Kirkendall空洞在金-铝键合系统中的形成机制与电性能退化研究

在金-铝互扩散过程中，由于铝原子扩散速率高于金原子，会在原铝区域产生空位聚集，形成Kirkendall空洞。这些空洞的生成与扩展是导致键合电阻升高甚至开路失效的关键因素，其演变过程直接影响器件的长期可靠性。科准测控小编将在本文中，结合实验数据与机理模型，为您深入解读空洞形成规律与抑制方法。

1、 Kirkendall空洞形成机理在Au-Al扩散偶中，铝原子通过空位机制向金侧扩散的速率高于金原子向铝侧的扩散，两者的扩散系数差异可达一个数量级。这种非对称扩散导致铝侧空位过饱和，过量的空位在能量有利位置（如晶界、相界等缺陷处）聚集形核，最终形成微空洞。

空洞的形成过程可分为三个阶段：空位生成、空位聚集、空洞稳定生长。具体而言，在300℃下，铝的扩散系数约为5×10⁻¹⁶ m²/s，而金的扩散系数约为1×10⁻¹⁷ m²/s，这种数量级的差异是Kirkendall效应产生的根本原因。

Au-Al楔形键合中的Kirkendall空洞分布

SEM图像显示空洞沿键合周边形成，呈环状分布特征。这种分布模式反映了扩散前沿的位置和应力集中的区域。

2、 空洞演化与电阻变化的关系空洞演化过程可分为三个典型阶段，每个阶段对应不同的电阻变化特征。在初期阶段（<1000小时），孤立空洞在界面处形核，此时电阻仅小幅增加（约8mΩ），这一阶段的活化能约为0.4eV。进入中期阶段（数千小时），空洞开始沿界面扩展并相互连通，形成不连续的孔洞网络，电阻开始显著上升，上升速率与温度呈指数关系。在后期阶段，空洞形成连续的导电屏障，导电路径被完全切断，电阻急剧上升导致电气失效，此时器件的接触电阻可能增加两个数量级以上。

200℃下Au-Al键合电阻随时间变化曲线

曲线清晰显示电阻在空洞形成前后的变化趋势，与空洞演化阶段对应。曲线的转折点对应着空洞连通的关键时刻。

3、 空洞对键合可靠性的影响评估Kirkendall空洞不仅增加接触电阻，还显著降低键合机械强度。当空洞在界面形成连续层时，有效承载面积大幅减少，剪切强度可降至接近零。在温度循环条件下，空洞区域成为应力集中点，裂纹优先在这些缺陷处萌生和扩展。此外，空洞还会改变界面的热传导特性，导致局部温度升高，形成正反馈的退化机制。这些综合效应使得Kirkendall空洞成为金-铝键合系统中最具破坏性的退化机制之一。

4、 抑制空洞形成的工艺措施为抑制Kirkendall空洞的形成和扩展，可采取多种工艺措施。首先，采用更薄的铝层（如0.25μm）可以有效限制铝原子的供应量，从而减缓空洞的生长速率。其次，严格控制扩散温度与时间，避免达到空洞形成的临界条件。还可以在界面添加扩散阻挡层（如Ni、TiN等），这些阻挡层能够有效抑制原子的非对称扩散。此外，优化键合工艺参数，如降低键合温度、缩短键合时间等，也能在一定程度上延缓空洞的形成过程。

Kirkendall空洞是金-铝键合系统在高温环境下电性能退化的主要原因。通过理解其形成机制并采取相应工艺控制措施，可有效延缓空洞演化过程，提高键合连接的长期稳定性。特别是在需要长期高温工作的电力电子、汽车控制模块等应用中，对这一问题的深入理解和有效控制尤为重要。科准测控提供Kirkendall空洞检测与分析服务，利用高分辨率SEM/EDS系统精确表征空洞分布和尺寸变化，并结合四探针法进行接触电阻动态监测，为客户提供全面的空洞演化数据包，帮助优化工艺参数。