金-鋁鍵合非對稱性冶金反應及其可靠性影響

在協助客戶進行微電子封裝鍵合界面失效分析時，我們注意到一個常被直覺掩蓋的關鍵事實：將金（Au）球焊在鋁（Al）焊盤上（Au→Al），與將鋁線焊在金薄膜上（Al→Au），這兩種工藝互換并非簡單的幾何對稱操作。其冶金反應路徑、金屬間化合物（IMC）生長動力學及殘余應力狀態存在本質差異，直接導致長期可靠性表現迥異。今天，科準測控小編就為您深入解析，這一發現背后的機理與重要性。

一、工藝參數的非對稱性：熱超聲球形鍵合與超聲楔形鍵合

從工藝底層邏輯上看，兩者屬于完全不同的物理過程：

Au球在Al焊盤的熱超聲球形鍵合（Au→Al）：

溫度：約150–200℃。

能量：熱能與超聲能量協同作用，本質上是熱壓鍵合與超聲鍵合的復合。

過程特點：鍵合后，封裝體常在高溫下持續數分鐘（如模塑料固化），為IMC的持續、充分生長提供了熱動力學條件。

Al線在Au焊盤的超聲楔形鍵合（Al→Au）：

溫度：通常在室溫下進行。

能量：主要依賴超聲能量實現固態塑性變形與原子擴散。

過程特點：鍵合過程快速，IMC主要在超聲作用的瞬間生成，后續若無非必要高溫過程，IMC生長有限。

根本差異：初始鍵合時的熱歷史與能量輸入模式不同，決定了界面IMC的初始形貌、種類與厚度，這構成了后續老化行為差異的“初始條件”。

金鋁多層膜退火相轉變流程圖

二、微觀結構與反應路徑的非對稱性：IMC演變與柯肯達爾空洞

兩種界面的材料幾何與擴散主導元素互換，引發了截然不同的微觀結構演變：

Au球在Al焊盤（Au→Al）：

幾何特征：變形的Au球厚度（細間距下約3–10μm）遠大于典型的Al焊盤薄膜厚度（通常≤1μm）。Al焊盤是有限的鋁源。

IMC生長：在后續熱老化中，鋁被快速消耗，界面易形成富金相IMC，如Au?Al?、Au?Al，并最終可能完全轉變為這些相。

柯肯達爾（Kirkendall）空洞：由于Au與Al的固有擴散速率差異（通常Au向Al中擴散較慢），在富金IMC層（如Au?Al?、Au?Al）中或界面處易形成柯肯達爾空洞。這些空洞是應力和電流的集中點，是導致界面脆化、電阻升高乃至開路失效的關鍵機理。

Al線在Au焊盤（Al→Au）：

幾何特征：Al線作為鋁源，其體積通常遠大于下方作為金源的Au薄膜厚度。此時，金是有限源。

IMC生長：反應初期可能形成AuAl?等富鋁相。由于金被快速消耗，反應可能停滯在特定IMC階段，不易形成與Au→Al體系完全相同的富金相序列。

柯肯達爾空洞：由于擴散主導元素和有限源的變化，空洞形成的傾向、位置和密度可能與Au→Al體系顯著不同，甚至可能不出現某些特定富金相相關的典型空洞形態，從而展現出不同的失效模式和壽命。

三、力學行為的非對稱性：硬度失配與應力狀態

材料的機械屬性在互換后引發新的問題：

硬度失配的逆轉：在Al線鍵合于硬質Ni焊盤時，軟Al線可通過超聲變形實現連接。但若互換為Ni線鍵合于軟Al焊盤，硬質Ni線在超聲作用下易刺入軟Al層，將鋁向側邊擠出，而非有效變形鍵合。為實現Ni的變形所需超聲能量極大，極易對下方脆性的半導體硅片造成彈坑（Cratering）損傷，導致器件瞬時失效。這屬于不可互換的典型情況。

四、結論與啟示：可靠性評估必須基于具體界面構型

綜上所述，金-鋁鍵合界面的“A→B”與“B→A”互換，是一項涉及工藝-結構-性能聯動的系統性變更：

工藝非對稱導致初始IMC狀態不同。

幾何與擴散非對稱導致IMC生長路徑與空洞形成機理不同。

力學屬性非對稱可能導致鍵合可行性本身發生變化。

因此，絕不能將一種界面構型的可靠性數據簡單外推至其“反向”構型。任何新材料組合或工藝變更的可靠性評估，都必須進行針對性的界面表征與老化測試。

在這一精細的失效分析與工藝優化過程中，精準的測試與表征設備至關重要。科準測控提供的系列高精度微納米壓痕/劃痕測試系統與原位微觀力學測試解決方案，能夠精確表征不同IMC相的微觀力學性能（如硬度、模量）、測量界面結合強度，并在微觀尺度模擬應力狀態，為深入理解上述非對稱性界面行為、預測其長期可靠性提供了關鍵的數據支撐。結合其先進的掃描聲學顯微鏡（SAM）與X射線檢測系統，更能無損檢測界面空洞、分層等缺陷，幫助工程師在工藝開發與失效分析中，洞悉界面奧秘，筑牢產品可靠性的根基。