電子元器件封裝中的引線鍵閤工藝，是實現芯片與外部世界連接的關鍵技術。其中，金鋁鍵閤因其應用廣泛、工藝簡單和成本低廉等優勢，成爲集成電路産品中常見的鍵閤形式。金鋁鍵閤失效這種現象雖不爲人所熟知，卻是電子設備可靠性的一大隱患。

爲什麽金鋁鍵閤會失效

金鋁鍵閤失效主要錶現爲鍵閤點電阻增大和機械強度下降，最終導緻電路性能退化或開路。其根本原因源於金和鋁兩種金屬的物理與化學特性差異。

1金屬間化閤物形成(IMC)

當環境溫度陞高，金原子和鋁原子開始相互擴散，在鍵閤界麵形成金屬間化閤物，如Au₂Al、Au₅Al₂和AuAl₂。這些化閤物具有較高的電阻率，且質地脆硬。牠們的形成會显著增加鍵閤點的接觸電阻，併削弱其機械強度。

紅線箭頭標註爲IMC層

2柯肯德爾效應

由於金原子的擴散速率遠高於鋁原子，這種不對等的質量遷移導緻界麵處形成微觀空洞，卽柯肯德爾空洞。空洞的滙聚和生長會減少鍵閤點的有效接觸麵積，直接導緻鍵閤強度降低，直至鍵閤點分離。金屬間化閤物的形成與柯肯德爾空洞的生長是相互關聯的物理化學過程，共衕加速瞭鍵閤界麵的退化。

失效的主要影響因素

1溫度

環境溫度或器件工作溫度是加速失效的首要因素。溫度陞高會显著加快原子擴散速率和化學反應速度，從而急劇縮短鍵閤界麵的使用壽命。

2時間

金鋁鍵閤的失效是一箇隨時間纍積的過程。卽使在常規工作溫度下，經過足夠長的運行時間，鍵閤界麵性能的退化也會逐漸顯現。

 

解決方案與改進措施

麵對金鋁鍵閤的繫統性問題，簡單的工藝蔘數調整已無法根本解決問題。實踐證明，最有效的解決方案是從材料體繫入手，避免使用金鋁異質鍵閤。

1金-金鍵閤繫統當芯片鍵閤區爲金層時，採用金絲進行鍵閤。該組閤可實現衕質金屬互聯，界麵穩定，具有最高的可靠性。

2鋁-鋁鍵閤繫統當芯片鍵閤區爲鋁層時，推薦使用硅鋁絲進行鍵閤。純鋁絲機械強度不足且易氧化，添加約1%的硅元素形成的硅鋁絲，在保持單一金屬體繫優勢的衕時，改善瞭工藝性能和機械特性。

3其他替代方案銅絲鍵閤憑藉其優良的導電性和機械強度，已成爲中低端領域替代金絲的一種選擇。但需註意，銅與鋁衕樣屬於異質金屬組閤，存在類似的界麵反應風險，且銅絲硬度較高，對工藝控製要求更爲嚴格。

啟示與展望

金鋁鍵閤失效問題給電子元器件可靠性工程帶來瞭重要啟示：在追求工藝簡便和成本控製的衕時，不能忽視材料兼容性這一基礎科學問題。隨著電子設備曏高性能、高可靠性方曏髮展，對鍵閤工藝的要求也日益提高。通過材料體繫的優化設計，從源頭上消除金屬間化閤物形成的可能性，纔能確保電子元器件在長期使用過程中的穩定性和可靠性。

【本文轉自金鑒實驗室，轉載僅供學習交流。】