電子元器件封裝中的引線鍵合工藝，是實(shí)現(xiàn)芯片與外部世界連接的關(guān)鍵技術(shù)。其中，金鋁鍵合因其應(yīng)用廣泛、工藝簡單和成本低廉等優(yōu)勢，成為集成電路產(chǎn)品中常見的鍵合形式。金鋁鍵合失效這種現(xiàn)象雖不為人所熟知，卻是電子設(shè)備可靠性的一大隱患。

為什么金鋁鍵合會失效

金鋁鍵合失效主要表現(xiàn)為鍵合點(diǎn)電阻增大和機(jī)械強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致電路性能退化或開路。其根本原因源于金和鋁兩種金屬的物理與化學(xué)特性差異。

1. 金屬間化合物形成(IMC)

當(dāng)環(huán)境溫度升高，金原子和鋁原子開始相互擴(kuò)散，在鍵合界面形成金屬間化合物，如Au?Al、Au?Al?和AuAl?。這些化合物具有較高的電阻率，且質(zhì)地脆硬。它們的形成會顯著增加鍵合點(diǎn)的接觸電阻，并削弱其機(jī)械強(qiáng)度。

2. 柯肯德爾效應(yīng)

由于金原子的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)高于鋁原子，這種不對等的質(zhì)量遷移導(dǎo)致界面處形成微觀空洞，即柯肯德爾空洞?？斩吹膮R聚和生長會減少鍵合點(diǎn)的有效接觸面積，直接導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低，直至鍵合點(diǎn)分離。金屬間化合物的形成與柯肯德爾空洞的生長是相互關(guān)聯(lián)的物理化學(xué)過程，共同加速了鍵合界面的退化。

失效的主要影響因素

1. 溫度

環(huán)境溫度或器件工作溫度是加速失效的首要因素。溫度升高會顯著加快原子擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速度，從而急劇縮短鍵合界面的使用壽命。

2. 時間

金鋁鍵合的失效是一個隨時間累積的過程。即使在常規(guī)工作溫度下，經(jīng)過足夠長的運(yùn)行時間，鍵合界面性能的退化也會逐漸顯現(xiàn)。

解決方案與改進(jìn)措施

面對金鋁鍵合的系統(tǒng)性問題，簡單的工藝參數(shù)調(diào)整已無法根本解決問題。實(shí)踐證明，最有效的解決方案是從材料體系入手，避免使用金鋁異質(zhì)鍵合。金鑒實(shí)驗(yàn)室提供專業(yè)的引線鍵合工藝評價(jià)服務(wù)，幫助企業(yè)評估和優(yōu)化其引線鍵合技術(shù)，確保產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

1. 金-金鍵合系統(tǒng)

當(dāng)芯片鍵合區(qū)為金層時，采用金絲進(jìn)行鍵合。該組合可實(shí)現(xiàn)同質(zhì)金屬互聯(lián)，界面穩(wěn)定，具有最高的可靠性。

2. 鋁-鋁鍵合系統(tǒng)

當(dāng)芯片鍵合區(qū)為鋁層時，推薦使用硅鋁絲進(jìn)行鍵合。純鋁絲機(jī)械強(qiáng)度不足且易氧化，添加約1%的硅元素形成的硅鋁絲，在保持單一金屬體系優(yōu)勢的同時，改善了工藝性能和機(jī)械特性。

3. 其他替代方案

銅絲鍵合憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，已成為中低端領(lǐng)域替代金絲的一種選擇。但需注意，銅與鋁同樣屬于異質(zhì)金屬組合，存在類似的界面反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，且銅絲硬度較高，對工藝控制要求更為嚴(yán)格。

啟示與展望

金鋁鍵合失效問題給電子元器件可靠性工程帶來了重要啟示：在追求工藝簡便和成本控制的同時，不能忽視材料兼容性這一基礎(chǔ)科學(xué)問題。隨著電子設(shè)備向高性能、高可靠性方向發(fā)展，對鍵合工藝的要求也日益提高。通過材料體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從源頭上消除金屬間化合物形成的可能性，才能確保電子元器件在長期使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。