金铝键合热应力可靠性评估：从界面反应到标准制定

在微电子封装技术中，金属引线键合是实现芯片与外部封装电性连接的关键工艺。其中，金丝键合于铝焊盘（Au-Al系统）是广泛应用的组合，兼具优异的导电性与工艺成熟度。然而，这一系统长期面临一个可靠性挑战：在热应力作用下，界面可能发生冶金反应，导致键合强度退化甚至失效。本期，科准测控小编将为您系统阐述这一现象的机理，并梳理评估其可靠性的热应力试验方法的演进逻辑与应用边界。

一、界面反应：失效的根本原因

金铝键合在热暴露下的退化，本质上是两种金属在界面发生固态扩散和相互反应的结果。实验观察与理论分析表明，当键合质量良好、界面洁净无杂质时，即使经历长时间高温老化，键合界面仍能保持足够的强度。其失效并非单纯由温度或时间决定，而是源于界面冶金过程的固有特性。

相反，如果键合工艺不佳导致界面存在污染物、氧化物或存在“虚焊”（焊接不良），键合强度对热应力将极为敏感。在热作用下，这些缺陷会成为加速界面反应或引发应力集中的薄弱点，导致键合强度急剧下降。因此，热应力试验的核心原理，正是利用加速的界面反应，来甄别和剔除那些存在初始缺陷、在长期服役中易早期失效的键合点。

二、热应力试验的发展与应用

为有效识别批量生产中的潜在失效风险，业界发展出了标准化的热应力加速试验方法。其发展历程体现了从经验观察到量化标准的科学路径：

评估金铝（Au-Al）键合可靠性的典型热应力试验表

1. 早期探索与严苛筛选：研究者Horsting提出了一个旨在揭示新批次封装体潜在问题的强应力试验：在390℃下烘烤1小时，随后进行拉力测试。该高温条件旨在剧烈加速界面反应。若测试中出现键合点从界面处被拉脱（界面分离），则判定该批次封装体不合格。Ebel进一步将此类烘烤程序确立为混合电路的筛选流程，以提前暴露键合点的潜在失效模式。

2. 标准化的建立与演变：基于前期实践，美国军用标准Mil-Std-883（方法5008）为混合电路规定了一个相对温和但仍具筛选力的标准试验条件：300℃下烘烤1小时。该标准明确要求试验后键合点的拉力测试值需大于或等于1.5克力（约14.7毫牛）。随着技术发展，该标准后已被更新的Mil-Prf-38534F规范所替代，但其确立的核心试验逻辑被继承和发展。不同历史阶段的热应力试验条件对比总结如下表所示：

三、关键前提与适用范围

必须强调，上述热应力加速试验并非适用于所有类型的键合系统。其有效性建立在键合界面金属易发生扩散与反应这一前提之上。典型的适用对象是金-铝（Au-Al）键合。

对于同类金属键合（如Au-Au、Al-Al）或贵金属间键合：其界面在热作用下可能表现为强度增强（如通过退火效应）或基本保持不变，因此此类热应力试验不适用，甚至可能得出误导性结论。

对于金铝系统：试验正是利用加热下界面形成金属间化合物（如“紫斑”、“白斑”等）导致脆化或产生Kirkendall空洞的机理，来加速暴露不良键合的早期失效。金铝键合的热应力可靠性评估，是从理解界面冶金反应到开发加速试验、最终形成行业标准的系统工程。

科准测控作为专业的精密力学测试设备制造商，为该项评估提供关键的微力测试解决方案。其高精度微力测试系统能够精确执行热应力试验后的键合点拉力测量，准确评估是否达到≥1.5gf等标准要求，通过科学加速金铝界面的冶金反应过程，为微电子封装工艺的质量控制与可靠性分析提供关键力学性能数据支撑。