿命预测精度难以取代试验。 焊点的失效主要是由于硬脆的金属间化合物层的过度积累导致缺陷的萌生与扩展[25, 26]，因此可 以选取 IMC 层厚度作为关键性能退化参数对焊点寿命进行预测。然而，室温贮存试验时间往往需要 持续 20 年以上，如此长的试验周期势必会带来昂贵的时间及经济成本。有界面 IMC 生长行为主要 由扩散过程控制，因此可以采用提高贮存温度的方式加快其生长速率，从而加速贮存可靠性试验的 进程，进而实现快速、准确的焊点失效寿命预测[27]。 录用稿件，非最终出版稿

本文采用高温加速试验系统地研究了62S36Pb2Ag钎焊QFP器件焊点的双侧金属间化合物生 长动力学行为，基于阿伦尼乌斯方程建立了双侧金属间化合物生长动力学模型，并以其作为关键性 能退化函数，通过对初始金属间化合物厚度进行正态分布拟合获得失效密度函数，进而获得可靠度 函数，对焊点的失效寿命进行预测。 1试验材料与方法 首先采用再流焊的方式以62Sn36Pb2Ag为钎料将QFP器件组装于PCB板表面，QFP器件引线 为纯铜，PCB板表面焊盘为化学镍金焊盘。再流焊过程中峰值温度为210-220℃，峰值温度时间为 60-90s,冷却速率为60-70°Cmin。根据倒数等间距原则，分别在94C,120C和150C进行试验， 贮存时间分别设定为1天，4天，9天，16天，25天，36天，49天。样品经过打磨抛光后，再表面 喷镀一层薄薄的金层，采用扫描电子显微镜(SEM,Quanta2 O0FEG,FEI)焊点的微观形貌进行观 察，金属间化合物层厚度采用Photoshop软件进行测试。 2结果与分析 2.162Sn36Pb2Ag焊点初始微0组织分析 图1展示了经过再流焊之后的焊点的微观组织，QFP器件的铜引线与PCB板表面的化学镍金 焊盘界面连续，引线与焊料润湿良好，无孔洞、裂纹等明显组织缺陷，说明再流焊工艺参数合理。进 一步放大观察，如图1b所示，富Pb相均匀地分布于整个焊点，焊点组织细密均匀。图1c和1d分别 展示了Cu引线侧与PCB侧得界面微观组织。在Cu引线侧在Cu引线与钎料之间，除了观察到一 层扇贝状的CueSns层外，还观察的一层薄薄的CuSn层：V而在CB板侧仅观察到(Cu.Niix)sSns层， 且厚度远小于C引线侧，这也说明镍阻挡层有效的秘灯界面反应的进行程度。 (a) (b) Cu lead b-rich phase Sn-rich phase 62Sn36Pb2Ag Cu/Ni/Au pad 1mm 50 um (c) 10m ■1再流焊后焊点微观组织形貌(a)整体形貌，b)焊点位置放大，(c)Cu引线侧界面放大，(PCB侧界面放 大 Fig.1 Microstructure morphology of solder joint after reflow soldering:(a)The overall view;(b)enlarged image at the solder joint:(c)enlarged image at the interface between Cu and Solder:(d)enlarged image at the interface between Cu/Ni/Au and Solder

本文采用高温加速试验系统地研究了 62Sn36Pb2Ag 钎焊 QFP 器件焊点的双侧金属间化合物生 长动力学行为，基于阿伦尼乌斯方程建立了双侧金属间化合物生长动力学模型，并以其作为关键性 能退化函数，通过对初始金属间化合物厚度进行正态分布拟合获得失效密度函数，进而获得可靠度 函数，对焊点的失效寿命进行预测。 1 试验材料与方法 首先采用再流焊的方式以 62Sn36Pb2Ag 为钎料将 QFP 器件组装于 PCB 板表面，QFP 器件引线 为纯铜，PCB 板表面焊盘为化学镍金焊盘。再流焊过程中峰值温度为 210-220 °C，峰值温度时间为 60-90 s，冷却速率为 60-70 °C/min。根据倒数等间距原则，分别在 94 °C，120 °C 和 150 °C 进行试验， 贮存时间分别设定为 1 天，4 天，9 天，16 天，25 天，36 天，49 天。样品经过打磨抛光后，再表面 喷镀一层薄薄的金层，采用扫描电子显微镜（SEM，Quanta200FEG，FEI）焊点的微观形貌进行观 察，金属间化合物层厚度采用 Photoshop 软件进行测试。 2 结果与分析 2.1 62Sn36Pb2Ag 焊点初始微观组织分析 图 1 展示了经过再流焊之后的焊点的微观组织，QFP 器件的铜引线与 PCB 板表面的化学镍金 焊盘界面连续，引线与焊料润湿良好，无孔洞、裂纹等明显组织缺陷，说明再流焊工艺参数合理。进 一步放大观察，如图 1b 所示，富 Pb 相均匀地分布于整个焊点，焊点组织细密均匀。图 1c 和 1d 分别 展示了 Cu 引线侧与 PCB 侧得界面微观组织。在 Cu 引线侧，在 Cu 引线与钎料之间，除了观察到一 层扇贝状的 Cu6Sn5层外，还观察的一层薄薄的 Cu3Sn 层；而在 PCB 板侧仅观察到(CuxNi1-x)6Sn5层， 且厚度远小于 Cu 引线侧，这也说明镍阻挡层有效的控制了界面反应的进行程度。 图 1 再流焊后焊点微观组织形貌. (a) 整体形貌; (b) 焊点位置放大; (c) Cu 引线侧界面放大; (d) PCB 侧界面放 大 Fig.1 Microstructure morphology of solder joint after reflow soldering: (a) The overall view; (b) enlarged image at the solder joint; (c) enlarged image at the interface between Cu and Solder; (d) enlarged image at the interface between Cu/Ni/Au and Solder. 录用稿件，非最终出版稿

2.262S36Pb2Ag棵点界面金属间化合物生长动力学 如上文所示，QFP焊点Cu引线侧和PCB侧出现了不同种类的IMC,Cu引线侧主要为CuSn5 及CuSn;PCB侧，由于镍元素的扩散，形成了(CuNi1-x)Sn5金属间化合物。图2和图3分别展示了 在不同贮存温度和贮存时间下Cū引线侧和PCB侧在贮存过程中，两侧的金属间化合物的生长行为。 对于Cu引线一侧，由于没有镍阻挡层的存在，Cu引线和钎料中Sn元素直接接触反应，MC的厚 度增长高于PCB侧，在150C下贮存49天时，Cu引线侧的IMC厚度接近12m,而在PCB侧， 在整个贮存期间，MC层厚度都保持在较小范围。 4day 9 day 16day 25 day 36day 49 day 94C 120°C 150°C 圆2不同贮存温度及贮存何下Cu引线侧界面微观组织 Fig.2 The microstructure at Cu lead side interface after storing at different temperature for different time. 4 day 9 day 16 day 25 day 36 day 49 day 94C 10m 120C 150C 圈3不同贮存温度及贮存时间下PCB侧界面微观组织 Fig.3 The microstructure at Cu lead side interface after storing at different temperature for different time. 基于QFP焊点界面处MC层的微观组织图片，采用Photoshop软件统计并计算了不同老化温度 及时长下金属间化合物层的厚度数据。在高温贮存试验中，界面金属间化合物层的生长主要由扩散 过程主导。随时间延长，金属间化合物的厚度增加。虽然在120℃时观察到存储1天后的MC厚度 较大，这是由于初始回流焊后焊点本身的MC比较厚所导致，并不影响整体MC厚度的增长趋势。 此时，MC生长按Fck定律决定的抛物线型规律进行，也就是生长速率应与时间的平方根成正比， 即满足时间幂函数关系

2.2 62Sn36Pb2Ag 焊点界面金属间化合物生长动力学 如上文所示，QFP 焊点 Cu 引线侧和 PCB 侧出现了不同种类的 IMC，Cu 引线侧主要为 Cu6Sn5 及 Cu3Sn；PCB 侧，由于镍元素的扩散，形成了 (CuxNi1-x)6Sn5金属间化合物。图 2 和图 3 分别展示了 在不同贮存温度和贮存时间下 Cu 引线侧和 PCB 侧在贮存过程中，两侧的金属间化合物的生长行为。 对于 Cu 引线一侧，由于没有镍阻挡层的存在，Cu 引线和钎料中 Sn 元素直接接触反应，IMC 的厚 度增长高于 PCB 侧，在 150 °C 下贮存 49 天时，Cu 引线侧的 IMC 厚度接近 12 μm，而在 PCB 侧， 在整个贮存期间，IMC 层厚度都保持在较小范围。 图 2 不同贮存温度及贮存时间下 Cu 引线侧界面微观组织 Fig.2 The microstructure at Cu lead side interface after storing at different temperature for different time. 4 day 9 day 94 °C 16 day 25 day 36 day 49 day 120 °C 150 °C 10 m 图 3 不同贮存温度及贮存时间下 PCB 侧界面微观组织 Fig.3 The microstructure at Cu lead side interface after storing at different temperature for different time. 基于 QFP 焊点界面处 IMC 层的微观组织图片，采用 Photoshop 软件统计并计算了不同老化温度 及时长下金属间化合物层的厚度数据。在高温贮存试验中，界面金属间化合物层的生长主要由扩散 过程主导。随时间延长，金属间化合物的厚度增加。虽然在 120 ℃时观察到存储 1 天后的 IMC 厚度 较大，这是由于初始回流焊后焊点本身的 IMC 比较厚所导致，并不影响整体 IMC 厚度的增长趋势。 此时，IMC 生长按 Fick 定律决定的抛物线型规律进行，也就是生长速率应与时间的平方根成正比， 即满足时间幂函数关系。 录用稿件，非最终出版稿

x=x+ki0.5 式中x一金属间化合物厚度(m):x0一金属间化合物初始厚度(m):k一扩散系数：t一时间。 对MC厚度散点图进行线性拟合，如图4所示，进而得出三种温度下PCB侧和元器件侧IMC厚度 生长曲线方程： Cu引线侧： 94℃：x=2.36×106+2.15×10-005 120C: x=1.87×10-6+2.96×10-100.5 150℃： x=2.15×10-6+4.78×10-905 PCB侧： 16*10+2以版稿 94C: x=1.87×10-6+1.57×10-10t0.5 120℃： 150C: x=1.74×10-6+2.8510-10 对比同侧的金属间化合物的生长速率，不难观察到，随着贮存温度的升高，金属间化合物的生长速 率加快，曲线的斜率逐渐增加，这是由于高温下，原矛的扩散速率更快所导致。 (a) 94℃ (b) as (e) 150℃ 28 7 25 ★“★ 1000 30 d 04C 120C f 150C℃ 00 1006 1500 1000 0.50s ,05 不同温度下焊点双侧界面处MC厚度随时间平方根变化.(a-c)Cu引线侧；(d-fPCB侧 Fig.4 Variation of IMC thickness with the increase of square root of aging time at different sides and temperature: (a-c)Cu lead side:(d-f)PCB side. 由于扩散系数k是温度的函数，其和温度的关系可以用阿伦尼乌斯方程来表示，即 k=Aexp(-Q/RT) 式中A—常数：Q—扩散激活能(/mol):R一气体常数：T—绝对温度(K)。 故而有

0.5 0 x x kt   式中 x——金属间化合物厚度(m)；x0——金属间化合物初始厚度(m)；k——扩散系数；t——时间。 对 IMC 厚度散点图进行线性拟合，如图 4 所示，进而得出三种温度下 PCB 侧和元器件侧 IMC 厚度 生长曲线方程： Cu 引线侧： 94 °C: 6 10 0.5 x t 2.36 10 2.15 10       120 °C: 6 10 0.5 x t 1.87 10 2.96 10       150 °C: 6 9 0.5 x t 2.15 10 4.78 10       PCB 侧： 94 °C: 6 10 0.5 x t 1.87 10 1.57 10       120 °C: 6 10 0.5 x t 1.76 10 2.43 10       150 °C: 6 10 0.5 x t 1.74 10 2.85 10       对比同侧的金属间化合物的生长速率，不难观察到，随着贮存温度的升高，金属间化合物的生长速 率加快，曲线的斜率逐渐增加，这是由于高温下，原子的扩散速率更快所导致。 图 4 不同温度下焊点双侧界面处 IMC 厚度随时间平方根变化. (a-c) Cu 引线侧; (d-f) PCB 侧 Fig.4 Variation of IMC thickness with the increase of square root of aging time at different sides and temperature: (a-c) Cu lead side；(d-f) PCB side.. 由于扩散系数 k 是温度的函数，其和温度的关系可以用阿伦尼乌斯方程来表示，即 k Q RT  A exp - / （ ） 式中 A——常数；Q——扩散激活能(J/mol)；R——气体常数；T——绝对温度(K)。 故而有 录用稿件，非最终出版稿

x=x+At5 exp(-O/RT) 另外，将式k=Axp(-QRT)两边取对数有，根据三种温度下三条拟合曲线的斜率，可作lnk-l/T图，如 图3-8所示，通过曲线拟合（图7）可得截距及斜率，可确定Cu引线侧界面处MC生长动力学方 程为： x=2.31×106+0.41 Viexp-(641204 RT 同理，可获得PCB侧的MC生长动力学方程为： x=1.79x10+0.08fexp-66878l RT 18.75 (a) (b) 2100 19.50 2200 20.25 230 -21.00 21.75 出版稿 0.0023 0.0024 0.00250.00260.00270.0028 0.0025 0.0026 0.0027 0.0028 1/TK-1 圆5贮存试验中不同侧IMC生长的啊伦尼乌斯图.(a)Cu引线侧：(b)PCB侧 Fig.5 Arrhenius plot for the growth of IMCs during storing at different sides:(a)Cu lead side;(b)PCB side☑ 2.362Sn36Pb2Ag焊点寿命测 选取金属间化合物厚度为关键性能参数，◆金属间化合物生长动力学方程为关键性能退化函数， 对QP焊点的失效寿命进行了预测。从其生长动力学方程可以看出，引线侧MC的激活能与PCB 侧相差不大，说明两侧焊点相差不大，我们选取了PCB侧进行失效寿命预测。首先对未进行高温贮 存的QFP焊点PCB侧界面MC厚度进行了统计分析，进一步进行高斯分布拟合，所得概率密度函 数如下： =0.37exp(- (x-0.00000179)2 2×(2.12x10-72) 进一步及QFP焊点PCB侧IMC生长动力学方程以及3.5m的失效判据可以得到焊点可靠度 R(①，图6为可靠度随心存时间t的变化曲线，从图中可以看出QFP焊点的中位寿命o5为16092年， 特征寿命t为471年

0.5 0 x x At Q RT    exp( / ) 另外，将式 k=Aexp(-Q/RT)两边取对数有, 根据三种温度下三条拟合曲线的斜率,可作 lnk-1/T 图，如 图 3-8 所示，通过曲线拟合（图 7）可得截距及斜率，可确定 Cu 引线侧界面处 IMC 生长动力学方 程为： 6 64120.4 x t 2.31 10 0.41 exp( ) RT      同理，可获得 PCB 侧的 IMC 生长动力学方程为： 6 66878.1 x t 1.79 10 0.08 exp( ) RT      0.0023 0.0024 0.0025 0.0026 0.0027 0.0028 -21.75 -21.00 -20.25 -19.50 -18.75 lnk 1/T/K-1 0.0023 0.0024 0.0025 0.0026 0.0027 0.0028 -25.00 -24.00 -23.00 -22.00 -21.00 lnk 1/T/K-1 (a) (b) 图 5 贮存试验中不同侧 IMC 生长的阿伦尼乌斯图. (a) Cu 引线侧; (b) PCB 侧 Fig.5 Arrhenius plot for the growth of IMCs during storing at different sides: (a) Cu lead side; (b) PCB side. 2.3 62Sn36Pb2Ag 焊点寿命预测 选取金属间化合物厚度为关键性能参数，金属间化合物生长动力学方程为关键性能退化函数， 对 QFP 焊点的失效寿命进行了预测。从其生长动力学方程可以看出，引线侧 IMC 的激活能与 PCB 侧相差不大，说明两侧焊点相差不大，我们选取了 PCB 侧进行失效寿命预测。首先对未进行高温贮 存的 QFP 焊点 PCB 侧界面 IMC 厚度进行了统计分析，进一步进行高斯分布拟合，所得概率密度函 数如下： 2 7 2 ( 0.00000179) ( ) 0.37exp( ) 2 (2.12 10 ) x f x       进一步及 QFP 焊点 PCB 侧 IMC 生长动力学方程以及 3.5 μm 的失效判据可以得到焊点可靠度 R(t)，图 6 为可靠度随贮存时间 t 的变化曲线，从图中可以看出 QFP 焊点的中位寿命 t0.5为 16092 年， 特征寿命 t1/e为 17471 年。 录用稿件，非最终出版稿

0.6 0.5 是 0.3 0.2 0.1 05115 2 25 3 3.5 版稿 4.5 t/year ■6焊点可靠度随贮存时间变化 Fig.6 Variation of reliability with aging time 4结论 本文系统地研究了62S36Pb2Ag组装的QFP器件焊克的界画金属间化合物的生长动力学， 主要得出以下结论： (1)回流焊后，Cu引线侧形成了CuSn5和CusSK IMC层，由于PCB侧焊盘化学镍金焊盘， 形成的MC层为(Cu.Ni1x)Sns,高温贮存过程中富铅相均匀赤散的分布在焊点内，且无明显的空洞 裂纹等组织缺陷出现。 (2)高温贮存过程中金属间化合物的生长主要声扩散控制，其厚度与时间的平方根成正比。 由于高温下具有更快的原子扩散速率，高温不界面金属间化合物的生长速度更快。基于阿伦尼乌 斯方程建立了高温贮存过程中双侧界面的金属间化合物生长动力学模型。 (3)选取MC厚度为关键性能退化参数，MC生长动力学方程为关键性能退化函数。通过 对初始MC厚度进行正态分布拟合获取失效密度函数，结合关键性能退化函数获得可靠度函数， 结果表明QFP焊点的中位寿命s为16092年，特征寿命te为17471年。 参考文献 [1]LI Z.WANG D,HU Det al High temperature resistant aging stability of lead-free solder joints by TLP bonding. Journal of Materials Engineering,2021,46 (10):82-88. (李正兵德胡德安，陈益平，等.耐高温瞬时液相连接无铅钎焊接头的时效稳定性.材料工程，2021,46(10)： 82). [2] CHOU T-T,FLESHMAN C J,CHEN H,et al.Improving thermal shock response of interfacial IMCs in Sn-Ag-Cu joints by using ultrathin-Ni/Pd/Au metallization in 3D-IC packages.Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2019.30:2342. [3] KAVITHA M,MAHMOUD Z H,KISHORE K H,et al.Application of steinberg model for vibration lifetime evaluation of Sn-Ag-Cu-based solder joints in power semiconductors.IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,2021,11:444. [4]HU S-H,LIN T-C,KAO C-L,et al.Effects of bismuth additions on mechanical property and microstructure of SAC-Bi solder joint under current stressing.Microelectronics Reliability,2021,117:114041

图 6 焊点可靠度随贮存时间变化 Fig.6 Variation of reliability with aging time 4 结论 本文系统地研究了 62Sn36Pb2Ag 组装的 QFP 器件焊点的界面金属间化合物的生长动力学， 主要得出以下结论： （1）回流焊后，Cu 引线侧形成了 Cu6Sn5 和 Cu3Sn IMC 层，由于 PCB 侧焊盘化学镍金焊盘， 形成的 IMC 层为(CuxNi1-x)6Sn5,高温贮存过程中富铅相均匀弥散的分布在焊点内，且无明显的空洞 裂纹等组织缺陷出现。 （2）高温贮存过程中金属间化合物的生长主要由扩散控制，其厚度与时间的平方根成正比。 由于高温下具有更快的原子扩散速率，高温下界面金属间化合物的生长速度更快。基于阿伦尼乌 斯方程建立了高温贮存过程中双侧界面的金属间化合物生长动力学模型。 （3）选取 IMC 厚度为关键性能退化参数，IMC 生长动力学方程为关键性能退化函数。通过 对初始 IMC 厚度进行正态分布拟合获取失效密度函数，结合关键性能退化函数获得可靠度函数， 结果表明 QFP 焊点的中位寿命 t0.5为 16092 年，特征寿命 t1/e为 17471 年。 参 考 文 献 [1] LI Z, WANG D, HU D, et al. High temperature resistant aging stability of lead-free solder joints by TLP bonding. Journal of Materials Engineering, 2021, 46 (10): 82-88． (李正兵, 王德, 胡德安, 陈益平, 等．耐高温瞬时液相连接无铅钎焊接头的时效稳定性. 材料工程, 2021, 46 (10): 82）． [2] CHOU T-T, FLESHMAN C J, CHEN H, et al. Improving thermal shock response of interfacial IMCs in Sn–Ag–Cu joints by using ultrathin-Ni/Pd/Au metallization in 3D-IC packages . Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019,30: 2342. [3] KAVITHA M, MAHMOUD Z H, KISHORE K H, et al. Application of steinberg model for vibration lifetime evaluation of Sn-Ag-Cu-based solder joints in power semiconductors. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2021,11: 444. [4] HU S-H, LIN T-C, KAO C-L, et al. Effects of bismuth additions on mechanical property and microstructure of SAC-Bi solder joint under current stressing. Microelectronics Reliability, 2021, 117: 114041. 录用稿件，非最终出版稿

[5]ADETUNJI O R,ASHIMOLOWO RA,AIYEDUN PO,et al.Tensile,hardness and microstructural properties of Sn- Pb solder alloys.Materials Today:Proceedings,2021,44:321-325. [6]WERNER M,WEINBERG K.Experimental Investigation of Microstructural Effects in Sn-Pb Solder Accumulated During Ten Years of Service Life.Micro and Nanosystems,2021,13:170-179 [7]WANG F,LI D,TIAN S,et al.Interfacial behaviors of Sn-Pb,Sn-Ag-Cu Pb-free and mixed Sn-Ag-Cu/Sn-Pb solder joints during electromigration.Microelectronics Reliability,2017.73:106 [8]JI X,AN Q,XIA Y,et al.Maximum shear stress-controlled uniaxial tensile deformation and fracture mechanisms and constitutive relations of Sn-Pb eutectic alloy at cryogenic temperatures.Materials Science and Engineering:A,2021, 819:141523. [9]DING Y,SHEN K,ZHANG R.Influence of Ag element in 62Sn36Pb2Ag on properties of AgCu/SnPbAg /CuBe solder joint.Transactions of the China Welding Institutuon.,2011,32:65. (丁颖，申坤，张冉.62Sn36Pb2Ag纤料中Ag元素对AgCu/SnPbAg/CuBe焊缝性能的影确 焊接学报，2011.32 65). [10]LIU X.Analysis and prevention of virtual welding in electronic product production 2018 China High-end sMT Academic Conference Proceedings.Suzhou,2018.7:199 (刘显文.电子产品生产中虚焊分析及预防∥2018中国高端SMT学术会议论文集苏州，2018,7：199) [11]XIAO H,LI X,LI F.Grow th kinetic of intermet allic compounds and failure behavior for SnAgCu/Cu solder joints subjected to thermal cycling.Journal of Materials Engineering.2010,10:38 (肖慧，李晓延，李凤辉.热循环条件下SnAgCw/Cu焊点金属间化合物生长及焊点失效行为.材料工程，2010， 10:38). [12]MADANIPOUR H,KIM Y-R,KIM C-U,et al.Study of electromigration in Sn-Ag-Cu micro solder joint with Ni interfacial layer.Journal of Alloys and Compounds,2021,86258043. [13]LI Q-H,LI C-F,ZHANG W,et al.Microstructural evolufion and failure mechanism of 62Sn36Pb2Ag/Cu solder joint during thermal cycling.Microelectronics Reliability.201999:12. [14]QIAO Y,MA H,YU F,et al.Quasi-in-situ observation on diffusion anisotropy dominated asymmetrical growth of Cu- Sn IMCs under temperature gradient.Acta Materialia,2021,217:117168 [15]WANG H,HU X,JIANG X.Effects of Ni modified MWCNTs on the microstructural evolution and shear strength of Sn-3.0Ag-0.5Cu composite solder joints.Materials Characterization,2021,163:110287. [16]GUI Z,HU X,JIANG X,etalInterfacial reaction,wettability,and shear strength of ultrasonic-assisted lead-free solder joints prepared using Cu-GNSS-doped flux.Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2021,32:24507- 24523. [17]WANG J,CHEN J,ZHANG Z,et al.2021.Effects of doping trace Ni element on interfacial behavior of Sn/Ni (polycrystal/single-crystal)joints.Soldering&Surface Mount Technology,2021 [18]QIN F,BIECHENX,et al.Vibration lifetime modelling of PBGA solder joints under random vibration loading Journal of Vibraion and Shock.2021,8:1017. (秦飞，别晓锐，陈思，等.随机振动载荷下塑封球栅阵列含铅焊点疲劳寿命模型.振动与冲击，2021,40(2)：164). [19]CUI J,ZHANG K,ZHAO D,et al.Microstructure and shear properties of ultrasonic-assisted Sn2.5Ag0.7Cu0.IRExNi/ Cu solder joints under thermal cycling.Scientific Reports,2021,11:6297. [20]CHAO B,CHAE S-H,ZHANG X,et al.Investigation of diffusion and electromigration parameters for Cu-Sn intermetallic compounds in Pb-free solders using simulated annealing.Acta Materialia,2007,55:2805 [21]LI J,XU H,HOKKA J,et al.Finite element analyses and lifetime predictions for SnAgCu solder interconnections in thermal shock tests.Soldering Surface Mount Technology,2011,23:161 [22]JIN L,SUN H,ZHOU T,et al.LGA solder joint reliability and thermal fatigue life prediction.Electronic Components and Materials,2021,40(9):893

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(金玲玥，孙海燕，周婷，等.LGA焊点可靠性分析及热疲劳寿命预测.电子元件与材料，2021,40(9)：893) [23]LI Y,TIAN Y,CONG S,et al.Multi-scale Finite Element Analysis into Fatigue Lives of Various Component Solder Joints on Printed Circuit Board.Journal of Mechanical Engineering.2019,55(06):54 (李跃，田艳红，丛森，等.PCB组装板多器件焊点疲劳寿命跨尺度有限元计算.机械工程学报，2019,55(06)：54) [24]SYEDA.Predicting solder joint reliability for thermal,power,and bend cycle within 25%accuracy[C]//2001 Proceedings.5Ist Electronic Components and Technology Conference.2001:255 [25]TIAN R,HANGC,TIAN Y,et al.Brittle fracture induced by phase transformation of Ni-Cu-Sn intermetallic compounds in Sn-3Ag-0.5Cu/Ni solder joints under extreme temperature environment.Journal of Alloys and Compounds,2019,777:463 [26]TIAN R,HANG C,TIAN Y,et al.Brittle fracture of Sn-37Pb solder joints induced by enhanced intermetallic compound growth under extreme temperature changes.Journal of Materials Processing Technology,2019,268:1. 非最终出版 27]PENG L.Research on long-life storage reliability of multilayer ceramic capcatior[Disser arbin:Harbin Institute of Technology,2016 彭磊.多层瓷介电容器长期贮存寿命可靠性研究[学位论文].哈尔滨：哈尔 录用稿件

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