最後更新:2026年10月8日後段製程・先進封裝封裝中國大陸:柯肯达尔空洞

柯肯達爾空洞(Kirkendall Void)是什麼

Kirkendall Void

柯肯達爾空洞是在2種金屬接觸的界面上,因原子擴散速率不同而累積空位所形成的微小空洞。在金線與鋁焊墊的接合,或銅電極與焊料的接合中,長時間置於高溫時會隨著介金屬化合物的成長而產生,造成接合強度下降或剝離。可藉由鍍鎳等方式抑制。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

柯肯達爾空洞(Kirkendall Void)是在2種金屬接觸的界面上,由於彼此原子的擴散速率不同,擴散較快的一側累積原子空缺(空位),這些空位聚集而形成的微小空洞。名稱源自1947年美國的柯肯達爾(Kirkendall)在銅與黃銅的接合中,證明界面位置會因擴散而移動(柯肯達爾效應)。在高溫下保持越久,擴散越進展,空洞也越多、越大。

在半導體封裝中,打線接合與焊料接合會出現這個問題。在金線與鋁焊墊的接合中,高溫下金與鋁相互擴散形成介金屬化合物,在此過程中接合界面附近會產生柯肯達爾空洞。空洞相連後接合強度下降、電阻上升,最終成為接合剝離(bond lift)的不良。由於部分金鋁化合物呈紫色,這種劣化也曾被稱為紫斑(purple plague)。銅線與鋁焊墊的組合,化合物成長比金慢,因此被認為在高溫可靠度方面較有利。

在焊料接合中,銅電極與含錫焊料的界面會形成Cu₆Sn₅或Cu₃Sn等介金屬化合物,長時間置於高溫時,Cu₃Sn層內或界面會產生柯肯達爾空洞。空洞排列成一排時,接合在跌落等衝擊下就容易斷裂。對策包括在電極上施以鍍鎳以抑制銅與錫的擴散,或在焊料組成與電極表面處理上下工夫。柯肯達爾空洞的發生,會在高溫儲存試驗後以拉線試驗、推力試驗及截面觀察來評估。

柯肯達爾空洞(Kirkendall Void)的常見問題

柯肯達爾空洞是怎麼形成的?
2種金屬接觸時彼此的原子會擴散,但若速率不同,擴散較快的一側會留下較多原子空缺(空位)。這些空位聚集成肉眼可見的空洞,就是柯肯達爾空洞,在高溫下保持越久就越多。
如何防止柯肯達爾空洞?
基本做法是選擇能減緩擴散的材料組合。在焊料接合中,於銅電極上鍍鎳以抑制銅與錫的擴散;在打線接合中,則採用介金屬化合物成長較慢的銅線等方法。降低使用溫度也有效果。

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