隱形失效：金屬間化合物尖刺如何“欺騙”半導(dǎo)體鍵合強(qiáng)度測(cè)試

在微電子封裝領(lǐng)域，金-鋁（Au-Al）球形鍵合是連接芯片與外部電路的關(guān)鍵工藝。一個(gè)理想的鍵合點(diǎn)應(yīng)具備高強(qiáng)度與高可靠性。然而，當(dāng)焊接本身存在初始缺陷，并經(jīng)歷后續(xù)的熱應(yīng)力（如器件工作發(fā)熱或環(huán)境溫度循環(huán)）時(shí)，一種隱秘的失效機(jī)制——金屬間化合物（IMC）尖刺的形成——便可能悄然發(fā)生。這種微觀結(jié)構(gòu)的異常生長(zhǎng)，不僅會(huì)改變鍵合點(diǎn)的力學(xué)性能，更會(huì)對(duì)常規(guī)的質(zhì)量檢測(cè)方法構(gòu)成挑戰(zhàn)，甚至產(chǎn)生具有誤導(dǎo)性的“強(qiáng)度假象”。今天，就跟隨科準(zhǔn)測(cè)控小編一起來(lái)深入了解一下這種有趣的失效現(xiàn)象，以及如何通過科學(xué)的測(cè)試方法揭示其本質(zhì)。

一、失效機(jī)理：從不良焊接到尖刺生長(zhǎng)

金屬間化合物是兩種不同金屬在界面處發(fā)生互擴(kuò)散和反應(yīng)而形成的既定相，其形成本身是鍵合工藝成熟的正常標(biāo)志。在健康的Au-Al鍵合中，IMC層通常連續(xù)且均勻，這有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的連接。

問題的根源在于初始的“加工態(tài)”焊接不良。當(dāng)金球與鋁焊盤之間的焊接本身不充分（可能由于鍵合參數(shù)不當(dāng)、焊盤污染或氧化導(dǎo)致），界面接觸并不完美。隨后施加的熱應(yīng)力會(huì)加劇界面處金與鋁原子的非均勻擴(kuò)散與反應(yīng)。在這種非理想條件下，IMC傾向于以孤立、不規(guī)則的“尖刺”或“須狀”形態(tài)生長(zhǎng)，而非形成均勻的層。如圖所示，這些尖刺可以同時(shí)向金球和鋁焊盤內(nèi)部縱深延伸，如同微觀的錨定樁。

二、測(cè)試方法的挑戰(zhàn)與“強(qiáng)度假象”

正是這種尖刺結(jié)構(gòu)，對(duì)傳統(tǒng)的破壞性強(qiáng)度測(cè)試方法構(gòu)成了獨(dú)特挑戰(zhàn)，尤其是焊球剪切測(cè)試。該測(cè)試通過一個(gè)水平推刀從側(cè)面推切焊球，以測(cè)量使其脫離焊盤所需的力。尖刺在橫向形成了顯著的機(jī)械互鎖作用，會(huì)極大地增加剪切測(cè)試的阻力，從而產(chǎn)生一個(gè)虛假的高剪切力讀數(shù)。一個(gè)本質(zhì)上焊接薄弱、本應(yīng)被剔除的鍵合點(diǎn)，可能因?yàn)榧獯痰摹板^固”效應(yīng)而在剪切測(cè)試中“蒙混過關(guān)”，留下長(zhǎng)期可靠性隱患。

為了揭示真實(shí)的界面結(jié)合強(qiáng)度，識(shí)別這種隱蔽缺陷，業(yè)界發(fā)展出了一系列更為精細(xì)的失效分析技術(shù)：

1. 拉拔測(cè)試與翻轉(zhuǎn)測(cè)試：這是診斷此類問題的關(guān)鍵方法。操作者使用精密的手術(shù)刀刀片，小心地從鍵合點(diǎn)側(cè)下方切入并向上“撬起”或“翻轉(zhuǎn)”金球。對(duì)于一個(gè)存在IMC尖刺但界面本征結(jié)合弱的不良鍵合點(diǎn)，通常僅需很小的垂直拉力（例如3-5克力）即可使其脫起。成功拉起后，在鋁焊盤表面和脫落的金球底部，都會(huì)留下清晰的IMC尖刺殘骸。

2. 撬杠測(cè)試：此操作是翻轉(zhuǎn)測(cè)試的具體實(shí)施手法，強(qiáng)調(diào)利用杠桿原理，以精細(xì)工具進(jìn)行局部的、可控的撬動(dòng)，旨在破壞尖刺的機(jī)械互鎖，而不對(duì)焊盤造成不必要的損傷。

3. 時(shí)序的重要性與拉力測(cè)試：研究（如Harman的實(shí)驗(yàn)）表明，對(duì)于初始剪切力已低于最佳值50%的弱鍵合點(diǎn)，經(jīng)歷熱應(yīng)力后，其真實(shí)強(qiáng)度（可用垂直拉力表征）可能進(jìn)一步降至正常值的25%以下。因此，在熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段穿插進(jìn)行非破壞性或微破壞性的拉力測(cè)試，是篩選出此類潛伏缺陷鍵合點(diǎn)的有效質(zhì)量控制手段。一個(gè)在熱老化后僅用幾克力就能拉起的鍵合點(diǎn)，明確指出了初始焊接不良及尖刺失效機(jī)制的存在。

4. 化學(xué)腐蝕輔助分析：對(duì)于日益微縮的細(xì)節(jié)距焊球，物理插入工具進(jìn)行撬測(cè)變得異常困難。此時(shí)，可采用20%氫氧化鉀（KOH）溶液選擇性腐蝕鋁焊盤的方法。鋁被腐蝕后，鍵合點(diǎn)自然脫落，隨后在顯微鏡下檢查金球底部的IMC形貌，可以獲得與機(jī)械翻轉(zhuǎn)測(cè)試相媲美的失效信息。

三、結(jié)論與實(shí)踐：破解“強(qiáng)度假象”的鑰匙

綜上所述，金屬間化合物尖刺所導(dǎo)致的“強(qiáng)度偽裝”失效機(jī)制，深刻揭示了微電子封裝可靠性評(píng)估的復(fù)雜性。它明確指出單一測(cè)試的局限以及工藝控制核心。

要將這一理論認(rèn)知轉(zhuǎn)化為可靠的工程實(shí)踐，則離不開高精度、多功能的專業(yè)測(cè)試設(shè)備。科準(zhǔn)測(cè)控微力測(cè)試設(shè)備能夠精準(zhǔn)執(zhí)行剪切、拉拔、剝離等測(cè)試，其卓越的力值分辨率與控制穩(wěn)定性，尤其適合用于復(fù)現(xiàn)與研究此類微小的、具有欺騙性的失效現(xiàn)象。通過模擬“僅用幾克力即可拉起熱老化后弱鍵合”等關(guān)鍵場(chǎng)景，設(shè)備能為工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控提供量化、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐，幫助工程師提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，將失效分析理論轉(zhuǎn)化為提升產(chǎn)品可靠性的實(shí)際行動(dòng)。