金-铝键合非对称性冶金反应及其可靠性影响

在协助客户进行微电子封装键合界面失效分析时，我们注意到一个常被直觉掩盖的关键事实：将金（Au）球焊在铝（Al）焊盘上（Au→Al），与将铝线焊在金薄膜上（Al→Au），这两种工艺互换并非简单的几何对称操作。其冶金反应路径、金属间化合物（IMC）生长动力学及残余应力状态存在本质差异，直接导致长期可靠性表现迥异。今天，科准测控小编就为您深入解析，这一发现背后的机理与重要性。

一、工艺参数的非对称性：热超声球形键合与超声楔形键合

从工艺底层逻辑上看，两者属于完全不同的物理过程：

Au球在Al焊盘的热超声球形键合（Au→Al）：

温度：约150–200℃。

能量：热能与超声能量协同作用，本质上是热压键合与超声键合的复合。

过程特点：键合后，封装体常在高温下持续数分钟（如模塑料固化），为IMC的持续、充分生长提供了热动力学条件。

Al线在Au焊盘的超声楔形键合（Al→Au）：

温度：通常在室温下进行。

能量：主要依赖超声能量实现固态塑性变形与原子扩散。

过程特点：键合过程快速，IMC主要在超声作用的瞬间生成，后续若无非必要高温过程，IMC生长有限。

根本差异：初始键合时的热历史与能量输入模式不同，决定了界面IMC的初始形貌、种类与厚度，这构成了后续老化行为差异的“初始条件”。

金铝多层膜退火相转变流程图

二、微观结构与反应路径的非对称性：IMC演变与柯肯达尔空洞

两种界面的材料几何与扩散主导元素互换，引发了截然不同的微观结构演变：

Au球在Al焊盘（Au→Al）：

几何特征：变形的Au球厚度（细间距下约3–10μm）远大于典型的Al焊盘薄膜厚度（通常≤1μm）。Al焊盘是有限的铝源。

IMC生长：在后续热老化中，铝被快速消耗，界面易形成富金相IMC，如Au₅Al₂、Au₄Al，并最终可能完全转变为这些相。

柯肯达尔（Kirkendall）空洞：由于Au与Al的固有扩散速率差异（通常Au向Al中扩散较慢），在富金IMC层（如Au₅Al₂、Au₄Al）中或界面处易形成柯肯达尔空洞。这些空洞是应力和电流的集中点，是导致界面脆化、电阻升高乃至开路失效的关键机理。

Al线在Au焊盘（Al→Au）：

几何特征：Al线作为铝源，其体积通常远大于下方作为金源的Au薄膜厚度。此时，金是有限源。

IMC生长：反应初期可能形成AuAl₂等富铝相。由于金被快速消耗，反应可能停滞在特定IMC阶段，不易形成与Au→Al体系完全相同的富金相序列。

柯肯达尔空洞：由于扩散主导元素和有限源的变化，空洞形成的倾向、位置和密度可能与Au→Al体系显著不同，甚至可能不出现某些特定富金相相关的典型空洞形态，从而展现出不同的失效模式和寿命。

三、力学行为的非对称性：硬度失配与应力状态

材料的机械属性在互换后引发新的问题：

硬度失配的逆转：在Al线键合于硬质Ni焊盘时，软Al线可通过超声变形实现连接。但若互换为Ni线键合于软Al焊盘，硬质Ni线在超声作用下易刺入软Al层，将铝向侧边挤出，而非有效变形键合。为实现Ni的变形所需超声能量极大，极易对下方脆性的半导体硅片造成弹坑（Cratering）损伤，导致器件瞬时失效。这属于不可互换的典型情况。

四、结论与启示：可靠性评估必须基于具体界面构型

综上所述，金-铝键合界面的“A→B”与“B→A”互换，是一项涉及工艺-结构-性能联动的系统性变更：

工艺非对称导致初始IMC状态不同。

几何与扩散非对称导致IMC生长路径与空洞形成机理不同。

力学属性非对称可能导致键合可行性本身发生变化。

因此，绝不能将一种界面构型的可靠性数据简单外推至其“反向”构型。任何新材料组合或工艺变更的可靠性评估，都必须进行针对性的界面表征与老化测试。

在这一精细的失效分析与工艺优化过程中，精准的测试与表征设备至关重要。科准测控提供的系列高精度微纳米压痕/划痕测试系统与原位微观力学测试解决方案，能够精确表征不同IMC相的微观力学性能（如硬度、模量）、测量界面结合强度，并在微观尺度模拟应力状态，为深入理解上述非对称性界面行为、预测其长期可靠性提供了关键的数据支撑。结合其先进的扫描声学显微镜（SAM）与X射线检测系统，更能无损检测界面空洞、分层等缺陷，帮助工程师在工艺开发与失效分析中，洞悉界面奥秘，筑牢产品可靠性的根基。