印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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X-Ray照过、切片做过、电测全过,板子还是坏了?真相只有一个:柯肯达尔空洞

发布时间: 2026-04-15 00:00
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Q:出厂X-Ray透视全过,切片报告干净,焊点外观完美,为什么客户端还是偶发不开机?

A:柯肯达尔空洞

Q:高温老化箱里跑了1000小时,电测一切正常,为什么装机三个月后就时好时坏?

A:柯肯达尔空洞

Q:红墨水染了,推拉力拉了,SEM下界面IMC厚度也量了,数据都在规格内,为什么还是找不到根因?

A:柯肯达尔空洞

Q:所以,柯肯达尔空洞究竟是什么?


1.柯肯达尔空洞?

柯肯达尔空洞(Kirkendall Void)源于冶金学中的柯肯达尔效应:两种金属互扩散时,因原子扩散速率不同,扩散快的一侧会形成空位并聚集成孔洞(高温会显著加速这一过程)。

典型柯肯达尔( Kirkendall )空洞

典型柯肯达尔( Kirkendall )空洞

在半导体封装中,这类空洞常出现在金属间化合物(IMC)键合界面附近,导致电路接触电阻增大甚至开路失效。

典型实例为金铝(Au-Al)键合体系:金原子向铝中的扩散速率远大于铝原子向金中的扩散速率(D_Au ≫ D_Al),金线侧因原子净流出产生大量空位并聚集形成柯肯达尔空洞。空洞会诱发界面微裂纹扩展,最终引发键合点开路失效。


2.典型失效案例

某公司送检一批SMT贴装后不开机的DDR(内存芯片)样品,初步怀疑焊接不良。然而X-Ray、CT无损检测及红墨水染色、切片分析均显示BGA焊球完好,未见桥连、空焊或开裂迹象。

CT扫描图与红墨水染色图

CT扫描、红墨水染色

切片分析图与C-SAM扫描图

切片分析图与C-SAM扫描图

分析转向芯片内部封装与键合质量。经FIB离子研磨和SEM观察,真相浮现:键合点处发现连续裂纹,位于金铝IMC界面——典型的柯肯达尔空洞失效。

案例分析图

案例分析图

这种失效的隐蔽性在于其"出厂后才发作"的特性:出厂电测时金铝IMC尚未退化,空洞未形成;但设备运行发热或遭遇高温环境后,因金铝扩散速率差异(D_Au ≫ D_Al)在金线侧聚集空位,空洞逐渐扩大,最终阻值上升直至开路。


3.针对常见焊点界面柯肯达尔空洞,普遍的应对措施包括:

  1. 由于柯肯达尔空洞源于异种金属扩散速率差异,最有效的思路是在Cu/Sn或Au/Al等异种金属界面增加阻挡层(如镍、钛钨),抑制互扩散和金属间化合物过度生长。尽管随着微凸点尺寸缩小,阻挡层厚度相应减薄导致抑制性能下降,但在当前工艺下,Ni仍是可靠的防线。

  2. 在微间距制造趋势下,可向无铅焊料中添加微量合金元素(如锗Ge),有效调控界面IMC(如Cu₆Sn₅)的生长动力学,抑制有害相(如Cu₃Sn)的生成。

  3. 除阻挡层外,精细的工艺管控同样关键。例如,优化Ni层磷含量(通常7-11 wt%,高磷镍耐蚀性更佳),平衡耐蚀性与IMC生长速率;控制焊接温度曲线(峰值温度、液相时间),避免过度扩散。同时,适当延长回流焊的液相线以上时间,可促进IMC均匀生长,减少界面缺陷。

  4. 高温加速扩散是空洞生长的催化剂。无论是焊点内部还是芯片外围,做好散热设计(降低工作结温)、严格把控极限温度下的暴露时间,对抑制空洞均有积极意义。


PCBA失效分析中,若常规外观检查、X-Ray及红墨水试验均未发现BGA焊球异常,可以排查封装内部键合点的柯肯达尔空洞,这将为解决疑难杂症提供关键突破口。

每一次微观世界的空洞,都可能是产品生命周期中的巨大暗礁,建议在研发试产阶段导入高温存储寿命测试(HTST)或严苛的温度循环试验,模拟元器件长期服役中的界面老化,提前暴露潜在的柯肯达尔失效风险,别等到客户口碑出现"空洞",再回头补救。

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