產品SMT后為什么出現不開機現象？與柯肯達爾空洞有關？

引言

某產品SMT后出現不開機現象。初步排查，懷疑為DDR焊點焊接不良導致不開機，測試分析后發現是存在柯肯達爾空洞現象。

測試分析

1 外觀檢查

體視顯微鏡進行外觀檢查發現失效BGA邊角焊點成型完好，焊盤潤濕完好，焊點表面光亮，未發現明顯橋接、虛焊、枕型焊等異常。

2 X-Ray&CT斷層掃描分析

通過X-Ray&CT無損透視技術進行觀察，結果顯示X-Ray及CT掃描結果顯示，焊點成型完好，未發現明顯橋接、空焊、枕型焊點等異常。

圖1 X-Ray 掃描結果

圖2 CT 斷層掃描結果

3 紅墨水染色試驗&切片分析

通過紅墨水染色試驗和切片方法對焊點焊接質量進行檢查；紅墨水染色試驗結未觀察到明顯染色現象，且切片結果顯示，焊點焊接完好，未發現明顯焊接異常。

4 芯片分析

通過以上測試，未發現焊接異常現象，可以排除焊接不良對產品失效的影響，下面通過超聲波掃描、化學開封、離子切割及SEM觀察技術對芯片封裝及綁定質量進行分析。

4.1 開封內部觀察

利用超聲波掃描顯微鏡對失效產品及DDR原物料進行測試，目的是觀察芯片內部是否存在分層異常，結果如圖5-10所示。

超聲波結果顯示，失效產品及DDR原物料內部未發現明顯分層異常。

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

4.2 IV特性曲線測量

為了確認失效產品電性是否異常，采用晶體管圖示儀對重要引腳進行IV特性曲線測量；結果如圖11所示，失效產品較DDR原物料在個別引腳上，IV特性曲線有一些差異。

圖11 失效產品及DDR原物料IV特性曲線測量結果

4.3 綁定點焊接質量分析

檢測結果發現綁定點鍵合處明顯發現較多連續裂紋，裂紋位置為金鋁合金焊接界面，此失效現象稱為柯肯達爾Kirkendall空洞失效。

圖12 失效產品CP處理后SEM觀察結果

圖13 DDR原物料CP處理后SEM觀察結果

5 失效機理

5.1 柯肯達爾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，Au₈Al₃將繼續共晶形成Au₂Al。此時，在該IMC界面上的化合物將隨著結合部位的金和鋁的比例來確定如何繼續共晶。

在高溫環境下，原始的IMC將在完成鍵合工藝后繼續生長成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的熱膨脹系數相當低。IMC內部不同化合物之間包含許多晶界，存在很多應力和不純等晶格缺陷，而且這些IMC比金和鋁更硬更脆，在高溫環境下會加速IMC的生長速度，形成柯肯達爾空洞，容易產生裂紋而導致開路。因此，高溫存儲測試被用作檢測潛在鍵合失效的常用方法。

5.2 失效機理

柯肯達爾空洞是由于IMC生長導致的，而IMC的生長基本遵循一種拋物線關系，

其中X一IMC厚度(um)，K一擴散率常數，t一老化時間(sec) 。而擴散系數的計算公式如下：

其中C一常數， E一激活能量，k一玻爾茲曼常數， 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間的增加而不斷生長，并最終由于晶格缺陷而引起柯肯達爾空洞失效。因此如何有效延緩和避免IMC的過快生長對于保證產品的可靠性至關重要。

我們可以觀察到一個細節，就是IMC的厚度只與兩個變量有關：時間和溫度，時間是無法控制的，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。

結論

引起產品不開機的根本原因為芯片本體不良，存在柯肯達爾空洞現象，導致產品不開機。

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