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续上期知识的Kirkendall空洞问题

文章出处:深圳市龙合自动化设备有限公司发表时间:2018/7/6 14:58:42【

 Kirkendall空洞是发生在IMC之间的,而我们常接触到的Void发生在焊点的中间层,直接影响的是焊点的强度和可靠性,那么Kirkendall空洞的产生和我们常见的空洞有联系吗?而Kirkendall空洞目前业界有没有这方面的规范和要求?还有“Kirkendall“这个单词作何解?

     其实,Kirkendall这个词汇在材料科学基础中随处可见...

 

     Kirkendall效應乃是在1947年(也有说是1939年)由美国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。

柯肯达尔现象(Kirkendall equation)

     在焊接过程中,合金形成的焊点,在结合层附近会发现一些微小的孔洞,而且随着时间的积累,这些孔洞会越来越大,最.后会连成一条细缝,导致焊点断裂。这种现象,就是Kirkendall效应,要解释Kerkendall现象,让我们先了解扩散的微观机制。

 

扩散的微观机制:

1. 直接换位机制

原子的扩散是相邻两原子直接对调位置而进行的,但是原子的直接换位,势必引起它们附近晶格的强烈畸变,因此这种扩散机制在实际上不太可能的。

 

2. 间隙机制

该机制适用于间隙式固溶体中间隙原子(H、C、N、O、B等)的扩散。在扩散的过程中,间隙原子从一个间隙位置跳动到另一个间隙位置,而阵点的原子认为是不迁移的。

 

3. 空位机制

     处于晶体点阵结点位置的原子与邻近空位交换位置而实现原子的迁移。实现空位扩散的条件是扩散原子近邻存在空位。空位机制适用于置换式固溶体中的原子扩散,在置换式固溶体中,因为原子尺寸相差不大,因此,一般来说不能进行间隙扩散。

     除此之外,还有其他一些扩散机制,包括环形机制、填隙子机制、挤列子机制等。而以上集中机制,间隙机制是间隙式固溶体中间隙原子扩散的主要机制;空位机制是FCC金属中扩散的主要机制,在BCC和HCP金属、离子化合物中,它也起到重要的作用。

 

FCC:Cu、Al、Ni、Pb、Au、Ag、γ-Fe

BCC:α-Fe、W、Mo、β黄铜

 

      造成Kirkendall现象的原因是不等量的原子交换,低熔点组元扩散快,高熔点组元扩散慢。Kirkendall现象正是扩散的空位机制的证明。Kirkendall效应往往会产生副作用。若晶体收缩完全,原始界面会发生移动;若晶体收缩不完全,在低熔点金属一侧会形成分散的或集中的空位,总数超过平衡空间的空位浓度,形成Kirkendall孔洞,并造成晶体表面凹凸。这样往往会引起电子器件的断线、击穿、性能劣化、失效,或无法达到烧结致密化等不利影响。

      即焊点形成时或者形成之后,焊点中金属之间的扩散在微观上适用空位机制。由于不同的金属熔点不同,扩散速率不同,所以进行了不等量的原子交换。晶体收缩不完全,那么在扩散速率快的金属那一侧,由于一些原子扩散到高熔点组元中,留下的分散或集中的空位却没有被高熔点(扩散慢)组元的原子及时填补,集中的空位宏观上就是我们看到的孔洞。由于原子是不停的运动的,所以随着扩散的进行,这些孔就会变大,最.后连成一条裂缝。

     所以Kirkendall实际上对焊点的可靠性是有不良影响的。

      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除了在焊点内部和焊接界面上多有产生...高功率LED对电流的拥挤敏感,不均匀的电流密度分布在接合点(junction)上,可能会产生局部的热点,存在热烧毁的风险,基板的不均匀导致热传导损失,使得问题变的更严重,常见的是来至于焊接材料的孔洞或是电子迁移效应和Kirkendall空洞,热烧毁是LED常见的失效。

 

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影响医疗植入电子设备质量与可靠性的主要因素

      植入人体的电子器件在很多方面都处于良好的工作环境下。但是,在偶然情况下某些器件仍会出现性能下降及完全失效的问题。由于这些器件非常昂贵,而且关乎人身健康与安.全,因此必须仔细考虑应如何测试器件,尤其是如何降低相关风险。本文将分三部分讨论长时间工作在体温环境下焊接组件可靠性下降问题,以及不同金属间化合物和锡须的生长现象。由于材料选择、厂家工艺控制水平和污染情况不同,这些行为可能使植入器件抗御机械负荷的能力大幅度降低,甚至可能在没有很大负荷的情况下就失效。这类失效现象部分可采用底部填充技术减少或消除,但这样做又会带来其它风险,必须通过优化选材和基板设计来降低。

      在美国有2,500万人体内植入了医.疗器件,但大多数是非电子产品(如隐形眼镜、心脏支架、人造膝盖和髂骨等),植入器件的范围很广,还包括传感器和.药物注射泵以及各种激励系统。目前已有近百万美国人在使用植入式心脏除颤器和心脏起搏器,其它激励系统更被用于治.疗各式问题,如小便失禁以至慢性疼痛之类的疾.病,而深度脑激励也用于治.疗诸如癫痫症、痉挛性震颤和帕金森综合症等疾.病。虽然这些产品目前的应用规模不算大,但肯定会在不久的将来获得更广泛的运用。例如在被诊断有帕金森综合症的150万美国人中,只有1%愿意使用深度脑激励器,而目前又仅有一小部分人做了植入。虽然如此,只要看看价格(每个约25,000美元)就足以刺激厂商进行新产品开发。

      在植入治.疗中,那些直接关系到生命安.全的设备如心脏除颤器和心脏起搏器等的质量和可靠性特别具有挑战性。毕竟,即使是一次早期(意料之外)的失效都可能带来严重后果,不仅因为有致.命的可能,而且发生这类事件所引起的关注度非常高。因此,这类设备的电子部件必须接受各种各样的测试,如多次回流焊和修复循环测试、(具有侵蚀性的)清洗测试、各种存放条件下的测试,以及针对运送和使用中可能承受的各种机械负荷的测试。

      尽管如此,我们仍然担心小概率失效发生,也就是说,检查或老化处理之类的手段并不能消除个别极小的由于缺陷导致设备早期失效的风险。

      为了了解和定量预测微电子封装器件的长期可靠性所做的研究工作,传统的做法一直着重于热循环和使用环境的影响。尽管器件在植入前通常会经历一定数量的热循环,但这并非我们主要关心的问题。我们所关心的是那些对有限样品进行加速测试时未考虑到的现象,如锡须逐渐生长或焊锡挤出而导致的短路,或Kirkendall空洞形成的开孔。

      我们关注的另一个问题是长时间使用后机械连接稳固性减弱的问题。为使病人更加舒适,产品要求重量尽可能轻、尺寸尽可能小,而且柔韧性高;但这些设计限制又给产品的稳定性带来挑战。因此,这些器件必须能承受高速率的应变,如遭受枪击或撞车时安全带所产生的瞬间冲击,以及较温和的机械负荷下的长期疲劳测试。此外,器件的整体稳定性还会因个别连接点强度在服务期内严重退化而遭到意想不到的破坏,其发生概率取决于冶金材料的选择、器件厂家和组装厂家的工艺控制水平情况。 

      本文通过研究那些很少会发生问题的现象,讨论一些与区域阵列器件焊接组装相关的效应,重点是Kirkendall空洞效应和两种与镀镍/金焊盘密切关联的机理,本文同时还将讨论一些加速老化实验的规程。

 

问题的提出

     成本始终是重要因素,即使对于高.端医疗设备也是这样,但这里成本却不是我们关心组装良率的主要原因。而是因为较高缺陷率会导致频繁的维修,甚至需要进行反复维修。对焊接连接来说,这将涉及局部加热和处理,可能对近邻部件造成损坏。

     另外还有一个更棘手的问题:器件的潜在缺陷和损伤。事实上,连接点或焊接点有可能处于某种极端的环境下,即使是非常仔细的检查也无法检测到,尤其是当隐藏在内部或精密区域阵列器件下面时。对此,人们直接的反应是借助于严格的老化处理,但要想设计能消除缺陷同时又不损伤组件的方法就需要详细了解失效的机理。

      总之,在制造过程中和制造后以至投入使用后,处理组件时都有可能造成损伤,侵蚀性的清洗处理肯定会削弱粘合处和其它有机层的强度。此外,医用植入器件虽然在使用中不会经受具有明显破坏力的热循环,但在维修过程却要经受多次回流焊和修复处理,同时在保存和运输过程中还会出现热漂移。

     由于这类效应导致的失效都会立即表现出来或可以检测出来,因此不必对此太过担心。甚至可用简单的测试确保这些处理后的器件仍然能承受植入前最大的设计负荷和形变应力。机械疲劳的影响会稍微棘手一些,但基本上可以直接将等温测试的结果外推到实际的应用环境,并结合这种测试处理中不同级别的“预处理”损伤来建立相应的技术指标,确保器件具有所要求的使用寿命。

      更难应对的是某些空洞生长和微结构演变效应,会在特定的情况引发可靠性问题。这类效应一般都存在,如在铜/铅锡焊点中形成Kirkendall空洞,但不会有大的扩展,因而不至于对可靠性构成威胁。然而在某些特定场合,如制造中对金属涂镀加工控制不当,这类效应就可能加剧,使到某一互连点不能承受实际应用环境的负荷或形变应力。与污染或电镀槽及工艺相关的技术指标非常难定义,也很难实施(即难于测试和检查),除非能够充分了解相关的机械机理,才可以明确建立加速测试规程和补救措施的定义。我们将在下面举例讨论这个问题。

 

影响可靠性下降主要因素

      以下我们将重点讨论可能导致电气连接机械性损伤的劣化现象,包括Kirkendall空洞效应和金属间化合层的成长。在处理和使用过程中,真正施加在连接端上连接点处的机械性负荷是很有限的,一方面受限于外界施加在组装件上的整体形变,另一方面还常被邦定或焊接点的柔韧性所缓解。因此,只要连接强度超过了这一负荷限度,就毋须担心连接点的强度值。但是,连接点品质一旦退化,使其强度值小于这一负荷限度,问题就会出现。降低封装件上的机械性负荷显然可以延长器件的使用寿命。

      但这并不意味着我们可以忽视这些潜在可能造成失效的因素,因为其中某个可能会不断发展,最终导致连接破坏,这甚至会在无负荷的情况下发生。此外,我们还将讨论一些导致短路的失效机理。

       Kirkendall空洞效应 绝大多数微电子封装器件都采用引线邦定,通常是把金线连在铝合金焊盘表面。在这种连接中,最常见的一种影响长时间可靠性的现象是所谓的Kirkendall空洞效应,这种扩散空洞效应具有Arrhenius理论描述的表现行为。在体温下,一个良好连接点寿命可达万年以上,但这种空洞效应会因连接点表面污染而加强,因为杂质的金属相可溶解性较差,因此在空洞扩散过程中会随扩散边沿外推,并在扩散边沿沉积,围成空洞池,此外表面上原有的空洞也会加强Kirkendall效应。在这两种情况下,连接点可靠性将不断降低,并最终断开。Kirkendall效应对焊接的组件也是个问题,尤其是当金属间化合物中锡的含量较高时,其敞开的晶格会大幅度助长非锡物质的扩散。

      我们认为金在焊接时Kirkendall效应会比较突出,事实上,这种效应经常观察到,尽管致因不尽相同。在金焊凸上焊接一直被认为适合于倒装芯片组装,但实际上这并不适用于医用植入电子器件,也不适合其它在小焊点下有较厚镀金层的情况。从另一个角度看,采用较薄镀金层反倒是保护焊盘(如镍焊盘)可焊性的一个常用手段。正如下文所述,镀金层的厚度不当可能导致其它问题。

      镍/金焊盘最常用的替代品是铜焊盘,焊盘用很薄的有机溶剂防护层(OSP)或预浸锡铅焊料合金,通常是用热风整平工艺(HASL)。在铜焊盘上焊接时,Kirkendall效应不像金/铅锡表面那样显著,而且金属间化合层之间的空洞很少,以至于在光学显微镜下都观察不到。但是,由于铜在Cu3Sn和Cu6Sn5顶层中扩散较快,老化后将在Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn/Cu6Sn5界面处形成空洞。正常情况下,这种空隙的生长在接近体温下还不致于产生问题,但如果铜表面原来的污染没祛除,空隙生长就会加快。这种空隙不可与液相焊接点中因助焊剂反应产生的挥发物演变所导致的气泡混淆。空洞会在焊盘表面顶层(即部件侧)累积,并在那里助长疲劳断裂的生长,不过这种空洞在固态扩散下通常生长不显著。

      在我们讨论的应用中,热循环不成问题,机械循环的影响也有限,因此我们主要关心的是因“地垒效应”(horsting effect)而加强的Kirkendall空洞生长。这种效应导致的空洞生长速度只在很少情况下才会达到足以在器件寿命期内削弱或完全破坏金属间化合物结合的程度。消除这种危险的方法就是尽可能地减少焊盘表面污染,并辅以适当的助焊剂。我们在后面将讨论针对这类现象加速老化测试的规程。

      铜焊盘的唯.一成熟替代品是前面提到的镀镍/金焊盘。不同的焊盘设计之间金镀膜厚度差异较大。据报道,延长化学镀镍层Ni(P)和铅锡间的反应也可能在镍表面形成Kirkendall空洞,不过其危害似乎比铜焊盘更小。在封装器件焊接点对侧有铜焊盘时会有铜扩散到焊料中,我们也观察到了更复杂的机理。

      这种情况下,我们发现Ni3Sn4的顶部有一层三元合金层(Cu,Ni)6Sn5形成,这种老化会导致空隙在Ni3Sn4/(Cu,Ni)6Sn5界面处生长。

 

作者:环球仪器公司Peter Borgesen

Binghamton大学物理与材料科学系Eric Cotts. (原文出自SMT之家论坛

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