產(chǎn)品SMT后為什么出現(xiàn)不開機(jī)現(xiàn)象？與柯肯達(dá)爾空洞有關(guān)？

引言

某產(chǎn)品SMT后出現(xiàn)不開機(jī)現(xiàn)象。初步排查，懷疑為DDR焊點(diǎn)焊接不良導(dǎo)致不開機(jī)，測試分析后發(fā)現(xiàn)是存在柯肯達(dá)爾空洞現(xiàn)象。

測試分析

1 外觀檢查

體視顯微鏡進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)失效BGA邊角焊點(diǎn)成型完好，焊盤潤濕完好，焊點(diǎn)表面光亮，未發(fā)現(xiàn)明顯橋接、虛焊、枕型焊等異常。

2 X-Ray&CT斷層掃描分析

通過X-Ray&CT無損透視技術(shù)進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示X-Ray及CT掃描結(jié)果顯示，焊點(diǎn)成型完好，未發(fā)現(xiàn)明顯橋接、空焊、枕型焊點(diǎn)等異常。

圖1 X-Ray 掃描結(jié)果

圖2 CT 斷層掃描結(jié)果

3 紅墨水染色試驗(yàn)&切片分析

通過紅墨水染色試驗(yàn)和切片方法對焊點(diǎn)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查；紅墨水染色試驗(yàn)結(jié)未觀察到明顯染色現(xiàn)象，且切片結(jié)果顯示，焊點(diǎn)焊接完好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接異常。

4 芯片分析

通過以上測試，未發(fā)現(xiàn)焊接異常現(xiàn)象，可以排除焊接不良對產(chǎn)品失效的影響，下面通過超聲波掃描、化學(xué)開封、離子切割及SEM觀察技術(shù)對芯片封裝及綁定質(zhì)量進(jìn)行分析。

4.1 開封內(nèi)部觀察

利用超聲波掃描顯微鏡對失效產(chǎn)品及DDR原物料進(jìn)行測試，目的是觀察芯片內(nèi)部是否存在分層異常，結(jié)果如圖5-10所示。

超聲波結(jié)果顯示，失效產(chǎn)品及DDR原物料內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯分層異常。

（備注：紅色圖像代表分層異常，圖像結(jié)果未顯示紅色警戒色，說明封裝內(nèi)部無分層異常）

4.2 IV特性曲線測量

為了確認(rèn)失效產(chǎn)品電性是否異常，采用晶體管圖示儀對重要引腳進(jìn)行IV特性曲線測量；結(jié)果如圖11所示，失效產(chǎn)品較DDR原物料在個(gè)別引腳上，IV特性曲線有一些差異。

圖11 失效產(chǎn)品及DDR原物料IV特性曲線測量結(jié)果

4.3 綁定點(diǎn)焊接質(zhì)量分析

檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)綁定點(diǎn)鍵合處明顯發(fā)現(xiàn)較多連續(xù)裂紋，裂紋位置為金鋁合金焊接界面，此失效現(xiàn)象稱為柯肯達(dá)爾Kirkendall空洞失效。

圖12 失效產(chǎn)品CP處理后SEM觀察結(jié)果

圖13 DDR原物料CP處理后SEM觀察結(jié)果

5 失效機(jī)理

5.1 柯肯達(dá)爾Kirkendall空洞

在引線鍵合工藝中，純金引線與鋁墊片之間將形成金鋁間化合物Au-Al IMC(Inter-Metallic Compounds)。金和鋁共晶的不同階段會(huì)形成不同的化合物，通常金鋁首先形成Au8Al3化合物，隨著鍵合的繼續(xù)，Au₈Al₃將繼續(xù)共晶形成Au₂Al。此時(shí)，在該IMC界面上的化合物將隨著結(jié)合部位的金和鋁的比例來確定如何繼續(xù)共晶。

在高溫環(huán)境下，原始的IMC將在完成鍵合工藝后繼續(xù)生長成Au₈Al₃，Au₂Al，AuAl₂，AuAl，Au₄Al等化合物。這些IMC的材料特性各異，而且較金和鋁，金鋁IMC的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)汀MC內(nèi)部不同化合物之間包含許多晶界，存在很多應(yīng)力和不純等晶格缺陷，而且這些IMC比金和鋁更硬更脆，在高溫環(huán)境下會(huì)加速IMC的生長速度，形成柯肯達(dá)爾空洞，容易產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致開路。因此，高溫存儲(chǔ)測試被用作檢測潛在鍵合失效的常用方法。

5.2 失效機(jī)理

柯肯達(dá)爾空洞是由于IMC生長導(dǎo)致的，而IMC的生長基本遵循一種拋物線關(guān)系，

其中X一IMC厚度(um)，K一擴(kuò)散率常數(shù)，t一老化時(shí)間(sec) 。而擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中C一常數(shù)， E一激活能量，k一玻爾茲曼常數(shù)， T一絕對溫度。

對于99.99%的高純度金線K=1.9X10-12cm²/sec，通過上述公式我們可以看出IMC厚度將不可避免的隨著高溫老化時(shí)間的增加而不斷生長，并最終由于晶格缺陷而引起柯肯達(dá)爾空洞失效。因此如何有效延緩和避免IMC的過快生長對于保證產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。

我們可以觀察到一個(gè)細(xì)節(jié)，就是IMC的厚度只與兩個(gè)變量有關(guān)：時(shí)間和溫度，時(shí)間是無法控制的，但是溫度卻是可以控制，所以降低溫度可以減緩IMC的生長速度，從而延長器件的使用壽命。

結(jié)論

引起產(chǎn)品不開機(jī)的根本原因?yàn)樾酒倔w不良，存在柯肯達(dá)爾空洞現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品不開機(jī)。

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