在半導體封裝中，金線與鋁焊盤的鍵合廣泛應(yīng)用于芯片連接。然而，長期可靠性常受金屬間化合物形成與擴散行為的制約。本文科準測控小編將從現(xiàn)象出發(fā)，深入探討Au-Al鍵合中的“紫斑"現(xiàn)象、Kirkendall空洞形成機制及其與失效活化能的關(guān)系。

一、“紫斑"的起源：AuAl?的形成

“紫斑"是金-鋁鍵合中的典型現(xiàn)象，其顏色來源于AuAl?（富鋁相）。該化合物熔點高、相對穩(wěn)定，但在持續(xù)熱載荷下會進一步擴散，直至消耗完一側(cè)的金屬。紫斑的出現(xiàn)往往是鍵合界面發(fā)生顯著反應(yīng)的視覺信號。

Au-Al薄膜系統(tǒng)中化合物形成示意圖

二、Kirkendall空洞：擴散不匹配的后果

Kirkendall空洞是由于Au與Al擴散速率不同導致的空位聚集現(xiàn)象。Au擴散快于Al，導致在富Au側(cè)（尤其是Au?Al?界面）形成空洞。空洞在高溫（>300℃）或長時間老化下逐漸連接成裂紋，最終引發(fā)鍵合失效。

三、失效活化能：材料與工藝的“指紋"

失效活化能E是描述鍵合退化速率的關(guān)鍵參數(shù)，其值受多種因素影響：

金屬間化合物類型

擴散路徑（晶界、塊體）

界面冶金狀態(tài)（富Au/富Al）

雜質(zhì)與缺陷

上表匯總了多篇文獻中報道的Au-Al鍵合失效活化能，數(shù)值在0.2–1.0 eV之間波動，反映了測量方法與失效定義的差異。

四、體積變化與應(yīng)力演化

不同金屬間化合物的晶胞體積差異顯著（可達20%）。在溫度循環(huán)中，化合物相變伴隨體積變化，引發(fā)局部應(yīng)力集中，進而促進裂紋形核與擴展。這種機制在薄鋁層或小尺寸鍵合中尤為顯著。

五、實際應(yīng)用中的啟示

雖然經(jīng)典Kirkendall空洞在常規(guī)使用中較少發(fā)生，但以下因素可能加速失效：

焊接不良（微焊點、高應(yīng)力）、厚膜金屬層（多晶界、高缺陷密度）、界面污染（Cl、S）等，因此，工藝控制與材料選擇至關(guān)重要：

1. 優(yōu)化鍵合參數(shù)（溫度、壓力、時間）

2. 采用阻擋層技術(shù)（如Ti/W/Ni疊層）

3. 實施可靠性測試（溫度循環(huán)、高溫存儲）

Au-Al鍵合失效是一個涉及相變、擴散、應(yīng)力與化學作用的復雜過程。從“紫斑"到Kirkendall空洞，從活化能到體積效應(yīng)，每一步都蘊含著材料科學的深刻原理。在實際可靠性評估中，科準測控的界面分析系統(tǒng)與原位熱-力耦合測試平臺可實現(xiàn)對鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)演變與力學性能退化的同步監(jiān)測，為用戶提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的工藝優(yōu)化與壽命預測支持?？茰蕼y控持續(xù)為半導體封裝、新能源、航空航天等領(lǐng)域提供高精度、智能化的測試裝備與解決方案，推動材料可靠性技術(shù)的進步與應(yīng)用落地。