金鋁鍵合熱應力可靠性評估：從界面反應到標準制定

在微電子封裝技術中，金屬引線鍵合是實現芯片與外部封裝電性連接的關鍵工藝。其中，金絲鍵合于鋁焊盤（Au-Al系統）是廣泛應用的組合，兼具優異的導電性與工藝成熟度。然而，這一系統長期面臨一個可靠性挑戰：在熱應力作用下，界面可能發生冶金反應，導致鍵合強度退化甚至失效。本期，科準測控小編將為您系統闡述這一現象的機理，并梳理評估其可靠性的熱應力試驗方法的演進邏輯與應用邊界。

一、界面反應：失效的根本原因

金鋁鍵合在熱暴露下的退化，本質上是兩種金屬在界面發生固態擴散和相互反應的結果。實驗觀察與理論分析表明，當鍵合質量良好、界面潔凈無雜質時，即使經歷長時間高溫老化，鍵合界面仍能保持足夠的強度。其失效并非單純由溫度或時間決定，而是源于界面冶金過程的固有特性。

相反，如果鍵合工藝不佳導致界面存在污染物、氧化物或存在“虛焊”（焊接不良），鍵合強度對熱應力將極為敏感。在熱作用下，這些缺陷會成為加速界面反應或引發應力集中的薄弱點，導致鍵合強度急劇下降。因此，熱應力試驗的核心原理，正是利用加速的界面反應，來甄別和剔除那些存在初始缺陷、在長期服役中易早期失效的鍵合點。

二、熱應力試驗的發展與應用

為有效識別批量生產中的潛在失效風險，業界發展出了標準化的熱應力加速試驗方法。其發展歷程體現了從經驗觀察到量化標準的科學路徑：

評估金鋁（Au-Al）鍵合可靠性的典型熱應力試驗表

1. 早期探索與嚴苛篩選：研究者Horsting提出了一個旨在揭示新批次封裝體潛在問題的強應力試驗：在390℃下烘烤1小時，隨后進行拉力測試。該高溫條件旨在劇烈加速界面反應。若測試中出現鍵合點從界面處被拉脫（界面分離），則判定該批次封裝體不合格。Ebel進一步將此類烘烤程序確立為混合電路的篩選流程，以提前暴露鍵合點的潛在失效模式。

2. 標準化的建立與演變：基于前期實踐，美國軍用標準Mil-Std-883（方法5008）為混合電路規定了一個相對溫和但仍具篩選力的標準試驗條件：300℃下烘烤1小時。該標準明確要求試驗后鍵合點的拉力測試值需大于或等于1.5克力（約14.7毫牛）。隨著技術發展，該標準后已被更新的Mil-Prf-38534F規范所替代，但其確立的核心試驗邏輯被繼承和發展。不同歷史階段的熱應力試驗條件對比總結如下表所示：

三、關鍵前提與適用范圍

必須強調，上述熱應力加速試驗并非適用于所有類型的鍵合系統。其有效性建立在鍵合界面金屬易發生擴散與反應這一前提之上。典型的適用對象是金-鋁（Au-Al）鍵合。

對于同類金屬鍵合（如Au-Au、Al-Al）或貴金屬間鍵合：其界面在熱作用下可能表現為強度增強（如通過退火效應）或基本保持不變，因此此類熱應力試驗不適用，甚至可能得出誤導性結論。

對于金鋁系統：試驗正是利用加熱下界面形成金屬間化合物（如“紫斑”、“白斑”等）導致脆化或產生Kirkendall空洞的機理，來加速暴露不良鍵合的早期失效。金鋁鍵合的熱應力可靠性評估，是從理解界面冶金反應到開發加速試驗、最終形成行業標準的系統工程。

科準測控作為專業的精密力學測試設備制造商，為該項評估提供關鍵的微力測試解決方案。其高精度微力測試系統能夠精確執行熱應力試驗后的鍵合點拉力測量，準確評估是否達到≥1.5gf等標準要求，通過科學加速金鋁界面的冶金反應過程，為微電子封裝工藝的質量控制與可靠性分析提供關鍵力學性能數據支撐。