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續上期知識的Kirkendall空洞問題

文章出處:深圳市龍合自動化設備有限公司發表時間:2018/7/6 14:58:42【

 Kirkendall空洞是發生在IMC之間的,而我們常接觸到的Void發生在焊點的中間層,直接影響的是焊點的強度和可靠性,那么Kirkendall空洞的產生和我們常見的空洞有聯系嗎?而Kirkendall空洞目前業界有沒有這方面的規范和要求?還有“Kirkendall“這個單詞作何解?

     其實,Kirkendall這個詞匯在材料科學基礎中隨處可見...

 

     Kirkendall效應乃是在1947年(也有說是1939年)由美國Ernest Kirkendall先生所發現的。此效應提供了原子擴散的發生乃是經由一個空位交換的流程,而非經由直接的原子交換的流程的第.一個證據。

柯肯達爾現象(Kirkendall equation)

     在焊接過程中,合金形成的焊點,在結合層附近會發現一些微小的孔洞,而且隨著時間的積累,這些孔洞會越來越大,最.后會連成一條細縫,導致焊點斷裂。這種現象,就是Kirkendall效應,要解釋Kerkendall現象,讓我們先了解擴散的微觀機制。

 

擴散的微觀機制:

1. 直接換位機制

原子的擴散是相鄰兩原子直接對調位置而進行的,但是原子的直接換位,勢必引起它們附近晶格的強烈畸變,因此這種擴散機制在實際上不太可能的。

 

2. 間隙機制

該機制適用于間隙式固溶體中間隙原子(H、C、N、O、B等)的擴散。在擴散的過程中,間隙原子從一個間隙位置跳動到另一個間隙位置,而陣點的原子認為是不遷移的。

 

3. 空位機制

     處于晶體點陣結點位置的原子與鄰近空位交換位置而實現原子的遷移。實現空位擴散的條件是擴散原子近鄰存在空位。空位機制適用于置換式固溶體中的原子擴散,在置換式固溶體中,因為原子尺寸相差不大,因此,一般來說不能進行間隙擴散。

     除此之外,還有其他一些擴散機制,包括環形機制、填隙子機制、擠列子機制等。而以上集中機制,間隙機制是間隙式固溶體中間隙原子擴散的主要機制;空位機制是FCC金屬中擴散的主要機制,在BCC和HCP金屬、離子化合物中,它也起到重要的作用。

 

FCC:Cu、Al、Ni、Pb、Au、Ag、γ-Fe

BCC:α-Fe、W、Mo、β黃銅

 

      造成Kirkendall現象的原因是不等量的原子交換,低熔點組元擴散快,高熔點組元擴散慢。Kirkendall現象正是擴散的空位機制的證明。Kirkendall效應往往會產生副作用。若晶體收縮完全,原始界面會發生移動;若晶體收縮不完全,在低熔點金屬一側會形成分散的或集中的空位,總數超過平衡空間的空位濃度,形成Kirkendall孔洞,并造成晶體表面凹凸。這樣往往會引起電子器件的斷線、擊穿、性能劣化、失效,或無法達到燒結致密化等不利影響。

      即焊點形成時或者形成之后,焊點中金屬之間的擴散在微觀上適用空位機制。由于不同的金屬熔點不同,擴散速率不同,所以進行了不等量的原子交換。晶體收縮不完全,那么在擴散速率快的金屬那一側,由于一些原子擴散到高熔點組元中,留下的分散或集中的空位卻沒有被高熔點(擴散慢)組元的原子及時填補,集中的空位宏觀上就是我們看到的孔洞。由于原子是不停的運動的,所以隨著擴散的進行,這些孔就會變大,最.后連成一條裂縫。

     所以Kirkendall實際上對焊點的可靠性是有不良影響的。

      在實裝工程上,精密焊接是必須靠嚴密的溫度管理及控制界面反應,與含鉛不含鉛不無關係。從前Sn-Pb系到Pb-Free系列對應的相關元素確實增加了。例如部品的表面處理、合金組成元素等條件,在表面處理時用Ni、Pb、Au或者是溶融溫度及機械特性較佳Zn等,在表面處理時方法、厚度、溫度等條件都需十分注意,特別是擴散反應,須留意金屬間化合物的移動。較厚Ni層在長時間的熱處理中,因界面破壞素材與焊材的擴散,其中又以Zn的焊材在短期中會有顯著的發生。Cu素材與其界面,因擴散快速帶來Kirkendall Void使強度劣化,這些組合需加以注意。(kirkendall Void:接合時因擴散引起溫度上升,焊材合金與金屬界面間的金屬化合物,向合金側移動,所引起的空洞現象)

     Kirkendall除了在焊點內部和焊接界面上多有產生...高功率LED對電流的擁擠敏感,不均勻的電流密度分布在接合點(junction)上,可能會產生局部的熱點,存在熱燒毀的風險,基板的不均勻導致熱傳導損失,使得問題變的更嚴重,常見的是來至于焊接材料的孔洞或是電子遷移效應和Kirkendall空洞,熱燒毀是LED常見的失效。

 

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影響醫療植入電子設備質量與可靠性的主要因素

      植入人體的電子器件在很多方面都處于良好的工作環境下。但是,在偶然情況下某些器件仍會出現性能下降及完全失效的問題。由于這些器件非常昂貴,而且關乎人身健康與安.全,因此必須仔細考慮應如何測試器件,尤其是如何降低相關風險。本文將分三部分討論長時間工作在體溫環境下焊接組件可靠性下降問題,以及不同金屬間化合物和錫須的生長現象。由于材料選擇、廠家工藝控制水平和污染情況不同,這些行為可能使植入器件抗御機械負荷的能力大幅度降低,甚至可能在沒有很大負荷的情況下就失效。這類失效現象部分可采用底部填充技術減少或消除,但這樣做又會帶來其它風險,必須通過優化選材和基板設計來降低。

      在美國有2,500萬人體內植入了醫.療器件,但大多數是非電子產品(如隱形眼鏡、心臟支架、人造膝蓋和髂骨等),植入器件的范圍很廣,還包括傳感器和.藥物注射泵以及各種激勵系統。目前已有近百萬美國人在使用植入式心臟除顫器和心臟起搏器,其它激勵系統更被用于治.療各式問題,如小便失禁以至慢性疼痛之類的疾.病,而深度腦激勵也用于治.療諸如癲癇癥、痙攣性震顫和帕金森綜合癥等疾.病。雖然這些產品目前的應用規模不算大,但肯定會在不久的將來獲得更廣泛的運用。例如在被診斷有帕金森綜合癥的150萬美國人中,只有1%愿意使用深度腦激勵器,而目前又僅有一小部分人做了植入。雖然如此,只要看看價格(每個約25,000美元)就足以刺激廠商進行新產品開發。

      在植入治.療中,那些直接關系到生命安.全的設備如心臟除顫器和心臟起搏器等的質量和可靠性特別具有挑戰性。畢竟,即使是一次早期(意料之外)的失效都可能帶來嚴重后果,不僅因為有致.命的可能,而且發生這類事件所引起的關注度非常高。因此,這類設備的電子部件必須接受各種各樣的測試,如多次回流焊和修復循環測試、(具有侵蝕性的)清洗測試、各種存放條件下的測試,以及針對運送和使用中可能承受的各種機械負荷的測試。

      盡管如此,我們仍然擔心小概率失效發生,也就是說,檢查或老化處理之類的手段并不能消除個別極小的由于缺陷導致設備早期失效的風險。

      為了了解和定量預測微電子封裝器件的長期可靠性所做的研究工作,傳統的做法一直著重于熱循環和使用環境的影響。盡管器件在植入前通常會經歷一定數量的熱循環,但這并非我們主要關心的問題。我們所關心的是那些對有限樣品進行加速測試時未考慮到的現象,如錫須逐漸生長或焊錫擠出而導致的短路,或Kirkendall空洞形成的開孔。

      我們關注的另一個問題是長時間使用后機械連接穩固性減弱的問題。為使病人更加舒適,產品要求重量盡可能輕、尺寸盡可能小,而且柔韌性高;但這些設計限制又給產品的穩定性帶來挑戰。因此,這些器件必須能承受高速率的應變,如遭受槍擊或撞車時安全帶所產生的瞬間沖擊,以及較溫和的機械負荷下的長期疲勞測試。此外,器件的整體穩定性還會因個別連接點強度在服務期內嚴重退化而遭到意想不到的破壞,其發生概率取決于冶金材料的選擇、器件廠家和組裝廠家的工藝控制水平情況。 

      本文通過研究那些很少會發生問題的現象,討論一些與區域陣列器件焊接組裝相關的效應,重點是Kirkendall空洞效應和兩種與鍍鎳/金焊盤密切關聯的機理,本文同時還將討論一些加速老化實驗的規程。

 

問題的提出

     成本始終是重要因素,即使對于高.端醫療設備也是這樣,但這里成本卻不是我們關心組裝良率的主要原因。而是因為較高缺陷率會導致頻繁的維修,甚至需要進行反復維修。對焊接連接來說,這將涉及局部加熱和處理,可能對近鄰部件造成損壞。

     另外還有一個更棘手的問題:器件的潛在缺陷和損傷。事實上,連接點或焊接點有可能處于某種極端的環境下,即使是非常仔細的檢查也無法檢測到,尤其是當隱藏在內部或精密區域陣列器件下面時。對此,人們直接的反應是借助于嚴格的老化處理,但要想設計能消除缺陷同時又不損傷組件的方法就需要詳細了解失效的機理。

      總之,在制造過程中和制造后以至投入使用后,處理組件時都有可能造成損傷,侵蝕性的清洗處理肯定會削弱粘合處和其它有機層的強度。此外,醫用植入器件雖然在使用中不會經受具有明顯破壞力的熱循環,但在維修過程卻要經受多次回流焊和修復處理,同時在保存和運輸過程中還會出現熱漂移。

     由于這類效應導致的失效都會立即表現出來或可以檢測出來,因此不必對此太過擔心。甚至可用簡單的測試確保這些處理后的器件仍然能承受植入前最大的設計負荷和形變應力。機械疲勞的影響會稍微棘手一些,但基本上可以直接將等溫測試的結果外推到實際的應用環境,并結合這種測試處理中不同級別的“預處理”損傷來建立相應的技術指標,確保器件具有所要求的使用壽命。

      更難應對的是某些空洞生長和微結構演變效應,會在特定的情況引發可靠性問題。這類效應一般都存在,如在銅/鉛錫焊點中形成Kirkendall空洞,但不會有大的擴展,因而不至于對可靠性構成威脅。然而在某些特定場合,如制造中對金屬涂鍍加工控制不當,這類效應就可能加劇,使到某一互連點不能承受實際應用環境的負荷或形變應力。與污染或電鍍槽及工藝相關的技術指標非常難定義,也很難實施(即難于測試和檢查),除非能夠充分了解相關的機械機理,才可以明確建立加速測試規程和補救措施的定義。我們將在下面舉例討論這個問題。

 

影響可靠性下降主要因素

      以下我們將重點討論可能導致電氣連接機械性損傷的劣化現象,包括Kirkendall空洞效應和金屬間化合層的成長。在處理和使用過程中,真正施加在連接端上連接點處的機械性負荷是很有限的,一方面受限于外界施加在組裝件上的整體形變,另一方面還常被邦定或焊接點的柔韌性所緩解。因此,只要連接強度超過了這一負荷限度,就毋須擔心連接點的強度值。但是,連接點品質一旦退化,使其強度值小于這一負荷限度,問題就會出現。降低封裝件上的機械性負荷顯然可以延長器件的使用壽命。

      但這并不意味著我們可以忽視這些潛在可能造成失效的因素,因為其中某個可能會不斷發展,最終導致連接破壞,這甚至會在無負荷的情況下發生。此外,我們還將討論一些導致短路的失效機理。

       Kirkendall空洞效應 絕大多數微電子封裝器件都采用引線邦定,通常是把金線連在鋁合金焊盤表面。在這種連接中,最常見的一種影響長時間可靠性的現象是所謂的Kirkendall空洞效應,這種擴散空洞效應具有Arrhenius理論描述的表現行為。在體溫下,一個良好連接點壽命可達萬年以上,但這種空洞效應會因連接點表面污染而加強,因為雜質的金屬相可溶解性較差,因此在空洞擴散過程中會隨擴散邊沿外推,并在擴散邊沿沉積,圍成空洞池,此外表面上原有的空洞也會加強Kirkendall效應。在這兩種情況下,連接點可靠性將不斷降低,并最終斷開。Kirkendall效應對焊接的組件也是個問題,尤其是當金屬間化合物中錫的含量較高時,其敞開的晶格會大幅度助長非錫物質的擴散。

      我們認為金在焊接時Kirkendall效應會比較突出,事實上,這種效應經常觀察到,盡管致因不盡相同。在金焊凸上焊接一直被認為適合于倒裝芯片組裝,但實際上這并不適用于醫用植入電子器件,也不適合其它在小焊點下有較厚鍍金層的情況。從另一個角度看,采用較薄鍍金層反倒是保護焊盤(如鎳焊盤)可焊性的一個常用手段。正如下文所述,鍍金層的厚度不當可能導致其它問題。

      鎳/金焊盤最常用的替代品是銅焊盤,焊盤用很薄的有機溶劑防護層(OSP)或預浸錫鉛焊料合金,通常是用熱風整平工藝(HASL)。在銅焊盤上焊接時,Kirkendall效應不像金/鉛錫表面那樣顯著,而且金屬間化合層之間的空洞很少,以至于在光學顯微鏡下都觀察不到。但是,由于銅在Cu3Sn和Cu6Sn5頂層中擴散較快,老化后將在Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn/Cu6Sn5界面處形成空洞。正常情況下,這種空隙的生長在接近體溫下還不致于產生問題,但如果銅表面原來的污染沒祛除,空隙生長就會加快。這種空隙不可與液相焊接點中因助焊劑反應產生的揮發物演變所導致的氣泡混淆。空洞會在焊盤表面頂層(即部件側)累積,并在那里助長疲勞斷裂的生長,不過這種空洞在固態擴散下通常生長不顯著。

      在我們討論的應用中,熱循環不成問題,機械循環的影響也有限,因此我們主要關心的是因“地壘效應”(horsting effect)而加強的Kirkendall空洞生長。這種效應導致的空洞生長速度只在很少情況下才會達到足以在器件壽命期內削弱或完全破壞金屬間化合物結合的程度。消除這種危險的方法就是盡可能地減少焊盤表面污染,并輔以適當的助焊劑。我們在后面將討論針對這類現象加速老化測試的規程。

      銅焊盤的唯.一成熟替代品是前面提到的鍍鎳/金焊盤。不同的焊盤設計之間金鍍膜厚度差異較大。據報道,延長化學鍍鎳層Ni(P)和鉛錫間的反應也可能在鎳表面形成Kirkendall空洞,不過其危害似乎比銅焊盤更小。在封裝器件焊接點對側有銅焊盤時會有銅擴散到焊料中,我們也觀察到了更復雜的機理。

      這種情況下,我們發現Ni3Sn4的頂部有一層三元合金層(Cu,Ni)6Sn5形成,這種老化會導致空隙在Ni3Sn4/(Cu,Ni)6Sn5界面處生長。

 

作者:環球儀器公司Peter Borgesen

Binghamton大學物理與材料科學系Eric Cotts. (原文出自SMT之家論壇

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