LTCC電路基板大面積釬焊接頭強度特性和失效分析

王天石， 張怡， 王慶兵， 廖旭， 岳帥旗， 周杰文

(中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036)

0 前言

低溫共燒陶瓷電路基板(以下簡稱LTCC基板)可用于毫米波、微波、中低頻、數模混合、信號處理等電路的集成。能實現高頻、低頻、數字等電路的 3D 互連，是實現包括微波毫米波在內的高密度集成的重要手段。在軍事和通訊等領域有十分誘人的前景[1]。

LTCC電路組件由于其自身的性質，不可能作為部件獨立使用，而必須要依賴于封裝外殼，作為LTCC基板的載體，起著機械支撐、散熱通道、接地性能、芯片和基板保護等重要作用。LTCC基板與封裝外殼需要可靠的互聯才能保證LTCC的功能在惡劣的使用條件下得到保護和實現，這就對兩者之間的互聯質量提出了很高的要求。

在LTCC基板與封裝載體的互聯方式選擇上，以往常常采用導電膠粘接LTCC基板與封裝載體的方式，但在長期的工程實踐中，發現導電膠粘接的方式存在封裝后組件內部水汽含量高及導電膠老化等對產品長期質量可靠性有很嚴重影響的問題，很難滿足高可靠性的要求，特別是宇航長壽命高可靠T/R組件的要求[2]。因此，在這類具有高可靠性要求的微波組件制造過程中，LTCC基板需要采用釬焊的方式與封裝載體進行互聯。LTCC基板與封裝載體的釬焊互聯質量就成為影響微波組件可靠性的關鍵因素之一[3-6]。但在研究過程中發現由于LTCC基板尺寸大，在與封裝載體釬焊后存在較多的問題，其中之一就是釬焊接頭在釬焊后或經歷環境應力，如溫度沖擊、振動后，互聯界面開裂或者脫落，導致產品整體失效。

由于典型的LTCC基板與封裝載體的釬焊面積為數平方厘米，遠大于GJB 548B—2015《微電子器件試驗方法和程序》方法2019.2中芯片抗剪強度試驗標準所述4.13 mm2，且業內較多的研究集中在小尺寸引腳、焊盤的釬焊機理[7-8]，在LTCC基板大面積釬焊接頭強度特性和失效分析的相關研究鮮見報道，缺乏相應的直接評價方法和手段，因此亟待開展相關研究。

1 試驗材料與方法

為研究LTCC基板與封裝載體的大面積釬焊接頭強度特性和失效模式，該研究設計了釬焊強度試樣如圖1所示。試樣的設計釬焊尺寸為20 mm×20 mm，LTCC基板材料為市售FERRO A6M，層數為18層，厚度為3 mm，底面焊盤為Au/Pt/Pd；載體材料為市售高硅鋁復合材料，硅質量分數50%，載體厚度為5 mm，表面鍍覆Ni/Au復合鍍層，底層為厚15 μm的 Ni層，表層為厚0.5 μm 的Au層。

為了保證釬焊面積尺寸精確控制到20 mm×20 mm，從圖1a可見，采用數控機床精密加工的方式在載體上與LTCC基板的待焊區域周圍加工出一圈阻焊區，尺寸精度優于±0.1，阻焊區通過去除載體表面鍍層達到控制釬料流動的目的，從而保證釬焊面積的精確控制。

圖1 LTCC基板與封裝載體釬焊試樣

釬料選用市售Sn63Pb37共晶釬料，釬焊設備采用熱風回流焊接爐，釬焊參數均為該釬料的典型釬焊參數，峰值溫度230 ℃，液相線(183 ℃)以上的時間為84 s。

試樣釬焊后的釬焊強度測試方法參考GJB 548B—2005中方法2019.2“芯片抗剪強度”，用釬焊接頭的抗剪強度大小來表征釬焊強度。設計制造了專用測試夾具，試驗過程采用4噸萬能試驗機進行剪切力測試，萬能試驗機測試精度為0.1 N。試驗樣品設置為6件。

2 試驗結果與分析

2.1 釬焊強度

圖2為試樣釬焊后X光檢測空洞率圖片，經過灰度計算，釬焊空洞率均小于2%，因此近似認為抗剪強度即為剪切力除以釬焊面積400 mm2。

圖2 X光檢測圖片

圖3給出了各試樣LTCC基板與載體軟釬焊后接頭剪切載荷-位移曲線，從圖中可以看到，剪切力載荷從上升到發生突然性的急劇下降之間沒有明顯的屈服平臺，因此可以判斷釬焊接頭的斷裂均屬于脆性斷裂。分析原因，LTCC基板屬于脆性材料，因此LTCC基板損傷斷裂屬于脆性斷裂，Sn63Pb37釬料層斷裂也屬于脆性斷裂，釬料與LTCC焊盤之間由于形成了金屬間化合物，也屬于脆性斷裂， LTCC焊盤與基材之間通過玻璃相粘結，因此斷裂也屬于脆性斷裂。4種可見的損傷模式均屬于脆性斷裂，從而導致不同損傷模式的組合也屬于脆性斷裂。

圖3 試樣釬焊面剪切載荷位移曲線

釬焊接頭抗剪強度結果見表1。從表中可見，試驗材料與方法相同的條件下，1～5號試樣的抗剪強度與另外5件試樣差距很大，遠低于其它試樣。正常的5件試樣抗剪強度平均值為28.21 MPa，異常試樣的抗剪強度只有正常試樣抗剪強度平均值的30.55%。

表1 釬焊強度試驗結果

2.2 斷裂面形貌分析

2.2.1宏觀形貌分析

檢查試驗后各試樣的斷裂面宏觀形貌，如圖4所示。明顯觀察到LTCC基板損傷斷裂；載體硅鋁復合材料鍍層及載體基材沒有顯露，表明載體鍍層沒有發生宏觀損傷開裂，載體鍍層與釬料之間也沒有發生宏觀損傷開裂；其余的斷裂面可能存在于釬料層之間，也可能存在于釬料層與LTCC焊盤的界面上，以及LTCC焊盤與LTCC基板的結合面，但由于釬料顏色、基板焊盤顏色均為灰色，比較接近，因此不容易通過宏觀觀察判斷失效界面真實情況。但通過宏觀觀察，可以發現，抗剪強度異常偏低的5號試樣，LTCC焊盤斷裂面明顯偏白，且斷面更平整，顯示了脆性斷裂的特征。

圖4 典型斷面宏觀形貌

2.2.2微觀組織分析

為了進一步分析抗剪強度異常試樣斷裂面情況，對異常試樣進行微觀組織分析。

圖5為5號異常試樣載體硅鋁復合材料端斷裂面典型形貌和元素分布情況，從圖中可見載體端斷裂面存在被拉脫的LTCC基材，從釬焊斷裂面元素分布情況可以看到，除了有釬料元素Pb和Sn之外，還分布著LTCC焊盤元素Au，Pt，Pd，因此可以推斷，該處釬焊斷裂面位于LTCC焊盤中。

圖5 5號試樣載體端斷面形貌及元素分布

圖6為LTCC端斷裂面典型形貌和元素分布情況，從圖中可見LTCC端斷裂面存在裸露的LTCC基材，說明這些區域LTCC基材已經被剪切斷裂。從釬焊斷裂面元素分布情況可以看到，除了有LTCC焊盤元素Au，Pt，Pd，還分布著釬料元素Pb和Sn，且分布密度很高，因此可以推斷，該處釬焊斷裂面位于釬料與LTCC焊盤界面。

圖6 LTCC端斷面形貌及元素分布

圖7為載體硅鋁復合材料端斷裂面截面分析，從圖7a中可見，截面分為5層，從上到下分別是：LTCC焊盤、釬料層、金屬間化合物IMC層、載體表面鍍層和載體基材。從圖7b中可見，LTCC焊盤與LTCC基材已經完全脫離，而有些區域LTCC焊盤與釬料之間的界面層也發生了開裂，但這種層間開裂屬于局部開裂，同時并沒有完全脫離，從圖7c中可見，有些區域LTCC焊盤與釬料之間的界面層發生了開裂脫離。

對比斷面宏觀檢查情況可以發現，5號試樣的LTCC端斷面相對4號試樣灰中泛白，較多地顯示出LTCC基材的白色，與斷面截面分析情況吻合，反映出斷裂面的失效模式主要是“LTCC焊盤損傷斷裂(焊盤與基板分離)”和“LTCC焊盤與釬料之間損傷斷裂”，局部失效模式是“LTCC基板損傷斷裂”。

圖8為5號試樣載體端斷裂面截面SEM形貌。從圖8a可以明顯觀察到，LTCC焊盤厚度約為25 μm，且較為疏松，內部密布貫穿孔洞，這與焊盤為漿料燒結的制備原理相關[9]。圖8a中2區域形貌和表2該區域能譜分析顯示，為LTCC焊盤Au/Pt/Pd層。從圖8a中1區域形貌及該區域能譜分析可見，錫鉛釬料中的Sn元素通過LTCC焊盤疏松連通的孔隙進入到LTCC焊盤內部，且大部分區域已經完全滲入了LTCC焊盤與LTCC基材的界面部位，形成了大面積的非枝晶狀的AuSn4。而圖8b中4區域及該區域能譜分析可見，釬料層中存在大量灰白色富Pb相，這些富Pb也密集分布在LTCC焊盤與釬料的界面層上。這也解釋了圖5b中載體硅鋁復合材料端斷面元素分布發現斷面分布著LTCC焊盤元素Au，Pt，Pd。

圖7 5號試樣載體端斷裂面截面形貌

圖8 5號試樣載體端斷裂面截面EDS分析

表2 5號試樣載體端不同區域EDS分析結果(原子分數，%)

從圖8b中5區域形貌及該區域能譜分析可見，靠近載體表面鍍層處形成了約0.7 μm厚度的層狀金錫AuSn4IMC層，從圖8b中3區域形貌及該區域能譜分析可見，從IMC層上生成了棒狀金錫AuSn4，尺寸約10 μm。由于Au與Sn在生成化合物時，使焊接界面處的Sn濃度下降，因而在IMC層附近的棒狀金錫AuSn4周圍的釬料中生成了大量的富Pb相。

圖9為LTCC基板端斷裂面截面分析，從圖9a中可見，截面主要分為2層，從上到下分別是：LTCC基材層(由每層約150 μm的生磁層和金屬層共燒為一體)和LTCC焊盤，觀察可見，部分區域LTCC焊盤與LTCC基材已經完全脫離，而部分區域LTCC焊盤與釬料之間的界面發生開裂脫離。從圖9b中可見，疏松的LTCC焊盤內部孔隙中填充了許多釬料，而LTCC焊盤與釬料的斷裂界面根據分析應為富Pb相，這與圖6b中LTCC端斷面元素分布發現斷面分布著大量釬料元素Pb和Sn互相佐證。

圖9 5號試樣LTCC端斷裂面截面SEM形貌

3 失效分析

為找到異常試樣與正常試樣的區別，對正常試樣進行對比分析。圖10為抗剪強度正常的4號試樣載體硅鋁復合材料端斷裂面截面分析，從圖10a中可見，截面分為4層，從上到下分別是：釬料層、金屬間化合物層、載體表面鍍層和載體基材。從圖10b中可見，大部分區域，LTCC焊盤與釬料之間的界面層開裂脫離，部分區域釬料層斷裂。

對比斷面宏觀檢查情況可以發現，4號試樣的LTCC端斷面相對5號試樣，大部分區域明顯偏灰，反映出斷裂面的失效模式主要是“釬料層損傷斷裂”和“LTCC焊盤與釬料之間損傷斷裂”，局部區域呈現出與5號試樣相同的灰中泛白的狀態，反映出這些局部的失效模式是“LTCC焊盤損傷斷裂(焊盤與基板分離)”和“LTCC焊盤與釬料之間損傷斷裂”；還有更少的區域失效模式是“LTCC基板損傷斷裂”。

圖11為4號試樣載體端斷裂面金相形貌。表3為4號試樣不同區域EDS分析結果。從圖11a中可見，靠近載體鍍層處形成了約1 μm厚度的層狀金錫IMC層，從圖11a區域形貌及該區域能譜分析可見，從IMC層上生成了棒狀金錫AuSn4，尺寸約15 μm。由于Au與Sn在生成化合物時，使焊接界面處的Sn濃度下降，因而在IMC層附近的棒狀金錫AuSn4周圍的釬料中生成了大量灰白色的富Pb相。圖11b為LTCC端斷裂面截面分析，從圖中可見，部分LTCC焊盤與釬料之間的界面發生開裂脫離，而部分區域的斷裂面發生在釬料層中。疏松的LTCC焊盤內部孔隙中填充了許多釬料，根據區域能譜分析，LTCC焊盤中除了有Au，Pt，Pd元素外，還分布著釬料元素Pb和Sn，從釬料層中可以見到較多的灰白色富Pb相。

圖10 4號試樣載體端斷裂面截面SEM形貌

由于5號試樣大面積區域所觀察到的失效模式為“LTCC焊盤損傷斷裂(焊盤與基板分離)”和“LTCC焊盤與釬料之間損傷斷裂”，而4號試樣大面積區域所觀察到的失效模式為“釬料層損傷斷裂”和“LTCC焊盤與釬料之間損傷斷裂”。兩者最主要的差別就是5號異常試樣斷裂面LTCC焊盤與基板分離的區域遠大于4號正常試樣，宏觀表現為5號試樣的LTCC端斷面相對4號試樣灰中泛白，較多地顯示出LTCC基材的白色，且斷裂面更平整。

圖11 4號試樣載體端斷裂面金相形貌及EDS圖譜

綜上，分析認為，5號異常試樣抗剪強度遠低于正常試樣，主要原因是在剪切加載過程中，失效斷裂更多地發生在LTCC焊盤與LTCC基板之間，說明該件樣品LTCC焊盤與LTCC基板的燒結結合強度相較正常試樣低，從而導致薄弱界面先失效，影響了整個釬焊接頭的抗剪強度。

LTCC焊盤與LTCC基板是通過玻璃相燒結結合為一體，分析認為，LTCC基板的表面質量、清潔度、LTCC焊盤漿料與LTCC基板生瓷的匹配程度、燒結參數均會對界面結合強度有影響。

由于業內關于LTCC焊盤與基板的結合力的相關研究非常有限，而傳統的評價標準也僅局限于小尺寸芯片粘接強度[10]和金絲金帶鍵合強度[11]，對LTCC焊盤與基板的結合強度要求不高，不能反映大尺寸釬焊時的強度需求，因此建議后續研究者關注該方向。

表3 4號試樣不同區域EDS分析結果(原子分數，%)

4 結論

(1) LTCC基板(焊盤為Au/Pt/Pd)與載體(表面鍍層Au 0.5 μm)采用Sn63Pb37共晶釬料大面積釬焊后的抗剪強度平均值為29.21 MPa，異常試樣的抗剪強度只有平均值的30%。

(2) LTCC基材、LTCC焊盤與基材、LTCC焊盤與釬料及釬料本身的強度低于載體表面鍍層與載體及載體表面鍍層與釬料之間的結合力，失效破壞均發生在這些強度較低的界面。

(3) LTCC焊盤較為疏松，內部密布貫穿孔洞，釬焊后錫鉛釬料中的Sn元素通過孔隙進入到LTCC焊盤內部，且部分到達LTCC焊盤與LTCC基材的界面部位，形成了大面積的金錫合金AuSn4。

(4) 抗剪強度異常試樣LTCC電路基板焊盤的燒結結合強度相較正常試樣低，是導致界面失效，釬焊接頭抗剪強度降低的主要原因。