焊点柯肯达尔孔洞的形成与危害
前面讨论了焊点中孔洞缺陷的类型，下面重点介绍一下锡膏回流焊后产生的柯肯达尔孔洞。
柯肯达尔孔洞的高发场景
据统计,由热所引起的器件失效约占电子器件器件失效的百分之五十以上。过高的运行温度不仅会损坏半导体设备，还会降低电子设备的可靠性和性能。随著芯片上晶体管数量的增加，其发热量也随之增加，使得发热问题更加突出。电子设备若长时间工作于工作温度较高的环境，则会使焊点与晶片或基片上金属接点之间发生相互作用，造成界面金属间化合物的生成和生长。由于受热的作用，焊点内合金元素的反应扩散不均，造成界面上微孔的形成、聚合、长大以及微孔的产生，从而降低焊接点的力学完整性，使界面弱化，造成界面上焊点的破坏。
柯肯达尔孔洞位置
界面或金属间化合物IMC中
柯肯达尔孔洞生长图（图片源自网络，侵删）
柯肯达尔孔洞的危害
由于各种IMC或IMC与焊料之间热膨胀系数的差异，焊点内应力较大，应力容易集中在柯肯达尔孔洞中，使孔洞成为裂纹源，焊点易脆性断裂，因此柯肯达尔孔洞对锡膏微焊点的可靠性具有前所未有的挑战性。
柯肯达尔孔洞产生原因-柯肯达尔效应
扩散是原子(或分子)在物质中的迁移，是物质传递的一种方式。当两种不同金属接触并发生扩散时，快速扩散的金属一侧可形成分散或集中的空位，而在慢速的一边则有点阵膨胀。柯肯达尔等人首先证实了这一点，因此称为柯肯达尔效应。从柯肯达尔效应可以看出，当两种物质相互扩散时，由于其扩散速度不同，在扩散较快的金属侧会形成孔洞。这一现象也常发生在异种材料扩散焊接中，显微镜下可观察到扩散孔。
Sn-Cu软钎焊焊点扩散示意图（图片源自网络，侵删）
柯肯达尔孔洞对可靠性的影响
高端服务器及通讯设备的封装锡膏焊点一般都在75℃左右的环境下工作6~7年，由于柯肯达尔孔洞形成的原因，这可能导致锡膏焊点完全断开。近年来火爆的3D封装结构由于封装密度高、功率荷载高和结构的散热性不足，使单位体积的3D封装元件的发热量越来越大，工作温度已超过75℃，较易产生柯肯达尔孔洞，使焊点寿命缩短。Chiu等人的研究发现，锡膏焊点老化时间越长，老化运行温度越高，锡膏焊点中的柯肯达尔孔密度越高，锡膏焊点的抗冲击性越低。而在125℃老化10天时，试验板寿命比未老化的要低80%，而在125℃老化40天后，在第一次下落冲击时就发生失效。文章提出，焊点强度与锡膏焊点下落可靠性的下降主要与柯肯达尔孔洞的形成及结合有关。
影响柯肯达尔孔洞形成的因素
焊接材料、焊料掺杂、UBM预处理等因素对柯肯达尔孔洞形成的影响较大。
就锡膏及其他焊料中添加杂元素来讲，一些研究说明锡膏或其他焊料掺杂元素有时可以对柯肯达尔孔洞的形成产生抑制作用。
锡膏或其他焊料与焊盘金属间的化学反应受合金元素影响为(1)反应/生长速率增大或降低。(2)加入物可改变反应形成相的物理特性。(3)可在界面上形成附加相，也可取代二元相形成其他反应产物。例如焊料界对Zn和Ni元素的掺杂已经有不少研究。
正如前面所述，柯肯达尔孔洞的形成与多种因素相关，是各因素综合影响的结果，但作为在封装焊接中起重要作用的锡膏，要在产品设计时进行考虑，并在锡膏配方设计时尽量避免。深圳市福英达工业技术有限公司专门从事高品质锡膏、锡胶、焊锡粉的研制与生产，对于如何提高锡膏、锡胶、助焊剂等焊料可靠性方面有一定的经验心得，欢迎公司来电咨询与合作。
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