在微電子封裝技術(shù)中，金屬引線鍵合是實(shí)現(xiàn)芯片與外部封裝電性連接的關(guān)鍵工藝。其中，金絲鍵合于鋁焊盤（Au-Al系統(tǒng)）是廣泛應(yīng)用的組合，兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性與工藝成熟度。然而，這一系統(tǒng)長(zhǎng)期面臨一個(gè)可靠性挑戰(zhàn)：在熱應(yīng)力作用下，界面可能發(fā)生冶金反應(yīng)，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度退化甚至失效。本期，科準(zhǔn)測(cè)控小編將為您系統(tǒng)闡述這一現(xiàn)象的機(jī)理，并梳理評(píng)估其可靠性的熱應(yīng)力試驗(yàn)方法的演進(jìn)邏輯與應(yīng)用邊界。

一、界面反應(yīng)：失效的根本原因

金鋁鍵合在熱暴露下的退化，本質(zhì)上是兩種金屬在界面發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散和相互反應(yīng)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)觀察與理論分析表明，當(dāng)鍵合質(zhì)量良好、界面潔凈無(wú)雜質(zhì)時(shí)，即使經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間高溫老化，鍵合界面仍能保持足夠的強(qiáng)度。其失效并非單純由溫度或時(shí)間決定，而是源于界面冶金過(guò)程的固有特性。

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

二、熱應(yīng)力試驗(yàn)的發(fā)展與應(yīng)用

為有效識(shí)別批量生產(chǎn)中的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，業(yè)界發(fā)展出了標(biāo)準(zhǔn)化的熱應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。其發(fā)展歷程體現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)觀察到量化標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)路徑：

評(píng)估金鋁（Au-Al）鍵合可靠性的典型熱應(yīng)力試驗(yàn)表

1. 早期探索與嚴(yán)苛篩選：研究者Horsting提出了一個(gè)旨在揭示新批次封裝體潛在問(wèn)題的強(qiáng)應(yīng)力試驗(yàn)：在390℃下烘烤1小時(shí)，隨后進(jìn)行拉力測(cè)試。該高溫條件旨在劇烈加速界面反應(yīng)。若測(cè)試中出現(xiàn)鍵合點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)的潛在失效模式。

2. 標(biāo)準(zhǔn)化的建立與演變：基于前期實(shí)踐，標(biāo)準(zhǔn)Mil-Std-883（方法5008）為混合電路規(guī)定了一個(gè)相對(duì)溫和但仍具篩選力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件：300℃下烘烤1小時(shí)。該標(biāo)準(zhǔn)明確要求試驗(yàn)后鍵合點(diǎn)的拉力測(cè)試值需大于或等于1.5克力（約14.7毫牛）。隨著技術(shù)發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)后已被更新的Mil-Prf-38534F規(guī)范所替代，但其確立的核心試驗(yàn)邏輯被繼承和發(fā)展。不同歷史階段的熱應(yīng)力試驗(yàn)條件對(duì)比總結(jié)如下表所示：

三、關(guān)鍵前提與適用范圍

必須強(qiáng)調(diào)，上述熱應(yīng)力加速試驗(yàn)并非適用于所有類型的鍵合系統(tǒng)。其有效性建立在鍵合界面金屬易發(fā)生擴(kuò)散與反應(yīng)這一前提之上。典型的適用對(duì)象是金-鋁（Au-Al）鍵合。

對(duì)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(xiàn)為強(qiáng)度增強(qiáng)（如通過(guò)退火效應(yīng)）或基本保持不變，因此此類熱應(yīng)力試驗(yàn)不適用，甚至可能得出誤導(dǎo)性結(jié)論。

對(duì)于金鋁系統(tǒng)：試驗(yàn)正是利用加熱下界面形成金屬間化合物（如“紫斑"、“白斑"等）導(dǎo)致脆化或產(chǎn)生Kirkendall空洞的機(jī)理，來(lái)加速暴露不良鍵合的早期失效。金鋁鍵合的熱應(yīng)力可靠性評(píng)估，是從理解界面冶金反應(yīng)到開(kāi)發(fā)加速試驗(yàn)、最終形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)工程。

科準(zhǔn)測(cè)控作為專業(yè)的精密力學(xué)測(cè)試設(shè)備制造商，為該項(xiàng)評(píng)估提供關(guān)鍵的微力測(cè)試解決方案。其高精度微力測(cè)試系統(tǒng)能夠精確執(zhí)行熱應(yīng)力試驗(yàn)后的鍵合點(diǎn)拉力測(cè)量，準(zhǔn)確評(píng)估是否達(dá)到≥1.5gf等標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)科學(xué)加速金鋁界面的冶金反應(yīng)過(guò)程，為微電子封裝工藝的質(zhì)量控制與可靠性分析提供關(guān)鍵力學(xué)性能數(shù)據(jù)支撐。