焊點(diǎn)柯肯達(dá)爾孔洞的形成與危害
前面討論了焊點(diǎn)中孔洞缺陷的類型，下面重點(diǎn)介紹一下錫膏回流焊后產(chǎn)生的柯肯達(dá)爾孔洞。
柯肯達(dá)爾孔洞的高發(fā)場(chǎng)景
據(jù)統(tǒng)計(jì),由熱所引起的器件失效約占電子器件器件失效的百分之五十以上。過(guò)高的運(yùn)行溫度不僅會(huì)損壞半導(dǎo)體設(shè)備，還會(huì)降低電子設(shè)備的可靠性和性能。隨著芯片上晶體管數(shù)量的增加，其發(fā)熱量也隨之增加，使得發(fā)熱問(wèn)題更加突出。電子設(shè)備若長(zhǎng)時(shí)間工作于工作溫度較高的環(huán)境，則會(huì)使焊點(diǎn)與晶片或基片上金屬接點(diǎn)之間發(fā)生相互作用，造成界面金屬間化合物的生成和生長(zhǎng)。由于受熱的作用，焊點(diǎn)內(nèi)合金元素的反應(yīng)擴(kuò)散不均，造成界面上微孔的形成、聚合、長(zhǎng)大以及微孔的產(chǎn)生，從而降低焊接點(diǎn)的力學(xué)完整性，使界面弱化，造成界面上焊點(diǎn)的破壞。
柯肯達(dá)爾孔洞位置
界面或金屬間化合物IMC中
柯肯達(dá)爾孔洞生長(zhǎng)圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)，侵刪）
柯肯達(dá)爾孔洞的危害
由于各種IMC或IMC與焊料之間熱膨脹系數(shù)的差異，焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力較大，應(yīng)力容易集中在柯肯達(dá)爾孔洞中，使孔洞成為裂紋源，焊點(diǎn)易脆性斷裂，因此柯肯達(dá)爾孔洞對(duì)錫膏微焊點(diǎn)的可靠性具有前所未有的挑戰(zhàn)性。
柯肯達(dá)爾孔洞產(chǎn)生原因-柯肯達(dá)爾效應(yīng)
擴(kuò)散是原子(或分子)在物質(zhì)中的遷移，是物質(zhì)傳遞的一種方式。當(dāng)兩種不同金屬接觸并發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，快速擴(kuò)散的金屬一側(cè)可形成分散或集中的空位，而在慢速的一邊則有點(diǎn)陣膨脹。柯肯達(dá)爾等人首先證實(shí)了這一點(diǎn)，因此稱為柯肯達(dá)爾效應(yīng)。從柯肯達(dá)爾效應(yīng)可以看出，當(dāng)兩種物質(zhì)相互擴(kuò)散時(shí)，由于其擴(kuò)散速度不同，在擴(kuò)散較快的金屬側(cè)會(huì)形成孔洞。這一現(xiàn)象也常發(fā)生在異種材料擴(kuò)散焊接中，顯微鏡下可觀察到擴(kuò)散孔。
Sn-Cu軟釬焊焊點(diǎn)擴(kuò)散示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)，侵刪）
柯肯達(dá)爾孔洞對(duì)可靠性的影響
高端服務(wù)器及通訊設(shè)備的封裝錫膏焊點(diǎn)一般都在75℃左右的環(huán)境下工作6~7年，由于柯肯達(dá)爾孔洞形成的原因，這可能導(dǎo)致錫膏焊點(diǎn)完全斷開(kāi)。近年來(lái)火爆的3D封裝結(jié)構(gòu)由于封裝密度高、功率荷載高和結(jié)構(gòu)的散熱性不足，使單位體積的3D封裝元件的發(fā)熱量越來(lái)越大，工作溫度已超過(guò)75℃，較易產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔洞，使焊點(diǎn)壽命縮短。Chiu等人的研究發(fā)現(xiàn)，錫膏焊點(diǎn)老化時(shí)間越長(zhǎng)，老化運(yùn)行溫度越高，錫膏焊點(diǎn)中的柯肯達(dá)爾孔密度越高，錫膏焊點(diǎn)的抗沖擊性越低。而在125℃老化10天時(shí)，試驗(yàn)板壽命比未老化的要低80%，而在125℃老化40天后，在第一次下落沖擊時(shí)就發(fā)生失效。文章提出，焊點(diǎn)強(qiáng)度與錫膏焊點(diǎn)下落可靠性的下降主要與柯肯達(dá)爾孔洞的形成及結(jié)合有關(guān)。
影響柯肯達(dá)爾孔洞形成的因素
焊接材料、焊料摻雜、UBM預(yù)處理等因素對(duì)柯肯達(dá)爾孔洞形成的影響較大。
就錫膏及其他焊料中添加雜元素來(lái)講，一些研究說(shuō)明錫膏或其他焊料摻雜元素有時(shí)可以對(duì)柯肯達(dá)爾孔洞的形成產(chǎn)生抑制作用。
錫膏或其他焊料與焊盤金屬間的化學(xué)反應(yīng)受合金元素影響為(1)反應(yīng)/生長(zhǎng)速率增大或降低。(2)加入物可改變反應(yīng)形成相的物理特性。(3)可在界面上形成附加相，也可取代二元相形成其他反應(yīng)產(chǎn)物。例如焊料界對(duì)Zn和Ni元素的摻雜已經(jīng)有不少研究。
正如前面所述，柯肯達(dá)爾孔洞的形成與多種因素相關(guān)，是各因素綜合影響的結(jié)果，但作為在封裝焊接中起重要作用的錫膏，要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行考慮，并在錫膏配方設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免。深圳市福英達(dá)工業(yè)技術(shù)有限公司專門從事高品質(zhì)錫膏、錫膠、焊錫粉的研制與生產(chǎn)，對(duì)于如何提高錫膏、錫膠、助焊劑等焊料可靠性方面有一定的經(jīng)驗(yàn)心得，歡迎公司來(lái)電咨詢與合作。
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