X-Ray照過、切片做過、電測(cè)全過，板子還是壞了？真相只有一個(gè)：柯肯達(dá)爾空洞

發(fā)布時(shí)間： 2026-04-15 00:00

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Q:出廠X-Ray透視全過，切片報(bào)告干凈，焊點(diǎn)外觀完美，為什么客戶端還是偶發(fā)不開機(jī)？

A:柯肯達(dá)爾空洞

Q:高溫老化箱里跑了1000小時(shí)，電測(cè)一切正常，為什么裝機(jī)三個(gè)月后就時(shí)好時(shí)壞？

A:柯肯達(dá)爾空洞

Q:紅墨水染了，推拉力拉了，SEM下界面IMC厚度也量了，數(shù)據(jù)都在規(guī)格內(nèi)，為什么還是找不到根因？

A:柯肯達(dá)爾空洞

Q:所以，柯肯達(dá)爾空洞究竟是什么？

1.柯肯達(dá)爾空洞？

柯肯達(dá)爾空洞（Kirkendall Void）源于冶金學(xué)中的柯肯達(dá)爾效應(yīng)：兩種金屬互擴(kuò)散時(shí)，因原子擴(kuò)散速率不同，擴(kuò)散快的一側(cè)會(huì)形成空位并聚集成孔洞（高溫會(huì)顯著加速這一過程）。

典型柯肯達(dá)爾（ Kirkendall ）空洞

在半導(dǎo)體封裝中，這類空洞常出現(xiàn)在金屬間化合物（IMC）鍵合界面附近，導(dǎo)致電路接觸電阻增大甚至開路失效。

典型實(shí)例為金鋁（Au-Al）鍵合體系：金原子向鋁中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于鋁原子向金中的擴(kuò)散速率（D_Au ? D_Al），金線側(cè)因原子凈流出產(chǎn)生大量空位并聚集形成柯肯達(dá)爾空洞。空洞會(huì)誘發(fā)界面微裂紋擴(kuò)展，最終引發(fā)鍵合點(diǎn)開路失效。

2.典型失效案例

某公司送檢一批SMT貼裝后不開機(jī)的DDR（內(nèi)存芯片）樣品，初步懷疑焊接不良。然而X-Ray、CT無損檢測(cè)及紅墨水染色、切片分析均顯示BGA焊球完好，未見橋連、空焊或開裂跡象。

CT掃描圖與紅墨水染色圖

CT掃描、紅墨水染色

切片分析圖與C-SAM掃描圖

分析轉(zhuǎn)向芯片內(nèi)部封裝與鍵合質(zhì)量。經(jīng)FIB離子研磨和SEM觀察，真相浮現(xiàn)：鍵合點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)連續(xù)裂紋，位于金鋁IMC界面——典型的柯肯達(dá)爾空洞失效。

案例分析圖

這種失效的隱蔽性在于其"出廠后才發(fā)作"的特性：出廠電測(cè)時(shí)金鋁IMC尚未退化，空洞未形成；但設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱或遭遇高溫環(huán)境后，因金鋁擴(kuò)散速率差異（D_Au ? D_Al）在金線側(cè)聚集空位，空洞逐漸擴(kuò)大，最終阻值上升直至開路。

3.針對(duì)常見焊點(diǎn)界面柯肯達(dá)爾空洞，普遍的應(yīng)對(duì)措施包括：

由于柯肯達(dá)爾空洞源于異種金屬擴(kuò)散速率差異，最有效的思路是在Cu/Sn或Au/Al等異種金屬界面增加阻擋層（如鎳、鈦鎢），抑制互擴(kuò)散和金屬間化合物過度生長(zhǎng)。盡管隨著微凸點(diǎn)尺寸縮小，阻擋層厚度相應(yīng)減薄導(dǎo)致抑制性能下降，但在當(dāng)前工藝下，Ni仍是可靠的防線。
在微間距制造趨勢(shì)下，可向無鉛焊料中添加微量合金元素（如鍺Ge），有效調(diào)控界面IMC（如Cu?Sn?）的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，抑制有害相（如Cu?Sn）的生成。
除阻擋層外，精細(xì)的工藝管控同樣關(guān)鍵。例如，優(yōu)化Ni層磷含量（通常7-11 wt%，高磷鎳耐蝕性更佳），平衡耐蝕性與IMC生長(zhǎng)速率；控制焊接溫度曲線（峰值溫度、液相時(shí)間），避免過度擴(kuò)散。同時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)回流焊的液相線以上時(shí)間，可促進(jìn)IMC均勻生長(zhǎng)，減少界面缺陷。
高溫加速擴(kuò)散是空洞生長(zhǎng)的催化劑。無論是焊點(diǎn)內(nèi)部還是芯片外圍，做好散熱設(shè)計(jì)（降低工作結(jié)溫）、嚴(yán)格把控極限溫度下的暴露時(shí)間，對(duì)抑制空洞均有積極意義。

PCBA失效分析中，若常規(guī)外觀檢查、X-Ray及紅墨水試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)BGA焊球異常，可以排查封裝內(nèi)部鍵合點(diǎn)的柯肯達(dá)爾空洞，這將為解決疑難雜癥提供關(guān)鍵突破口。

每一次微觀世界的空洞，都可能是產(chǎn)品生命周期中的巨大暗礁，建議在研發(fā)試產(chǎn)階段導(dǎo)入高溫存儲(chǔ)壽命測(cè)試（HTST）或嚴(yán)苛的溫度循環(huán)試驗(yàn)，模擬元器件長(zhǎng)期服役中的界面老化，提前暴露潛在的柯肯達(dá)爾失效風(fēng)險(xiǎn)，別等到客戶口碑出現(xiàn)"空洞"，再回頭補(bǔ)救。