近年來(lái)，微電子封裝正在向高密度、高可靠性發(fā)展，鈀（Pd）作為一種關(guān)鍵鍵合材料，因其俱備優(yōu)異的抗氧化性及與鋁（Al）焊盤(pán)形成緩慢擴(kuò)散反應(yīng)等優(yōu)異性能而受到廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)金（Au）絲，Pd絲在高溫服役條件下的界面演化行為更為復(fù)雜?？茰?zhǔn)測(cè)控依托在推拉力測(cè)試及力學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)積累，致力于通過(guò)精密測(cè)試手段，量化評(píng)估各種異質(zhì)材料體系下的鍵合強(qiáng)度與失效機(jī)制。本文小編將基于已有公開(kāi)研究數(shù)據(jù)，從力學(xué)冶金學(xué)視角出發(fā)，為您系統(tǒng)闡述Pd絲與Al焊盤(pán)界面金屬間化合物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特征，及其對(duì)鍵合可靠性的力學(xué)影響。

一、Pd-Al界面在高溫下的緩慢演化

相關(guān)研究表明，Pd-Al金屬間化合物的表觀活化能約為1.25 eV，活化能是用以衡量原子擴(kuò)散難易程度的指標(biāo)，參考下表中的Au-Al體系活化能數(shù)據(jù)您就可以清晰看到，Pd-Al體系活化能明顯要高很多。這意味著在相同溫度應(yīng)力下，Pd-Al金屬間化合物的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)低于Au-Al體系，就需要更多的能量才能驅(qū)動(dòng)界面原子擴(kuò)散與反應(yīng)。不過(guò)也正因?yàn)?/span>反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，Pd-Al鍵合點(diǎn)在高溫服役或可靠性測(cè)試中，其界面結(jié)構(gòu)變化更遲緩，這有利于維持鍵合的力學(xué)完整性。

Au-AI引線鍵合失效活化能匯總

二、 AlPd金屬間化合物種類(lèi)與空洞演化

盡管反應(yīng)緩慢，但界面反應(yīng)仍然存在。研究發(fā)現(xiàn)，在熱聲球形鍵合及后續(xù)加熱烘烤過(guò)程中，界面處會(huì)形成PdAl?和Pd?Al?兩種金屬間化合物。其中Pd?Al?相在400℃的高溫條件下持續(xù)100小時(shí)后開(kāi)始出現(xiàn)Kirkendall空洞，進(jìn)而減小有效承載面積，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。當(dāng)進(jìn)行焊球剪切測(cè)試或拉力測(cè)試時(shí)，空洞區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，并不斷擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為鍵合強(qiáng)度下降。此外，從AIPd相圖可以看到，在富Al側(cè)及8%（atm）Pd共晶點(diǎn)附近，金屬間化合物演化路徑可能因成分波動(dòng)而略有差異。

三、 硬度與彈坑風(fēng)險(xiǎn)

另外，從材料力學(xué)性能參數(shù)來(lái)看，Pd與Au存在顯著差異：Pd的硬度約為200 HKN，而Au約為90 HKN。在進(jìn)行球形鍵合時(shí)，較硬的Pd球需要更高的超聲能量或鍵合力才能實(shí)現(xiàn)與AI焊盤(pán)的良好貼合。這將會(huì)增加Si芯片彈坑風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致芯片有源區(qū)結(jié)構(gòu)造成物理性破壞，進(jìn)而導(dǎo)致器件即時(shí)失效或潛在可靠性隱患。因此，針對(duì)Pd絲的鍵合工藝（超聲功率、壓力、溫度）必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的推拉力測(cè)試驗(yàn)證，確保鍵合強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，底部無(wú)損傷。

四、Pd物理屬性對(duì)導(dǎo)電與導(dǎo)熱的影響

Pd的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率均不足Au的四分之一。對(duì)于承載大電流的功率器件而言，若需傳輸相同電流，必須采用更大直徑的Pd絲，以降低電阻和焦耳熱。然而，焦耳熱累積會(huì)反過(guò)來(lái)加速界面金屬間化合物生長(zhǎng)，形成熱-力-電多場(chǎng)耦合失效模式。因此，對(duì)Pd絲鍵合點(diǎn)的可靠性評(píng)估，往往還需要結(jié)合高溫存儲(chǔ)測(cè)試與電流應(yīng)力測(cè)試。

五、 薄Pd鍍層體系優(yōu)勢(shì)與鍵合相似性

盡管純Pd絲存在硬度高、導(dǎo)電性差的挑戰(zhàn)，但薄Pd鍍層（如0.076μm）作為引線框架的表面處理層則展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。研究表明，在1μm厚Pd膜層上對(duì)Al線進(jìn)行超聲楔形鍵合，或在薄Pd層上進(jìn)行Au線熱壓球形鍵合，其可鍵合性與在Au鍍層上相似，且在200℃/50h的高溫烘烤后未發(fā)現(xiàn)可靠性問(wèn)題。薄Pd層在鍵合過(guò)程中迅速與底層金屬（如Ni）或焊料形成固溶體，避免了厚層脆性金屬間化合物的生成。Pd具有較高的表面自由能，有利于與模塑料和芯片粘接環(huán)氧樹(shù)脂形成良好結(jié)合，增強(qiáng)了封裝的整體機(jī)械完整性。

六、潛在問(wèn)題與力學(xué)檢測(cè)關(guān)注點(diǎn)

Pd、 Al 和 Au 引線鍵合系統(tǒng)表

根據(jù)表中匯總，Pd體系在應(yīng)用中還需關(guān)注其它一些力學(xué)與工藝可靠性問(wèn)題，比如氫脆風(fēng)險(xiǎn)，高溫氧化，清洗工藝敏感以及機(jī)械劃傷與工具磨損等。

總而言之，Pd作為一種鍵合材料，在Au和Al之間提供了獨(dú)特的性能平衡。其與Al反應(yīng)的高活化能決定了優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但較高的硬度和特殊的物理化學(xué)屬性也對(duì)鍵合工藝窗口的精準(zhǔn)控制及可靠性評(píng)估方法提出了更高要求。在引入Pd體系時(shí)，建議通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）系統(tǒng)評(píng)估鍵合參數(shù)，并輔以高溫存儲(chǔ)后的剪切/拉力測(cè)試及彈坑檢測(cè)，全面驗(yàn)證其力學(xué)可靠性。

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