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产品SMT后为什么出现不开机现象?与柯肯达尔空洞有关?

2023-12-29  浏览量:58

 

产品SMT后为什么出现不开机现象?与柯肯达尔空洞有关?

 

引言

 

某产品SMT后出现不开机现象。初步排查,怀疑为DDR焊点焊接不良导致不开机,测试分析后发现是存在柯肯达尔空洞现象。

 

测试分析

 

1 外观检查

 

体视显微镜进行外观检查发现失效BGA边角焊点成型完好,焊盘润湿完好,焊点表面光亮,未发现明显桥接、虚焊、枕型焊等异常。

 

2 X-Ray&CT断层扫描分析

 

通过X-Ray&CT无损透视技术进行观察,结果显示X-Ray及CT扫描结果显示,焊点成型完好,未发现明显桥接、空焊、枕型焊点等异常。

 

X-Ray 扫描结果

图1 X-Ray 扫描结果

 

CT 断层扫描结果

图2 CT 断层扫描结果

 

3 红墨水染色试验&切片分析

 

通过红墨水染色试验和切片方法对焊点焊接质量进行检查;红墨水染色试验结未观察到明显染色现象,且切片结果显示,焊点焊接完好,未发现明显焊接异常。

 

 

4 芯片分析

 

通过以上测试,未发现焊接异常现象,可以排除焊接不良对产品失效的影响,下面通过超声波扫描、化学开封、离子切割及SEM观察技术对芯片封装及绑定质量进行分析。

 

4.1 开封内部观察

 

利用超声波扫描显微镜对失效产品及DDR原物料进行测试,目的是观察芯片内部是否存在分层异常,结果如图5-10所示。

超声波结果显示,失效产品及DDR原物料内部未发现明显分层异常。

(备注:红色图像代表分层异常,图像结果未显示红色警戒色,说明封装内部无分层异常)

 

 

4.2 IV特性曲线测量

 

为了确认失效产品电性是否异常,采用晶体管图示仪对重要引脚进行IV特性曲线测量;结果如图11所示,失效产品较DDR原物料在个别引脚上,IV特性曲线有一些差异。

 

失效产品及DDR原物料IV特性曲线测量结果

图11 失效产品及DDR原物料IV特性曲线测量结果

 

4.3 绑定点焊接质量分析

 

检测结果发现绑定点键合处明显发现较多连续裂纹,裂纹位置为金铝合金焊接界面,此失效现象称为柯肯达尔Kirkendall空洞失效。

 

失效产品CP处理后SEM观察结果

图12 失效产品CP处理后SEM观察结果

 

DDR原物料CP处理后SEM观察结果

图13 DDR原物料CP处理后SEM观察结果

 

5 失效机理

 

5.1 柯肯达尔Kirkendall空洞

 

在引线键合工艺中,纯金引线与铝垫片之间将形成金铝间化合物Au-Al IMC(Inter-Metallic Compounds)。金和铝共晶的不同阶段会形成不同的化合物,通常金铝首先形成Au8Al3化合物,随着键合的继续,Au8Al3将继续共晶形成Au2Al。此时,在该IMC界面上的化合物将随着结合部位的金和铝的比例来确定如何继续共晶。

在高温环境下,原始的IMC将在完成键合工艺后继续生长成Au8Al3,Au2Al,AuAl2,AuAl,Au4Al等化合物。这些IMC的材料特性各异,而且较金和铝,金铝IMC的热膨胀系数相当低。IMC内部不同化合物之间包含许多晶界,存在很多应力和不纯等晶格缺陷,而且这些IMC比金和铝更硬更脆,在高温环境下会加速IMC的生长速度,形成柯肯达尔空洞,容易产生裂纹而导致开路。因此,高温存储测试被用作检测潜在键合失效的常用方法。

 

5.2 失效机理

 

柯肯达尔空洞是由于IMC生长导致的,而IMC的生长基本遵循一种抛物线关系,

其中X一IMC厚度(um),K一扩散率常数,t一老化时间(sec) 。而扩散系数的计算公式如下:

其中C一常数, E一激活能量,k一玻尔兹曼常数, T一绝对温度。

对于99.99%的高纯度金线K=1.9X10-12cm2/sec,通过上述公式我们可以看出IMC厚度将不可避免的随着高温老化时间的增加而不断生长,并最终由于晶格缺陷而引起柯肯达尔空洞失效。因此如何有效延缓和避免IMC的过快生长对于保证产品的可靠性至关重要。

我们可以观察到一个细节,就是IMC的厚度只与两个变量有关:时间和温度,时间是无法控制的,但是温度却是可以控制,所以降低温度可以减缓IMC的生长速度,从而延长器件的使用寿命。

 

结论

 

引起产品不开机的根本原因为芯片本体不良,存在柯肯达尔空洞现象,导致产品不开机。

 

*** 以上内容均为原创,如需转载,请注明出处 ***

 

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